电力直流电源装置测试技术探讨.doc

电力直流电源装置测试技术探讨杭州高特电子设备有限公司版权所有，严禁转载或二次加工，谢谢！摘要 随着电力用户对直流电源系统的要求日益提高，对直流电源的稳压精度、稳流精度、纹波系数等性能参数也越来越关注，针对直流电源装置的测试设备也已有很多厂家推出。但是由于直流电源相关标准中对测试设备的测试方法和实施技术并没有非常明确的规定，到目前为止也没有针对测试设备的行业标准，所以各个厂家，包括电力用户，对测试方法的实施技术都有着各自的理解。本文针对直流电源相关标准的理解和测试技术做一些探讨。关键词 直流电源标准 稳压精度 稳流精度 纹波系数一. 概述2005年6月，国网公司针对国家电网安全运行情况，提出了国家电网公司十八项电网重大反事故措施，其中规定：13.2.1.1 新扩建或改造的变电站选用充电、浮充电装置，应满足稳压精度优于0.5%、稳流精度优于1%、输出电压纹波系数不大于1%的技术要求。在用的充电、浮充电装置如不满足上述要求，应逐步更换。13.2.1.2 应定期对充电、浮充电装置进行全面检查，校验其稳压、稳流精度和纹波系数，不符合要求的，应及时对其进行调整，以满足要求。第一次把对直流电源系统的定期检查和校验提到了安全反措的高度，并提出了整改要求。同时提出了具体的实施规范：附件九：直流电源系统技术标准(附编制说明)2005、附件六：预防直流电源系统事故措施(附编制说明)2005、附件七：直流电源系统运行规范2005等。为了解决目前直流电源系统在变电站现场无法实施对技术参数的检查和校验的现状，很多仪器设备制造厂家开发了能够现场测试直流电源参数的直流电源或充电机的测试仪器。但是，由于各自对参数的定义和标准的理解不一致，导致了测试方法和技术的各式各样，千差万别。二. 标准的定义和理解在目前电力直流电源的标准中，主要的依据标准是：DL/724-2000电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程，GB/T19826-2005电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求和DL-459-2000电力系统直流柜订货技术条件，都对稳压精度、稳流精度和纹波系数作了定义，也提出了测试方法。尤其是国家标准GB/T19826-2005对测试方法作了较清楚的描述，并给出了测试图和测试设备要求。下面是标准规程中部分相关内容的复制，详细内容介绍，请查阅标准规程。1、 试验接线图和测试设备的要求6.3 稳流精度、稳压精度及纹波系数试验6.3.1 试验线路图试验接线如图 1 所示。2R 可调电阻器1PA电流表1PV直流电压表2PV交流电压表3PV交流毫伏表1PR示波器2、 测试方法6.3.2 稳流精度试验6.3.2.1 充电装置在恒流充电状态下，充电电流设定为表 2 规定的整定范围内任一点，交流输入电压在(85%115%)额定值(电压表 2PV 所示值)内变化，调整充电电压在表 2 规定的变化范围内变化，分别测量充电电流(电流表 1PA 所示值)，找出上述变化范围内充电电流的极限值 IM。6.3.3 稳压精度试验6.3.3.1 充电装置在稳压状态下，直流输出电压设定为表 2 规定的整定范围内任一点，交流输入电压在(85%115%)额定值(电压表 2PV 所示值)内变化，调整负载电流为 0100%额定值(电流表 1PA所示值)，分别测量其充电装置的输出电压(电压表 1PV 所示值)。找出上述变化范围内充电装置输出电压的极限值 UM。6.3.4 纹波系数试验6.3.4.1 示波器要求：示波器频带宽 20 MHz，水平扫描速度 0.5 s/DIV。6.3.4.2 充电装置在稳压状态下， 直流输出电压设定在表 2 规定的整定范围内， 交流输入电压在 (85%115%)额定值(电压表 2PV 所示值)内变化，调整负载电流为 0100%额定值(电流表 1PA 所示值)，分别测量充电装置的输出电压 UDC (电压表 1PV所示值)、输出电压的交流分量峰一峰值 Upp (示波器 1PR所示值)和交流分量有效值 Urms(电压表 3PV 所示值)。