直流电源装置综合性能检测方法研究

王 龙，郭寅远，陈顺芝

（1.郑州航空工业管理学院，河南郑州 450046；2.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南许昌 461000）

直流电源是电力系统控制、状态监测、开关操作及继电保护的重要设备，其质量和性能优劣直接关系到电力设备安全和电网的稳定可靠运行。近年来，由直流电源的质量问题造成的电力系统重大事故时有发生，对电力系统的安全稳定运行造成了严重威胁。该文采用先进的充放电设备，研制了一套先进的微机控制系统及微机数据采集自动测量系统，建立了一种直流电源质量检测方法，总结了实验的项目及质量控制策略。

1 充电机充放电设备

检测实验室应配置满足充放电实验、直流电源柜测试、蓄电池检测实验要求的设备，充放电设备应稳定可靠且可平滑调节[1]。充放电设备应具有自动记录和分析相关数据的功能，经过充放电设备的工作数据分析和后期人工处理，以方便对直流电源设备的主要参数进行比较分析。

1.1 充电设备

电源充电设备采用全自动浮充电装置，可用于蓄电池充电实验，以实现均衡充电。直流电源电压逐步升高至给定电压时，设备电压环输出电压逐渐降低，此时相当于电流环的给定电流降低，从而起到电压环经电流环控制移相触发器达到控制稳压的作用[2]。直流电源充电实验稳流精度不大于2%，电源稳压精度不大于1%；电源的纹波系数不大于2%，工作噪声不大于60 dB，电源设备主变压器温升不大于60 K；设备输出电压在0～320 V 之间；设备输出电流在0～50 A 之间。设备工作时，缓慢平滑调节设备输出电压和电流，以免损坏设备。全自动充电机电气原理图如图1 示。

图1 全自动充电机电气原理图

1.2 放电设备

电阻性负载的放电设备主要用于调整充电机、蓄电池、直流屏等设备的放电电流。放电设备在一定程度上是实验系统的稳定器和安全阀，每次系统实验前后都需对实验设备进行放电，放电的目的除了检测相关设备性能外，还保护了实验设备和人员[3]。放电设备主要由滑线电阻器组成，该实验调节目标电流为2 A、4 A、8 A、13 A、20 A、40 A。电阻可根据实验要求的放电电流的大小进行调节，实现冲击电流在0～300 A 间调节，即电阻在0～10 Ω间可调[4]。将所有放电设备的电阻装在一台可移动的小车上，将放电开关及电流表、电压表安装在车前面板上，可通过移动小车调节电阻（电流）值。

2 质量控制系统

2.1 电源测量系统

电源测量系统由计算机、数据采集信号箱、信号采集与数据分析软件及A/D 模块等组成。数据采集信号箱将待测信号送入A/D 转换模块，A/D 模块可将转变后的数字信号进行储存，其具备显示信号、分析测量和打印图形的功能[5]。该系统可直接测量高压电源，使用差分输入增强抗干扰能力并避免了由测量线接地或共地引起的短路故障；该系统具有多档位、宽量程、分档细等特点；该系统还配有LEM 系列的霍尔元件电流互感器，交直流电流均可测量[6]。该测量系统的技术指标见表1。

表1 电源测量系统的技术指标

2.2 测量控制系统

测量控制系统选用微机可编程序控制器，其输出接点可启动直流接触器，直接进行冲击电流实验。微机程控器具有16 路的输出，可设置的时间范围为0～9 999 ms，可实现限时控制、条件控制、计数控制、定次数自动循环动作和单次动作等，必要时还可以通过编辑程序实现监控和容错功能。检测前可根据控制需求进行简单地编程，通常采用梯形图编程形式[7]。

3 直流电源检测实验的实施

实验前，一方面，要对产品的铭牌进行核验，主要核验生产厂家、参数、产品型号、编号、生产日期等信息；另一方面，要检查设备的外观、结构（构建）形式、加工质量（精度）等；最后对设备的图纸、操作手册、养护说明等技术文件和随机资料等进行检查。实验进行过程中应进行检查，在实验开始前需进行绝缘检查实验，绝缘检查合格后方可进行下一步。实验检查有两种操作：一是人工设置绝缘水平不高于规定值，绝缘检查装置应通过声光信号和相关动作能正确显示绝缘状态；二是人为调整控制电源母线电压，电压监视继电器通过相关动作、声光信号能正确显示绝缘状态。实验结束后，要随机检查产品试后情况，检查设备、仪表、仪器等情况，并对实验数据进行采集、分析和处理[8]。

