CN101509955A - 直流断路器特性参数自动测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种直流断路器特性参数自动测试系统，主要由计算机控制分析管理系统，数字存储示波器以及程控直流电流源组成。单片机输出12位的数字量经数字/模拟变换电路输出0～5V电压，再经隔离放大器输出到移相控制全桥型零电压开关－脉冲调制变换电路中，主芯片的EA+端，从而改变输出电流。通过波形分断法以电磁瞬动脱扣最大不动短路电流为计时起点测定电磁脱扣动作时间，具有准确度高、效率高、可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力工程自动测试，被测直流断路器源的保护动作特性测试和直流电源系统级差配合验证。
背景技术
由于不同生产厂家或同一厂家不同系列的直流断路器的保护动作特性差异，已造成多起越级跳闸事故，引发全站直流系统失压，甚至造成电网系统解列的恶性事故。所以测试和验证直流断路器的保护及配合特性，对防止事故扩大和设备损坏极为重要。要准确分析目前变电站直流系统中保护及配合存在的问题，需进行有关直流断路器短路保护特性试验和极差配合验证试验。
目前主要技术有：
采用蓄电池作为电源，由于蓄电池反复浅充浅放，其使用寿命大大缩短。同时只能进行过载安秒特性试验。由于采用蓄电池组提供短路电流，稍有不慎将会造成回路电缆烧毁、开关开断失败发生爆炸等，现场试验承担人为造成事故的风险较大，因此极不适用运行维护单位现场使用。
采用硅整流电源，主要在实验室用的直流断路器和熔断器安秒特性测试。
采用开关电源作为直流电流源，其中输出电流最大的可达1000A，但其出口电压最高仅为5V，所以受容量限制也仅能进行过载安秒特性试验。
上述方案中，都存在电流范围小，输出功率小，不能测量波形参数(幅值、时间常数)，不能调整短路电流时间常数，不能完全满足国家标准GB14048.2-2001和GB10963.2-2003要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效而简便的符合国家标准GB14048.2-2001和GB10963.2-2003核心技术参数测试要求的直流断路器特性参数自动测试系统。
本发明的目的是这样实现的：一种直流断路器特性参数自动测试系统包括，计算机控制分析管理系统，数字存储示波器，以及电流霍尔隔离传感器，还具有，
分段程控直流电流源：根据计算机设定的输出电流值自动完成电流输出；它采用移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路：全桥开关相位移动控制芯片UC3875的4脚接0～5V直流电路的输出端，用于引入0～5V直流电，UC3875的13脚B输出信号与14脚A输出信号反相，9脚C输出信号与8脚D输出信号反相；上述四个脚组成两对输出级A/B和C/D的信号分别接于高频变压器B1、B2的两个初级线圈两端，高频变压器4个次级线圈I16、I18、I6、I3的一端分别串联一个电阻后接于四个开关管V9、V1、V2、V10的控制端，I16另一端、V9另一端和V1一端接于一点，I3另一端、V2另一端和V10一端接于一点，V1另一端和V18另一端以及V10另一端和I8另一端均接于180V～450V直流电负输入端，V9一端和V2一端均接于180V～450V直流电正输入端，且输出变压器T3初级线圈串接在V9另一端与V2另一端之间；输出变压器T3次级线圈对外输出0V～24V直流电。
本发明的积极效果是：实现了全自动直流断路器特性参数的核心指标的现场一体化测试，对于试验及操作中的高准确度、高效率、高可靠性、高安全性具有重要意义。表现在以下几个方面：
1、完全符合国家标准GB14048.2-2001和GB10963.2-2003核心技术参数的测试方法：验证短路电流的波形参数(幅值、时间常数)、动作时间，测试三段式直流断路器的短路(瞬动)短延时进行可返回时间(不脱扣持续时间)、通过波形分析法以电磁瞬动脱扣器最大不动短路电流为计时起点测定电磁脱扣器动作时间。
2、程控直流电流源采用移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路，具有体积小，重量轻，效率高，保护可靠等特点。适合在变电站、机站等现场使用。
3、采用60MHz采样频率的虚拟示波器，在20MHz带宽下，直观显示波形。
4、计算机全自动控制测试。
附图说明
图1是本自动测试系统总体原理框图；
图2是直流电压0-5V输出的输出电路图；
图3是移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路原理图。
具体实施方式
图1示出，由三相(或单相)的交流电压经整流滤波后，得到平滑的直流电压供给逆变电路。
逆变电路主要由大功率IGBT模块组成全桥变换电路，当PWM输出控制信号通过隔离驱动器分别驱动功率模块，两组对开关管分别交替导通，在高频变压器初级产生高频脉冲电压，次级电压由高频变压器变压后经整流后向负载输出能量。
输出端分别接有稳压、限压、限流等反馈回路，当有异常情况(如输入过压或欠压、过流或过热等)产生保护信号至保护电路时，保护电路输出一个信号加在PWM控制电路或报警停止电路时，使PWM电路停止输出，从而达到保护的目的。
