直流大电流（精选九篇）
直流大电流 篇1
由中国计量科学研究院承担的科技部科技基础性工作专项项目“直流大电流测量技术研究”通过了国家质检总局组织的专家鉴定。经鉴定, 该课题自主研制的5 kA直流大电流比例自校准装置具有国际领先水平, 填补了国内在高耗能工业生产和科学研究领域量值溯源和传递的空白。
据介绍, 不仅核物理和高能物理等科学研究中需要对直流大电流进行准确的测量、控制和校准, 在高速铁路、电动汽车、电冶、电化等高耗能工业生产中更需要准确测量直流大电流并实现校准溯源。近10年来, 直流电流比较仪 (DDC) 的理论研究和设计技术虽然取得了较大进展, 但目前国际国内各计量实验室面临的最大问题就是缺少在实际工作磁势和强干扰磁场条件下用有效技术手段对其进行校准。此次研制成功的直流大电流比例自校准装置成功解决了这一技术难题。
该直流大电流比例自校准装置测量不确定度为1×10-8～2.6×10-7, K=2。解决了高准确度DCC在额定磁势和强漏磁干扰下准确自校准的难题。装置的成功研制和相关理论设计以及校准技术的研究, 将提高我国直流大电流测量仪器的测量和校准能力;对于我国“十二五”规划重点发展的高速铁路、电动汽车等战略新兴产业提供有力支撑。同时, 对智能电网的实施推广、提高国家和行业对企业节能减排指标考核的有效性和准确性具有重要意义。
利用数字万用表作直流电流发生器 篇2
这种数字式直流电流发生器的优点是：简单直观、快捷方便(只需外接一只精密多圈电位器，无需外接电流监测表)，且其准确度及分辨力都较高。若以电流发生器的直流200μA挡为例，其最小步进电流为0.1μA(即分辨力为0.1μA)，电流发生器的电流调节范围一般为0.1μA～2mA，最大的输出电流为10mA。
测量原理
将用作电流发生器的数字万用表和被检万用表置于直流电流合适的挡位，例如直流200μA挡，由电流发生器(数字万用表)hFE插座NPN挡的C孔(或PNP挡的E孔)作为信号电压源的输出端，通过电流调节电位器向被检电流表提供测试电流。这种测量方法新颖奇特，线路连接也很巧妙，其等效电路如图2所示。
由于数字万用表A/D转换器内部基准电压源E。的输出电流有限，通常规定Ic≤mA。实际上当Ic＜5mA时，E。下降很小，误差较小，但当Ic＞5mA，尤其是Ic＞10mA时，E。下降较大，而E。的下降又使Ic减小，就会引起较大的测量误差。为了确保电流发生器输出电流的准确度，进一步减小测量误差应留有足够的余量，因此我们设定Ic≤2mA。
由上面的分析可知，若满足条件Ic≤2mA，则E。几乎不变（近似恒定），这时可忽略E。的内阻，所以可将其测量电路看成线性电路。
下面我们可以根据图2的等效电路估算一下电流发生器输出电流Ic为0.1μA～2mA时，电位器的阻值范围。
Ic=E。/(Rp+Ri+Rg)，当Ic=0.1μA时，Rp+Ri+Rg=E。/Ic=2.8(V)/0.1(μA)=28MΩ。由于电流发生器在直流200μA挡时的内阻Ri=1kΩ，而被检数字万用表直流200μA挡的输入电阻Rg=1kΩ，直流2mA挡的输入电阻为100Ω。因此Ri与Rg的影响可以忽略不计，Rp≈28MΩ。为了保证能够调节出0.1μA的输出电流，电位器的阻值应留有一定的余量。所以我们选择47MΩ电位器(有条件的最好选择玻璃釉多圈电位器)。由于这种电流发生器的电流调节范围较宽（0.1μA～2mA），仅用一只47MΩ电位器有时难以调出所需要的电流值，若嫌电流调得不够细，可用几只不同阻值的电位器进行分段调节。以被检DT830数字万用表为例，实验结果表明：①若要使电流发生器的输出电流为1～20μA，一般可选择5MΩ电位器。②输出电流为20～200μA时，可选用200kΩ电位器进行调节。③输出电流为200μA～2mA时，可选用20kΩ电位器调节。只要选取合适阻值的电位器，一般都能调节出所需要的电流值。
由图2可以看出，电位器阻值变大时输出电流Ic减小，反之阻值减小时输出电流Ic增大，当电位器阻值为零时，输出电流达到最大值。若Icmax≤2mA，则E。近似恒定，Icmax可表示为Icmax=E。/(Ri+Rg)。
应用举例
①实验证明，经校验后的DT830A、DT890A等型号的数字万用表可用作直流电流发生器。这种直流电流发生器可广泛用于校验修理指针式万用表的表头以及2mA以下的直流电流挡，并且能直接测量表头的灵敏度。
②用这种方法可以检查校验普通3位半数字万用表(例如DT830数字万用表)的直流200μA挡和直流2mA挡。
由于这种直流电流发生器具有数显功能，简单直观、快捷方便，可精确调整输出电流值，其直流信号源取自仪表内部A／D转换器的基准电压源，因此输出电流很稳定、温度漂移量较小，所以有较高的实用价值。下面举两个检测实例加以说明。
实例1一块上海银飞牌85C1型100μA、准确度为2.5级的电流表，需要检测其表头灵敏度(即测量表头的满度电流)。按图1连接好线路，将DT830A型数字万用表置于直流200μA挡，电流调节电位器采用67WR2MEG9650-MEXICO型2MΩ玻璃釉多圈电位器，调节电位器逐渐增大输出电流使被测表头指针满偏转，则此时电流发生器显示100.5μA，所以被测表头的电流灵敏度Ig=100.5μA。
