六脉冲直流通断系统的设计

董雪礼， 安 平， 丁志东， 陈伟伟

1. 镇江市产品质量监督检验中心 江苏镇江 212132 2. 国家中低压配电设备质量监督检验中心 江苏镇江 212132 3. 上海爱科测试设备有限公司 上海 200063

1 设计背景

我国电网投资近年来持续保持在高位，且变电、配电设备投资的占比呈现稳中有升的势态。变电、配电等设备行业是电力行业中最具潜力的细分领域，电网的高速建设拉动了变电、配电设备发展的市场需求。随着风能、太阳能等新能源发电的推广应用，以及高铁和城市轨道交通的迅猛发展，直流配电设备需求量急剧增长[1]。

随着国内直流配电设备的大量使用，配套的直流产品检测能力难以满足现有市场的需求。据了解，现有具备低压直流产品检测能力的机构包括上海电器科学研究所(集团)有限公司、苏州电器科学研究院股份有限公司、山东省产品质量监督检验研究院、浙江方圆电气设备检测有限公司、遵义市产品质量检验检测院。上海电器科学研究所(集团)有限公司早在2011年就已经具备开展低压直流开关设备的检测能力，苏州电器科学研究院股份有限公司和浙江方圆电气设备检测有限公司分别在2012年和2014年具备这类产品的检测能力，山东省产品质量监督检验研究院同样在2014年具备直流产品的检测能力，遵义市产品质量检验检测院在2015年具备直流产品的检测能力。

直流通断试验系统的设计与研究以满足各类生产企业试验的需求为主。笔者从设计原则、电气设计、运行方式、回路端口试验能力、测量与控制等方面，阐述了六脉冲直流通断系统的设计。随着国家电网新能源需求的回暖，充电桩及各类轨道交通的投资需求旺盛，直流通断试验系统属于大型基础性检验设备，具有较强的抗风险能力[2]。

2 设计原则

安全是电气试验的关键问题，因为涉及较多的高电压大电流测试设备，所以应该在规划设计、运行、管理等各环节充分考虑安全问题，主要包括设备安全、试验人员安全、外来客户安全、样品安全、数据安全等。

随着我国低压电气设备的发展，检测结果的一致性和有效性受到业内的广泛关注，提高测试设备的自动化水平、自动采集和处理试验数据、通过数据接口程序解决试验设备数据交互问题成为关注的焦点。采用数字化可通信测试设备，同时借助基于标准试验方法定制的专业设备操作软件来实现对设备的操作，可以实现数据的自动采集、分析、处理、保存、检索等功能[3]。

测试标准见表1。

3 电气设计

3.1 综合能力

六脉冲直流通断系统主要用于检验直流开关的通断和寿命试验，其主回路的试验能力为电压130～1295V，最大电流120kA。有1个 10kA～120kA 短路试验端口、1个10kA～50kA短路试验端口和1个0.5kA～10kA短路和寿命试验端口。130～1295V电压有级可调，通过阻抗前级和后级的调整，可以完成直流开关的通断和寿命试验。

3.2 纹波因数

根据国际电工委员会下属检测实验室委员会CTL201A决议，纹波因数应≤5%[4]。本系统采用两台交流冲击变压器供电，交流电源在晶闸管整流装置内经过三相桥式整流，在一个交流周期内输出六个半波，称为六脉冲整流。一般采用六脉冲整流后的纹波因数理论值为4.2%，离5%的标准要求较为接近，但是由于回路结构和阻抗的不平衡，导致纹波因数有可能会大于理论值。调整纹波因数主要依靠交流侧高压阻抗调节线路平衡，进而使纹波因数满足标准要求。