输出电流检测电路的同时输入到数字存储示波器和单片机测控系统。
数字存储示波器通过采集测量输出的电流霍尔隔离传感器的波形及电流，测试、验证短路电流的波形参数(幅值、时间常数)、动作时间，测试三段式直流断路器的短路(瞬动)短延时进行可返回时间(不脱扣持续时间)、通过波形分析法以电磁瞬动脱扣器最大不动短路电流为计时起点测定电磁脱扣器动作时间。0～5V直流电压输出用于控制输出电流。
单片机输出12位的数字量经数字-模拟(D/A)变换电路输出0～5V电压后，再经隔离放大器U6-1输出到移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路中主芯片EA+端，从而改变输出电流。
数字-模拟(D/A)变换电路由数字-模拟变换器，电流/电压变换器，电压放大电路组成。本例U18为AD7542数字-模拟变换器，U16为LM399基准电压，为U18提供参考电压，U5，U7-1，U17为运放OP-07，U6-1为AD202JY隔离放大器。采用美国的全桥开关相位移动控制芯片UC3875实现的控制电路。采用移相控制电路实现的大功率电流源具有非常重要的意义。传统的全桥变换电路开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断，开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致了开关损耗。开关损耗随开关频率增加而急剧上升，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高。在移相控制技术的基础上，利用功率管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件，使全桥变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。由于减少了开关过程损耗，变换效率可达80％～90％，并且不会发生开关应力过大，所以选用移相控制全桥型零电压开关脉宽调制(PSCFB ZVS-PWM)变换电路。
UC3875的核心是相位调制器，其13脚B输出信号与14脚A输出信号反相，9脚C输出信号与8脚D输出信号反相，这四个驱动信号经扩流后由驱动变压器去驱动IGBT模块。相位控制的特点体现在UC3875的四个输出端具有相同的驱动脉冲分别驱动A/B、C/D两个半桥，通过移相错位控制有源时间，使全桥的四个开关轮流导通。每个输出级导通前都有一个死区，而且可以调整死区时间。在该死区时间内确保下一个功率开关器件的输出电容放电完毕，为即将导通的开关器件提供电压开通条件。因此，每对输出级(A/B，C/D)的谐振开关作用时间，可以单独控制。在全桥变换拓扑模式下，移相控制的优点得到最充分的体现。UC3875在电压模式和电流模式下均可工作，并具有过电流关断以实现故障的快速保护。
图3示出，本发明包括计算机控制分析管理系统，数字存储示波器，以及电流霍尔隔离传感器，还具有，
分段程控直流电流源：根据计算机设定的输出电流值自动完成电流输出；它采用移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路：全桥开关相位移动控制芯片UC3875的4脚接0～5V直流电路的输出端，用于引入0～5V直流电，UC3875的13脚B输出信号与14脚A输出信号反相，9脚C输出信号与8脚D输出信号反相；上述四个脚组成两对输出级A/B和C/D的信号分别接于高频变压器B1、B2的两个初级线圈两端，高频变压器4个次级线圈I16、I18、I6、I3的一端分别串联一个电阻后接于四个开关管V9、V1、V2、V10的控制端，I16另一端、V9另一端和V1一端接于一点，I3另一端、V2另一端和V10一端接于一点，V1另一端和V18另一端以及V10另一端和I6另一端均接于180V～450V直流电负输入端，V9一端和V2一端均接于180V～450V直流电正输入端，且输出变压器T3初级线圈串接在V9另一端与V2另一端之间；输出变压器T3次级线圈对外输出0V～24V直流电。
输出变压器T3次级线圈一端接于二极管D33正极和二极管D34负极，次级线圈另一端接于二极管D7正极和二极管D1负极，D33负极和D7负极均接于电感线圈I4一端，D1正极和D34正极均接于电阻R8一端，I4另一端和R8另一端分别作为0V～24V直流电正、负输出端，且二者之间串接有电解电容E2。
图2示出，0V～5V直流电路组成为：基准电压芯片LM399的输出端接于D/A变换器AD7542的17脚，AD7542的输出信号经两级运算放大器U17、U5处理后输送至隔离放大器AD202JY的1脚，AD202JY的38脚串联电阻R34-1后接于运算放大器U7-1的正输入端，U7-1的输出端接二极管D6正极，D6负极接于UC3875的4脚。远程放大器U17、U5和U7-1型号均为OP-07。
直流断路器特性参数自动测试系统，含程控直流电流源、数字存储示波器、计算机控制分析管理系统(由单片机和计算机测控系统组成)，单片机、程控直流电流源和数字存储示波器三者之间通过USB接口通信。程控直流电流源、数字存储示波器组成一体化设备，计算机控制分析管理系统完成全程程序控制，自动完成整个试验。
程控直流电流源根据计算机设定的输出电流值自动完成电流输出，电流源有三档电流上升时间可选，以满足变电站直流电源回路的短路电流时间常数的不同要求。