3、 对测试仪器要求的理解从以上标准的描述中可以看出，测试直流电源的仪器应满足以下要求：1、具有一个可以在额定交流输入电压的85%115%范围设置的、向充电机供电的交流电源，一般是一个可连续调节的调压器，它的输出范围是323437V，可手动或自动控制。2、具有一个连续可变化的电阻负载，这个负载在测试稳压精度时可通过调节电阻大小控制充电机输出的电流，在测试稳流精度时可通过调节电阻大小控制充电机输出的电压，可手动或自动控制。3、具有一个符合交流毫伏表性能的表计，用于纹波有效值的测试，标准没有明确采用何种交流毫伏表。但因为我们要测试的直流电源频率可能在300HZ100KHZ之间，(相控电源的斩波频率为300HZ，高频开关电源的开关频率一般在40KHZ100KHZ)，所以，一般要求该交流毫伏表的频响不低于100KHZ。一般的数字式万用表频响都很低，只有1001000HZ，不宜用于对高频开关电源的纹波有效值测量。4、具有一个符合示波器性能的表计，它的通道带宽为20MHZ，能够显示峰值、谷值，及记录峰峰值用于计算。如果采用其它的测试方法，则必须满足采样频率的要求，因为高频开关电源的斩波频率一般在40100KHz，纹波的尖峰一般在微秒级，甚至更小，如果对微秒的尖峰要采到较完整的波形，采样要求一个周波20个点，则采样频率即为20MHz。5、由于仪器需要用于测试纹波，所以要采取技术手段使仪器自身可能产生的干扰减少到最小。所以仪器中不宜使用带有开关斩波的电路，如电子斩波的调压器、斩波负载等，对其它电路也应做好退耦和隔离。6、考虑到现场实际使用，要尽可能的使操作方便，或采用自动测试，并应具备数据保存、报表输出等功能，实现现场对直流电源的快速检查和校验。三. 测试方法讨论按照标准所定义的电路和符合要求的仪器接线后，就可以开展对直流电源的参数测试。稳压精度和稳流精度的测试操作大家都已经很熟悉了，只要测试仪器能够实现调节控制的范围，测试精度达到标准的要求就可以了。这里不再赘述。但纹波测试就不是那么简单了，按照GB/T19826-2005标准用示波器示值读出交流分量峰-峰值，或按照DL/724-2000标准3.12 纹波系数( ripple factor)充电装置输出的直流电压中，脉动量峰值与谷值之差的一半，与直流输出电压平均值之比。按以下公式计算：式中 纹波系数 f 直流电压中的脉动峰值g 直流电压中的脉动谷值UP 直流电压平均值我们都不知道峰值和谷值如何读到。当高频开关电源的频率为40KHZ100KHZ时，纹波的宽度往往只有几个微秒，甚至小于1个微秒，如图：当用水平扫描速度 0.5 s/DIV去读取时，波形全被挤在一起了，况且用于纹波本身的跳变，波形将变得模糊而难以准确读取。在5 ms/DIV时的图：为了验证示波器测试纹波的峰峰值，我们用示波器对同一个高频开关电源模块，在很短的时间里，连续测试5次，保存示波器输出的图形和数据，如图：Fig.1 Fig.2 Fig.3 Fig.4Fig.5可以看出，每次测试得出的波形和数据都不完全一样，波形差得不多，但峰峰值和均方根值相差很大。显然，哪怕用示波器测试，也会由于纹波本身的波动跳变及测试抓取的波形段不同而带来很大的误差。四. 我们的测试方法为了在一个连续的高频波形中获取峰值和谷值，我们采用了高速数据采集卡来采集记录纹波数据，采样频率达到了20MHZ/s，并且具有足够大的数据记录存贮深度，所获取的数据按一定的算法经计算机处理分析，找到最大、最小的峰值，计算出纹波中出现的最大峰峰值。实际测试结果证实，对以上同样的开关电源模块，在很短的时间里，连续测试5次，数据基本相同，测试的重复性很好。截屏保存输出的图形和数据，如图：在实际使用中，用户非常关心纹波测试的准确性，这取决于测试仪器的通道频响带宽、采样频率和采样精度，但用户很难去区分和验证。 如果测试实际开关电源模块的纹波进行校验是很困难的。因为实际开关电源输出的纹波往往会有不规则的波动，使得示波器的显示跳动、模糊，读数非常困难。而且由于采样同步和显示方法的差异，波形之间很难进行比对，更不要说精度校验了。所以实