新型直流变送器在电车整流站的选型和应用

摘要直流变送器在机电自动化领域起着举足轻重的作用，它将系统中采集到的各类电量或者非电量的物理量转换成直流电信号，将此电信号放大就可以用于系统进行远方测量和控制。随着生产的发展和扩大，变送器用量不断增大，性能要求也在不断提高。本文通过对上海无轨电车供电系统中常规直流变送器的性能指标，基本原理、设备运行过程中的问题进行汇总分析，走访机电市场和调研其他单位直流供电系统中的同类产品。最终选取一款适用于上海中运量直流供电系统的高精度直流变送器，要求安装方便，电路性能匹配，可以长期的可靠运行。选取变送器型号后根据中运量直流供电系统的实际需求编写配套的控制和保护程序，要求达到中运量直流供电系统的设计要求。在变送器安装和程序设计完成后采取现场进行电气测试，运行数据分析等方法，对新型变送器的选型和程序设计给予定性的结论。关键词：上海电车、直流变送器、中运量绪论研究背景和意义以从事上海电车供电工作并有着近百年历史的上海现代交通建设发展有限公司（以下简称公司）为设备应用的大框架。公司在全市下属电车整流变电站均采用直流电力牵引系统。在该直流电力牵引系统中，直流变送器是必不可少的重要器件，整个直流系统的电流和电压采样、线网的退火保护及中运量整流站特有的反时限电流保护均需依靠直流变送器而完成。随着直流配电技术要求的不断提高，变送器实际使用的性能指标和实际使用情况就显得尤其重要，直接影响到了直流系统的稳定可靠运行。本文通过研究调查，找出稳定、合适的成熟产品。结合上海市中运量整流站供电系统的使用状况、归纳出结论性意见，为以后的工程项目提供合理的参考。电车系统目前的情况目前上海无轨电车系统由DC600V整流站24座组成，整流站按二级负荷设计，采用两回路交流10kV进线，两回电源分别来自电业部门两个变电站或同一变电站的不同母线，两回电源同时受电，1用1热备，分列运行。整流站交流10kV系统采用单母线分段的主接线。正常运行时，两台整流机组同时供电，一同组成24脉波的整流系统。根据行业标准CJ/T1-1999《城市无轨电车和有轨电车供电系统》中对无轨电车电网电压的制定，“系统直流标称电压DC750V或600V（600V为非推荐值）”。目前在全国范围内，例如北京、济南等城市新建的无轨电车项目中，DC750V电压网络已经占据主流地位。然而作为无轨电车发展的龙头城市，上海也应与时俱进，依循行标提升现有DC600V供电网络的电压等级。所以新建的上海市中运量整流站供电系统采取了DC750V的电压标准设计，相对原电车系统，更换的设备种类不多，主要是变压器、整流器和直流柜部分元器件，以及直流综保参数等。本研究课题的来源及主要研究内容本课题的研究来源上海延安路中运量公交系统工程，直流侧设计要求继电保护装置采用测控保护一体化微处理机式数字继电保护器。继电保护器就地分布于开关柜，具备对每个回路故障切除、报警、电量参数测量和数据变送等功能，以保证供电系统的安全运行。保护装置和配置满足供电系统对继电保护的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求，各保护功能和跳闸出口具备独立性。为满足设计要求精准稳定的采样有关重要，直流变送器是直流系统采样中最重要的组成配件，本课题的主要内容就是选取一款市场通用的变送器产品，设计配套程序满足中运量系统工程的使用要求。研究的基本思路与采用的方法研究的方向主要是从直流供电系统的变送器硬件选型和配套软件程序进行研究探讨。硬件选型主要从成熟的机电产品类型中进行比较，还有国内各直流供电系统中使用的型号产品进行产品使用调研。软件方面通过程序编制、逻辑判断、调整试验分析已达到项目使用要求。选择的硬件产品力求标准化、通用性好，满足电路性能的需求，可长期可靠的运行，软件程序设计逻辑清楚、功能模块分层清晰、简单易用、实现设备的安全控制和故障时可靠保护动作。直流变送器的分析与选型2.1直流变送器的分析2.1.1直流采样及直流变送器在任何电气系统或者工程中，应用的电压或电流信号都应该是标准统一信号。变送器的作用就是是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）。将此信号可以用于系统的自动控制和检测。直流变送器是一种直流采样设备，通常有直流电压和直流电流两种直流变送器。采集信号的过程我们一般称做直流采样。“采样”是采集连续变化的模拟量的瞬时值。作为系统计算、分析和控制的“样本”。采样分为“直流采样”和“交流采样”。