直流电源性能检测实验可分为3 个组合实验，即直流电源充电机检测实验、电池组容量检测实验和电池组基本性能曲线测试实验。其中上述第1 项为充电机组合实验项目，第1～2 项为直流电源柜组合实验项目，第2～3 项为蓄电池组组合实验项目。

3.1 直流电源充电机实验

直流电源充电机组合实验主要含绝缘实验、稳流稳压精度实验、纹波系数测量及温升等实验项目。首先，要开展绝缘实验，电源母线对地50 Hz/2 kV 实验电压持续1 min，试品未出现闪络及击穿情况视为合格。因绝缘设备通常具有一定的电容，在绝缘实验项目进行的前后，必须对设备实施充分放电，以保证人员和实验设备的安全。在进行试品工频耐压实验时，在变压实验过程中加在变压器两端的额定电压值要大于实验设备两端的电压值，并且额定电压的大小必须满足容量大小的要求[9]。实验变压器的最小容量计算公式如式（1）所示。

其中，Cz为实验设备电容值，U为变压器的额定电压，f为实验过程中电源的工作频率。

其次，绝缘实验合格后可开展稳流精度实验：在充电装置处于恒流充电状态下，采用调压器调整输入的交流为其额定电流值的110%、100%和90%，调整负载直流为其额定电流值的20%、50%及100%。调整输出电压处在最低档、额定档、浮充电压档及最高档，分别测量输出的相应电流值，筛选出上述情况的充电电流的极值。测量出的稳流精度不应大于±5%[10]。上述电流稳流精度计算公式如式（2）所示。

其中，δI为稳流的精度，IZ为交流输入电压是额定电压且电压处于中间值时的充电电流，IM为电源充电电流的极限值。测试接线图如图2 所示。

图2 稳流精度测试接线图

稳压精度实验：当充电装置为稳压充电时，采用调压设备调整输入交流电压为额定电压值的110%、100%和90%，调整负载直流为其额定值的0%、20%、50%和100%。当直流输出电压处于调整范围的最低值、额定值、浮充电压值和最高值时，分别测量出相应的输出电压值，筛选出上述范围内充电装置输出电压的极限值[11]。测量出的稳压精度不应大于±2%。测试接线图同图2。

稳压精度的计算公式如式（3）所示。

其中，δU为稳压的精度，UZ为输入额定电压时在负载电流为50%的额定电流时，输出的电压值。UM为直流电源输出电压的极值。

再次在示波器频带宽为20 MHz 和水平扫描速度在0.5 s/DIV 条件下，测量纹波系数。即在充电装置处于稳压状态时，用调压设备调整输入交流电压为额定电压值的110%、100%和90%，调整控制母线的负载直流电流为额定电流值的0%、50%和100%，调整控制母线的直流输出电压为额定值的90%、100%和125%，同时分别测量充电装置输出电压U、输出电压交流分量峰峰值UPP（示波器显示值）及交流分量有效值Urms（电压表显示值）。测出的纹波系数应不大于±2%。测试接线图同图2。

纹波有效值系数及纹波峰值系数计算公式如式（4）所示。

其中，Xrms为纹波有效值系数，XPP为纹波峰值系数，Urms是输出电压交流分量的有效值，UPP是输出电压交流的分量峰峰值，UDC是直流输出电压的平均值。

最后，还需进行直流电源温升检测实验，当调整输出充电浮充电装置至额定电流值时，每60 min 对变压器（电抗器）铁芯、整流管及降压硅堆外壳温升测量一次，当温升稳定时即可停止测量。通过观察温度计、点温计检测热电偶测量变压器铁芯、晶闸管外壳、降压硅堆外壳等元部件的温度变化。或利用电阻法测量电抗器及变压器线圈温升来检测温升变化情况[12]。