计算机控制分析管理系统通过USB接口向程控直流电流源传送输出的电流值，通过USB接口读写数字存储示波器。
计算机全自动控制测试、计算、判断，并生成测试报告。测量数据除可直接打印报告、数据查询外，还能直接用EXCEL格式给未安装本系统的用户发送数据。实现了以下主要功能：1、操作性能能力试验；2、过载和短路脱扣器动作时间的测定；3、定时限(如发明三段式)直流断路器可返回时间(不脱扣持续时间)的测定；4、变电站、通讯机站现场进行级差配合验证。
程控直流电流源、数字存储示波器组成一体化设备。
程控直流电流源采用移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路；采用的全桥开关相位移动控制芯片是UC3875。
程控直流电流源控制的0-5V电压是采用数字/模拟变换电路，输出电压经AD202JY电压隔离芯片输出到调制变换电路。
数字存储示波器是60MHz采样频率，20MHz带宽的虚拟示波器。
INPUT+，INPUT-为交流380V整流滤波后的直流输入电压；UREF为调节负载功率的控制电压；UOUT+，UOUT-为电压输出。工作过程是：输入的UREF(0～5V)线性电压到UC3875的EA+(引脚4，误差放大器同相输入端)在与EA-(引脚3)误差放大器反相输入端，开关电源输出电压的分压值进行比较。当EA+上电压在DC0～5V线性变化时，改变脉宽调制器的占空比，开关电源输出就从DC0～24V变化，在负载电阻固定下，输出电流就在0-1200A变化，输出功率达到30kW，调节细度达到了0.1％。
当UC3875的SOFTS(引脚6)上电容值改变时，输出电流上升时间改变。
本系统主要功能：
1、操作性能能力试验。
2、过载和短路脱扣器动作时间的测定。
3、定时限(如发明三段式)直流断路器可返回时间(不脱扣持续时间)的测定。
4、变电站、通讯机站现场进行级差配合验证。
5、计算机全自动控制测试、计算、判断，并生成测试报告。测量数据除可直接打印报告、数据查询外，还能直接用EXCEL格式给未安装本系统的用户发送数据。
本系统技术指标：
1、输入电压：AC380V±10％ 频率50Hz
2、输出电压：DC0-24V
3、输出电流：DC0-1200A，额定输出功率：30kW
4、电流测量误差：<±1％，时间测量误差：<30PPM
5、效率：≥85％
6、逆变频率：20kHz±2kHz
7、冷却方式：风冷。
Claims (6)
1、一种直流断路器特性参数自动测试系统，包括，计算机控制分析管理系统，数字存储示波器，以及电流霍尔隔离传感器，其特征是：还具有，
分段程控直流电流源：根据计算机设定的输出电流值自动完成电流输出；它采用移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路：全桥开关相位移动控制芯片UC3875的4脚接0～5V直流电路的输出端，用于引入0～5V直流电，UC3875的13脚B输出信号与14脚A输出信号反相，9脚C输出信号与8脚D输出信号反相；上述四个脚组成两对输出级A/B和C/D的信号分别接于高频变压器B1、B2的两个初级线圈两端，高频变压器4个次级线圈I16、I18、I6、I3的一端分别串联一个电阻后接于四个开关管V9、V1、V2、V10的控制端，I16另一端、V9另一端和V1一端接于一点，I3另一端、V2另一端和V10一端接于一点，V1另一端和V18另一端以及V10另一端和I6另一端均接于180V～450V直流电负输入端，V9一端和V2一端均接于180V～450V直流电正输入端，且输出变压器T3初级线圈串接在V9另一端与V2另一端之间；输出变压器T3次级线圈对外输出0V～24V直流电。
2、根据权利要求1所述直流断路器特性参数自动测试系统，其特征是：所述输出变压器T3次级线圈一端接于二极管D33正极和二极管D34负极，次级线圈另一端接于二极管D7正极和二极管D1负极，D33负极和D7负极均接于电感线圈I4一端，D1正极和D34正极均接于电阻R8一端，I4另一端和R8另一端分别作为0V～24V直流电正、负输出端，且二者之间串接有电解电容E2。
3、根据权利要求2所述直流断路器特性参数自动测试系统，其特征是：所述计算机控制分析管理系统由单片机和计算机程控系统组成，计算机控制分析管理系统的单片机、数字存储示波器以及程控直流电流源三者之间通过USB接口通信；程控直流电流源和数字存贮示波器组成一体化设备。
4、根据权利要求3所述直流断路器特性参数自动测试系统，其特征是：所述0V～5V直流电路组成为：基准电压芯片LM399的输出端接于D/A变换器AD7542的17脚，AD7542的输出信号经两级运算放大器U17、U5处理后输送至隔离放大器AD202JY的1脚，AD202JY的38脚串联电阻R34-1后接于运算放大器U7-1的正输入端，U7-1的输出端接二极管D6正极，D6负极接于UC3875的4脚。
5、根据权利要求4所述直流断路器特性参数自动测试系统，其特征是：所述远程放大器U17、U5和U7-1型号均为OP-07。
6、根据权利要求5所述直流断路器特性参数自动测试系统，其特征是：所述数字存储示波器为60MHz采样频率，20MHz带宽的虚拟示波器。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090819 |