直流电压、电流等模拟量由变送器转换成相应的信号，再由模数转换器转换成相应的数字量，称为直流采样。2.1.2变送器的性能指标变送器的性能对自动化系统有很大的影响，有时甚至成为影响自动化系统正常运行的关键问题，因此必须对其性能给予足够的重视。准确度和响应速度是对变送器最基本的技术要求。另外，要求变送器具有抗干扰能力，性能稳定，工作可靠，调试方便。准确度等级常用的精准度准级是0.2级和0.5级。即在标准条件下，变送器的最大误差不超过0.2%和0.5%。变送器的基本误差是引用误差的最大值来表示的，引用误差δ的计算公式为从上式可见，基本误差是有正负的，如果测量值大于标准值，则为正误差，否则为负误差。基本误差一般是对使用量程而言的，基本误差±0.5%表示变送器的允许误差在使用量程的－0.5%至＋0.5%范围之内，例如一台电动变送器的基本误差为±0.2%，则以4～20mADC而言，其允许输出误差为±（20-4）×0.2%=±0.032mADC。对0～10mADC,其允许输出误差就是±（10-0）×0.2%=±0.02%ADC。变送器的基本误差也可以输入而言，如果仪表的测量范围为0～6kPa，则基本误差为±0.2%的允许输入误差为±（60-0）×0.2%=±0.12kPa。基本误差去除百分号余下的数字绝对值就是精确等级制。如果基本误差为±0.2%，便称为0.2级；为±0.5%，便称为0.5级。抗干扰性能主要是指抗电磁场干扰的能力。当变送器采用直流电压输出时，收到磁化的场干扰影响较大；通常选用5mA恒流输出，提高抗干扰能力。好的变送器一般都采用隔离变压器和高抗干扰性能的电源，提高变送器的抗干扰能力。抗电压和电流过载能力发生事故时，电压、电流会高于正常值数倍，变送器应具有输出饱和性能，保证后面的设备不受损坏。例如：部分型号电流变送器，其在输入电流过载3-5倍时，能长期保证变送器不会损坏。温度效应优良品质的变送器要求适应较宽的温度范围，温度变化引起的附加误差较小。变送器产品出厂前一般都标明了工作环境温度，和输出变化率。变化率的值越小，产品的的温度影响越小。响应时间反映了变送器的时间性能。性能越好的变送器响应时间越短。一般产品的响应时间小于400ms，在此时间内输出信号可以从0到达99%的稳定值。在国家标准

GBT

17614.1-1998《变送器性能评定方法》中有详细的测试规定。线性指数变送器的输出和输入应成比例，即线性。但事实上，总是有非线性的误差用非线性表示。优质性能良好的变送器一般在设计过程中会增加非线性补偿。长期稳定性。如果所有的元件都是高质量的，并且经过严格的老化和筛选，产品的长期性能就可以得到保证。对产品在阶段时间内系统中运行的情况进行汇总分析，也可对产品的长期稳定性进行判断。一般性能产品结构模块化，更换方便，维修方便。2.2福德直流变送器的基本工作原理上海无轨电车系统由DC600V整流站主要建设于80年代，设计中主要采用的国产直流变送器，生产厂家为上海福德电机有限公司。该型号变送器市场已停产，变送器的设计电路图也难以查询到。故障时一般由检修人员进行拆解修理，主要型号零配件和集成模块市场采购困难，通过维修分析一般故障情况下多为模块故障。福德变送器的拆解剖析由拆解可知变送器的集成模块主要采用的是OPO7CO及VFC32KP，完成输入信号调理、电压电流变换等功能。2.2.1输入信号调理电路变送器的输入信号一般为模拟信号，信号调理电路的作用是将模拟信号信号放大或者衰减；当输入的信号是数字信号时，信号调理电路的作用是数字/模拟转换。OPO7CO的原理和作用Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07管脚图OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。Op07芯片宽的输入电压范围（最少±13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。Op07芯片失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。不加外调零措施的OP07的精度和稳定性，即使在高增益下也能使OP07成为一种新的仪器用和军用的工业标准。VFC32KP芯片的作用VFC32KP芯片是伏频变换芯片,适合V-F转换.具有信背比高,精度高,抗干扰等特点。此电压到频率转换器具有极佳的线性和电压或电流输入，可在电压到频率或频率到电压转换之间进行选择。