线圈的温升计算公式如式（5）所示。

其中，k为线圈的温升，R1为实验开始前测量线圈的冷态电阻，T1为实验开始前环境的温度，R2为实验后测量线圈的热态电阻，T2为实验后环境的温度。各部件允许温升值k见表2。

表2 各部件允许的温升值k

3.2 直流电源柜实验

使用前除了必须做上述充电机系列检测实验外，直流电源柜还需开展噪声测量、负荷实验和电源事故放电能力检测实验等。

噪声测量试验开始前，调整母线的输出电流为额定电流，在噪声小于40 dB 的环境下，距电源柜外围不小于1 m，在1～1.5 m 的高处，使用声压计在四周8（2×4 均匀布置）个点进行测量。当测出平均噪声值小于60 dB 时，认为噪声测试实验合格。

负荷实验主要含冲击电流实验及控制母线的连续供电实验。在进行冲击电流实验时，调整母线输出电流为额定电流值的1/2，调整动力母线的电压为浮充电压值，动力母线输出500 ms 的冲击负荷，同步测量控制母线电压，使控制母线电压值不低于198 V[13]。在进行控制母线连续供电实验时，调整母线输出电流为额定电流值的1/2，同时中断交流电源，并测量控制母线电压，使控制母线电压值不低于198 V。连续供电实验电路如图3 所示。

图3 连续供电实验电路图

进行电池组容量实验时，用恒流充电方式对镉镍蓄电池组充电，控制充电电流为0.2CA（C为电池组的容量）。用均衡充电方式对铅酸蓄电池组充电，控制充电电流为0.1CA，充电均压为2.35n（n为电池的单体个数）。在实验电池组进行放电实验时，控制镉镍蓄电池组放电电流（180 只）0.2CA，放电终压为180 V，容量不低于铭牌额定容量[14]。进行铅酸蓄电池组放电实验时，控制放电电流为0.1CA，放电终压为33.25 V，容量应不小于额定容量的90%。电池组容量测试接线及充放电曲线如图4 示。

图4 电池组容量实验接线及充放电曲线图

进行事故放电能力测试实验时，控制镉镍蓄电池组事故放电电流为0.5CA，控制铅酸蓄电池组事故放电电流为0.2CA。镉镍蓄电池组要求冲击电流为0.5C+4.5C=5CA，铅酸蓄电池组要求冲击电流则为0.2C+2.2C=2.4CA（仅限于100 Ah 及以下）。按相关标准要求，事故电流If要持续放电1 h以上，且要在不断电状态下进行冲击合闸，每次冲击电流持续时间不低于500 ms，连续重复不少于10 次，两次实验间隔时间保持2 s 为宜[15]。实验程序控制器动作时间整定表如表3 所示，测试接线图及电压、电流波形图如图5 所示。

表3 程序控制器动作时间整定表

图5 电池组事故放电能力实验接线图及电压、电流波形图

3.3 电池组性能曲线实验

电池组的性能曲线实验主要含多倍率放电曲线实验及多倍率放电1 h 后的冲击放电曲线实验。电池组测试接线与事故放电能力实验一致，测试的程序可参照容量实验及事故放电能力实验的程序。同一电流状态下放电的曲线实验及放电1 h 后冲击放电的曲线实验可在同一平台分步进行。当电池组放电1 h 后，可选择不同冲击负载电阻来进行冲击放电实验[16-18]。根据上述实验测得的冲击纵坐标，绘制出相应的冲击放电曲线，电池组不同倍率放电曲线见图6。

图6 电池组不同倍率放电曲线

4 结论

文中介绍了一种直流电源装置检测设备实验，其实验手段完整、检测项目齐全、自动化水平高、测量精度符合计量规定，可开展多种直流电源检测实验，分析了它能开展的主要质检项目。介绍了直流电源检测系统的质量控制策略，对实验质量控制关键点及关键部分做了分析说明。总结了主要直流电源检测项目实验的实施要点，对部分电源关键参数给出参考值，对进一步提升直流电源综合检测实验质量有一定参考意义。