3.3 电路说明

如图1所示，六脉冲直流通断系统电路通过高压开关8AH、9AH、10AH、11AH配合201HK、301HK合闸开关的动作实现流程控制，电压部分原通过1TM、2TM交流冲击试验变压器，1A、2A、3A与5A、6A、7A串并联转换装置，4A、8A Y/△转换装置，201GL、202GL整流装置后得到110～1100V直流电压，通过S/P21和S/P22开关实现两套电源的串联、并联及独立使用。电流部分通过低压阻抗201R、202R、201L、202L、203R、203L、203R′、203L′的前后级组合，在2ET1、2ET2和3ET1端口实现短路和接通分断试验[5]，试验能力满足 0.5kA～120kA的电流试验范围。

表1 测试标准

图1 六脉波直流通断系统原理图

4 运行方式

4.1 两台变压器并联或串联运行

交流电源通过201GL、202GL整流后，通过 S/P22 切换至并联位置，并通过S/P21实现两台变压器电源的串联和并联，此时只能在2ET1、2ET2端口上进行短路或寿命试验。

通过8AH、9AH、10AH、11AH和201HK的合分操作，并通过201R、202R、201L、202L可以在2ET1端口实现132～1295V、10kA～100kA的极限短路试验、短路保护装置保护配合试验和分断试验等。通过201R、202R、201L、202L和2ET2上端口短接，可以在2ET1端口实现132～1295V、0.5kA～10kA的短路试验、过载试验、额定接通和分断试验、寿命试验等[6]。通过201R、202R、201L、202L和2ET1上下端口短接，可以在2ET2端口实现 132～1295V、0.5kA～10kA的极限短路试验、短路保护装置保护配合试验、短路接通和分断试验等[6]。

4.2 两台变压器独立运行

交流电源通过201GL、202GL整流后，通过 S/P22 切换至独立位置，可实现2TM电源的独立使用，此时可以在3ET1端口实现短路类试验。通过S/P21切换至并联位置，可实现1TM电源的独立使用，此时可以在2ET1、2ET2端口进行短路或寿命试验。

通过10AH和201HK的合分操作，再通过201R、201L，可以在2ET1端口实现132～1295V、10kA～55kA的极限短路试验、短路保护装置保护配合试验和分断试验等。通过201R、203R、201L、203L和2ET2上端口短接，可以在2ET1端口实现132～1295V、0.5kA～10kA的短路试验、过载试验、额定接通和分断试验、寿命试验等[6]。通过201R、203R、201L、203L和2ET1上下端口短接，可以在2ET2端口实现132～1100V、0.5kA～10kA的极限短路、短路保护装置保护配合试验、短路接通和分断试验等[7]。

通过11AH和301HK的合分操作，再通过202R、202L，可以在3ET1端口实现130～1100V、10kA～55kA的极限短路试验、短路保护装置保护配合试验和分断试验等。

5 各端口试验能力

5.1 2ET1端口

对于前级阻抗201R、202R、201L、202L，110V时为5kA～40kA，250V时为10kA～60kA，440～647V 时为10kA～120kA，647～1295V时为10kA～65kA。

对于后级阻抗203R、203L，110V时为 0.5kA～5kA，250V时为0.5kA～10kA，440～647V时为0.5kA～10kA，647～1295V时为0.5kA～10kA。

5.2 2ET2端口

对于前级阻抗201R、203R、201L、203L，110V时为0.5kA～5kA，250V时为0.5kA～10kA，440～647V时为0.5kA～10kA，647～1295V时为0.5kA～10kA。

5.3 3ET1端口

对于前级阻抗202R、202L，110V时为5kA～30kA，250V时为10kA～40kA，440～647V时为10kA～65kA，647～1000V时为10kA～40kA。