该设备通常用于包括隔离数据传输或电动机速度控制在内的应用。2.2.2恒流源转换电路恒流源转换电路恒流源电路（VI转换电路）的原理分析：电路中因运放虚短虚断特性，电压V2等于输入电压（Vin）,流过RL的输出电流（Iout）等于流过R1的电流。计算得到：判断结果，负载电流（Iout）与负载无关，在R1电阻保持不变的情况下，负载电流（Iout）跟输入电压（Vin）成正比。2.2.3辅助触点回路通过变压器取得额定电压值，使用HRS1H-S继电器控制辅助触点回路原理图：实物图HRS1H-S继电器原理同一般继电器相同，线圈电压为12V直流，继电器拥有常开/常闭触点1对，通过线圈带点情况实时变化。2.3变送器（福德机电）在实际使用遇到的问题2.3.1故障率较高半年度的上海电车整流站故障统计，设备二次回路故障共11次，其中变送器故障共7次，占全部故障的63.6%。2.3.2响应时间及线性特性不稳定运行中的整流站有部分馈线发现直流断路器退火功能失效，现场检查后发现站内各设备正常运行。进一步检查后，发现为变送器采样问题影响，临界状态下采样不准确影响到了直流断路器的退火保护跳闸。3.1替代产品的选型3.1.1霍尔变送器工业上使用较为广泛，市场内的产品型号比较多，国产化率较多。霍尔变送器可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC1～5V或通过500Ω电阻转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。通过产品调研发现适合我们使用的0-2000A的直流电流的产品普遍尺寸较大，输出大多为0-5V，与我们现有的直流综保不匹配。3.1.2KNICKVariTransP系列变送器经过向专业的设计院和友单位的咨询与现场调研，了解到北京电车直流系统及广州电车直流系统均使用该系列变送器。比较我们现使用变送器，部分参数特性更好，使用的方法一致，都为应用在分流系统中。最终，选取此型号变送器为比较试用型号。4.1新型变送器的性能试验（采取比较法）4.1.1变送器参数的比较变送器参数比较参数福德FDDHKNICKP4100输入范围0-100mV±150mV输出范围4-20mA±20mA辅助电源AC220V50HZ22-230VAC/DC48-62HZ温度10℃-45℃-10℃-70℃响应时间0.4ms0.1ms精度等级0.5级0.1级过压保护1200V3600V封装形式铁壳塑壳封装尺寸95*111*12222.5*90*1184.1.2工作接线方式的比较福德变送器工作接线方式15点、16点为变送器电源AC220V4点为直流600V负线6点、7点位采样输入点1点、2点为变送器输出点9点、10点、11点为变送器辅助触点10点是公共端KNICK变送器工作接线方式11点、12点为辅助电源22-230VAC/DC5点、7点为采样输入点13点、15点为变送器输出点，取消了辅助触点4.1.3变送器的性能测试比较基准效验对应4mA为输入零位基准，基本稳定不漂移2基本误差、线性度取额定输入的10%、25%、33%、44%、75%，100%的输出，计算基本误差工作的稳定性取额定输入33%、44%、60秒内输入保持，输出的稳定性有无极性保护使用指针式万用表的电阻10K档输出端口进行正反测量,有一次电阻值无限大,就可证明变送器具有极性保护5.1变送器的比较结果：福德和KNCIK变送器接线方式相近，但是KNCIK变送器性能参数更好、输入输出电压电流幅值更宽，精度等级更高，设备的尺寸也小的多。两个变送器通过测试都具有极性保护。KNICK变送器在基准及基本误差，线性度方面性能更好，基本接近理想值。（见图示）工作的稳定性由于测试设备有限，采取现场实际进行退火跳闸试验，发现福德变送器稳定性欠佳，保护动作的电流值相对设定值偏差较大。KNICK变送器的安装方式采用卡槽相比福德变送器的螺丝固定，安装更简易方便。新型变送器的应用（程序设计）1.1变送器的试验程序选取上海电车某整流站直流馈线作为实验对象，使用KNICK变送器替换原福德变送器进行现场测试。编程软件使用施耐德Twido3.2版本：原福德变送器配置如下:使用KNICK变送器配置如下:主要改变，除了变送器接线发生变化外测试用的变送器输入是-150mv~+150mv(原来福德的输入是0~100mv)；增加电压变送器一只，让每根馈线都可以清楚显示直流馈线电压。在做完充分准备的前提下，在直流馈线上更换了Knick变送器，相应的twido软件的配置和程序也做了修改。