6 测量与控制

测量与控制系统原理如图2所示，选用SATURN系统，通过插入SATURN主机的板卡进行测量与控制。

6.1 测量

测量系统由各挡位变送器、电压传感器及SATURN系统构成，完成对试验电流和试验电压的测量。

SATURN系统采用Flat SATURN主机、SATURN Data模块和Tesesto 3M-16-8板卡，

图2 测量与控制系统原理图

同时增加直流测量用光纤模拟接收和发送模块，型号为BELINK-INSR-3001-1和BELINK-INST-3001-1，实现对电源电压和电流的采集[8]。

电压采集采用分压板和CV3-1000型电压传感器，进行隔离电压变送，该传感器参数为1000V/10V，相对采样精度为0.2%。

电流采集采用分流器和霍尔电流传感器。

6.2 控制

控制系统由接触器、继电器等器件，以及可编程序控制器数字量输入输出模块构成，由数字量模块控制相应的执行器件完成系统的各项功能。

控制系统的主要功能如下： 从人机界面接收试验设定和操作指令；按试验人员设定，根据试验流程完成试验电源的接通、分断；控制电压回路接触器，按要求顺序合分，完成试验；读取接触器反馈，保证正常动作；控制气缸动作，完成试品的断开和闭合。

6.3 人机界面

人机界面以西门子可编程序控制器和SATURN主机的显示器为输出设备，以键盘、鼠标为输入设备，以软件的显示界面为操作界面，与测量控制功能合为一体。

可编程序控制器人机界面完成以下功能： ① 登录，操作人员在此界面输入用户名、密码，进入操作界面；② 试验设置，操作人员可以设置短路试验控制方式、寿命试验控制方式，选择试验端口、短路试验类型、寿命试验类型，设置试验通电时间、试验周期、试验频率等；③ 电源状态监视，操作人员可以监视电源回路中各个隔离刀开关、断路器等器件的状态；④ 电源设置，操作人员可以设置电源的配置，包括单台变压器单独运行、两台变压器并联运行，以及每台变压器的低压刀开关组别等；⑤ 辅助电源设置，操作人员可以设置辅助电源的直流电压、交流电压、试品控制方式、故障判断类型、试验室排风控制等，辅助电压调节可以选择交流或直流；⑥ 整流装置状态监视，操作人员可以查看整流装置的状态、报警、故障等；⑦ 故障信息显示，操作人员可以查看所发生的故障、报警，以及错误记录；⑧ SATURN系统功能，包括试验电压和电流波形采集、数据分析、报告生成等，可对电流和电压的有效值、峰值、峰峰值，以及通电时间、燃弧时间、熔断值、功率因数等进行分析，并可根据客户需要编辑报告格式。

7 结束语

随着低压电气设备行业，以及光伏和太阳能新能源行业的飞速发展，直流电气设备的研发和测试投入都大大增加。结合低压电气设备发展规划及智能电网的发展，将有大批直流电气设备被开发和应用于充电桩等新能源项目中。直流电气设备的研究开发需要检验机构的技术支撑，六脉冲直流通断系统可以服务于直流电气设备生产企业，为企业提供产品检测和技术服务[9]。

这一六脉冲直流通断系统在原有交流通断系统的基础上进行改造，六脉冲整流后的纹波因数理论值为4.2%，满足CTL201A决议对空载条件下电源电压纹波因数不应超过5%的要求。系统建成后，对于华东地区产业结构调整、构建检验检测技术公共服务平台具有重要意义。

[1] 周伟，宋晓伟，谢胤喆.上海能源结构优化与大气污染治理研究[J].上海电气技术,2017,10(2)： 58-63.

[2] 闫广新，陈琼.基于市场条件的疆电外送研究与政策建议[J].上海电气技术,2017,10(2)： 64-68.

[3] 侯运河.基于网络环境的生产过程质量监控系统的研发[D].淄博： 山东理工大学，2010.

[4] 李唐兵.电能质量在线监测装置的设计与实现[D].长沙： 湖南大学，2009.

[5] 陆俭国，张乃宽，李奎.低压电器的试验与检测[M].北京： 中国电力出版社，2007.

[6] 低压开关设备和控制设备 第2部分： 断路器： GB 14048.2—2008[S].

[7] 周伟锋.煤矿用低压电器设备通断试验电源需求分析[J].电气开关，2010(3)： 14-16.

[8] 孙昌稳，田娜.弧光接地过电压的分析及限制措施[J].上海电气技术，2015，8(2)： 60-61.

[9] 宋广超.煤矿低压电气设备综合试验装置的研究[D].济南： 山东科技大学，2004.