在我们的测量回路里，去掉合并的公共端，独立使用电流输出。现场去掉短接线（默认的设备是安装短接线的）后，零偏去掉了，线性也很准确，数据波动幅度也很完善。原福德变送器独有的辅助触点，判断是否有直流电压的信号。KNICK无辅助触点，我也采取了软件逻辑判断的形式完美解决。原来的失压信号由出点产生:新的失压信号由模拟数据逻辑产生：经过3个多月的投入使用和适时观察，KNICK变送器在系统中各项技术指标良好，工作正常。1.2中运量的现场实际使用在中运量项目中，设计院提出要求在常规直流馈线保护中，加入反时限曲线保护。鉴于原来的福德变送器稳定性、线性、准确度都有所不足。我们在测试部分做了相应的技术改进，选取KNCIK变送器并采用了输入值定制的型号，输入值由±150mv改为0-100mv。中运量反时限保护要求名称整定值(A)定值电流定值电流定值电流反时限保护450A1.3倍2倍3倍178.3s41s15.4s硬件配置上，分流器要求是0~150mv;变送器输出要求是4~20mA;;电压变送器依然继续使用。为了实现反时限保护，增加一段代码如下：LD[%MW0>499]S%M95LD[%MW0>500]OR[%MW0<801][%MW8:=%MW0*2][%MW6:=%MW8/9][%MW13:=%MW6*%MW6][%MW14:=%MW13/100][%MW17:=%MW14-98]LD[%MW0>800][%MW8:=%MW0*2][%MW6:=%MW8/9][%MW13:=%MW6/10][%MW14:=%MW6*%MW13][%MW16:=%MW14/10][%MW17:=%MW16-99]LD[%MW0<500][%MW14:=0][%MW15:=0]LDN%S6R%M94LD%S6S%M94LDR%M94[%MW15:=%MW15+%MW17]LD%M98R%M95R%M96R%M98LD[%MW15>12300]S%Q0.0.3S%M98S%M96S%M98S%M6LD[%MW15>13000]R%M95R%M96[%MW15:=0][%MW7:=0]BLK%TM25LD%M95ANDN%M96INEND_BLKLD[%TM25.V>0][%MW18:=%TM25.V/10]该程式经过完整的测试分析，超过百次的实验数据。在原来的退火保护的基础上，增加的反时限曲线保护功能完备，数据准确，时间精确。也说明了新型变送器的优良性能提供了必要的基础条件。1.3反时限测试方法市场上的一般综合保护测试仪器都是用于交流高压综保，为确保反时限程序可靠。本次研究课题还设计了一套简便的基于HHS2累时器电路测试工具，利用直流大电流发生器产生的测试规定电流，将断路器的辅助触点接入累时器中。断路器保护跳闸动作，断路器触点变化。累时器可以准确记录下保护动作时间，精度为0.1S。电路原理简单易懂，由电源、输入信号、复位按钮、累时器、触点组成。具体如下图所示：基于HHS2累时器的使用示意图工作电压为AC220V时基选择为4、7、8、最大精确到0.1s结束语本论文详细分析研究了电车供电系统中的新型直流变送器的原理和实际使用情况，并对原有的福德直流变送器进行了拆解剖析，在新项目中运量直流供电项目中能根据实际需求，对新型变送器进行选型，编写了新型变送器匹配的程序。论文之初，在学院老师和公司领导同志的关心下，新变送器选型之初进行了大量的市场调研和友单位技术交流工作，如上海地铁供电维保有限公司，太原市轨道交通发展有限公司。变送器选型确定后投用前又做了反复大量的试验检测。从而确认该新型变送器在性能参数上满足了中运量直流供电系统的标准，且能满足实际设计需求。中运量项目建成后，新型KINCK变送器运行稳定，取得了良好的使用效果，得到了设计院和建设单位领导的肯定。在论文编写之初，我的机电知识大多停留在理论和图纸中，特别是设备的选型问题，基本停留在常用型号上，除了在日常工作中常见的设备型号外，我对一些新的、实用的、新机电产品几乎没有什么了解。在老师和同学的帮助下，我首先用了将近大半月的时间走访了周边的机电市场，如赛博机电，太平洋机电广场等。后来又在公司部门领导的支持下，走访了解了上海地铁、山西地铁直流供电系统的运作模式、情况和变送器设备型号，故障率等。设备选型确定后，该变送器无法直接使用在中运量项目中。因为变送器的使用需要配套的直流综保，友单位虽然有中运量类似的设计保护要求，但是其保护程序为固化在直流综保中，直流综保均为进口品牌。源程序掌握在综保厂家