实例2用一块校验过的DT830A型数字万用表作直流电流发生器，检验一块DT890A型数字万用表的直流200μA挡和2mA挡，并粗检直流20mA挡，其线路连接如图1所示。调节电位器使电流发生器依次产生所需标准电流Ic=E。/（Rp+Ri+Rg）。
检测结果表明，被检DT890A型数字万用表直流200μA挡和直流2mA挡的显示值均在允许范围内，且其线性度也较好，所以基本符合要求。当电流发生器输出电流超过2mA时，测量误差增大，因此只能用于粗检和估测。
注意事项
①为了减少环境温度和湿度对测量的影响，最好在相对湿度为45％～75％RH，25℃左右的室温下进行测试。
②在挑选输出电流调节电位器时，应尽量避免使用线绕电位器。因为这种电位器阻值调节不平滑(有跳跃间隔)，不利于细调，甚至可能出现有的阻值调不出来，即调不出某个所需电流值的情况。所以最好采用玻璃釉精密多圈电位器，并根据所需电流的测量范围，若范围较大时可选用3～5只合适阻值的电位器分段进行细调节，以便得到所需要的电流值。
③在检测指针式微安表头时应特别注意的是，测量前应预先将电位器阻值调至最大值(可用万用表电阻挡监测)，然后串接被测微安表头(以防开始时电位器的阻值过小使被测微安表过流打表针)。测量时再逐渐增大输出电流，使电流发生器依次产生所需标准电流。
④由于DT830A型数字万用表增设有微电流挡，即20μA挡。所以只要将这种电流发生器置于直流20μA挡，并采用280MΩ以上的高阻电位器就能使其输出0.01～20μA的微电流。若手头无高阻电位器，可用固定高阻与电位器串联组合，这样就可以输出一组特定的微电流，以供调试校验微电流表需要。
直流大电流 篇3
关键词：直流电动机,励磁电流,电流互感器
义煤集团孟津煤矿副井绞车主电机采用直流电动机, 型号为2KTD215/47.5, 额定功率1 100 kW, 额定电压750 V, 额定电流1 680 A, 励磁方式采用他励, 励磁额定电压110 V, 励磁额定电流179.4 A;采用全数字控制, 集数字化、自动化、信息化、网络化为一体, 能实现完备的电机控制。
该矿副井绞车投入运行1 a来, 励磁系统运行正常。2009年11月12日, 在副井绞车运行期间励磁电流突然增大到195 A, 有时增大到电流表满偏200 A, 远远超过额定值, 致使副井绞车不能正常运行, 严重影响生产。通过改变PI调节器有关参数使励磁电流降到额定值附近, 但励磁电流在额定值附近大幅度摆动, 再改变励磁参数励磁电流也无法回到原数值。用万用表和示波器对各有关元器件进行现场检测, 也不能发现任何问题。最终采用排查法查出, 励磁电流波动大的原因为直流电动机B相电流互感器故障。
在励磁系统中, 改变调节系统的励磁参数可以降低励磁电流;励磁柜则可以通过电压表、电流表检测, 显示输入交流电压、输出励磁电压和励磁电流值, 有助于设备运行状态的检测与故障分析。
1励磁系统
1.1励磁柜
励磁柜主要由功率模块、脉冲功放板、进线快熔、散热器、励磁变压器、过电压吸收装置、保险管、桥臂电阻、进线电容、电流互感器等元器件组成。它采用三相桥式整流电路, 同时可以通过电压表、电流表检测, 显示输入交流电压、输出励磁电压和励磁电流值。为了吸收瞬时过电压, 在磁场变压器的副边装有过电压吸收装置, 在硅整流器的正负极间并联阻容吸收回路, 可有效保护硅整流器不受损坏。励磁柜还采用了热保护措施。同时, 柜内装有熔断保护器, 当电流过大时, 断开励磁回路, 起到保护作用。
1.2调节系统
调节系统对励磁电流大小及稳定起到关键作用, 调节系统主要采用双闭环控制模式 (图1) , 其中电流环为内环, 速度环为外环, 速度环的输出为电流环的给定, 电流环和速度环主要采用PID控制。
具体控制过程如下:调节系统接收开车命令, 开始工作。①调节器根据速度给定和测速环节的速度反馈进行速度环的PI 控制, 调节器的速度环输出量送入电枢和磁场的电流环PI控制器;②电流环PI控制器根据传感器的电流反馈控制PI输出脉冲触发角, 通过总线发送给脉冲触发板;③脉冲触发板根据调节器CPU板送来的脉冲触发角输出相应的触发脉冲, 控制可控硅输出电压和电流, 最终控制电机的速度, 完成双闭环控制。由此可以看出, 励磁电流与PI控制器有密切关系, PI控制器参数调整对控制励磁电流大小及稳定起到主要作用。当P1为6时, I1为7;P2为8时, I2为9;P3为10, I3为11;P4为12, I4为13。磁场参数1、参数2、参数3分别为23, 24, 25。
2降低过大的励磁电流
通过调整PI调节器有关参数以降低励磁电流,
实际PI调节环磁场限流参数/实际励磁电流=需要PI调节环磁场限流参数X/额定励磁电流 (1)
分流器额定电压值/额定励磁电流值=动车时实际测得分流器电压值/实际PI磁场参数Xa (2)
将实际数据代入式 (1) 、式 (2) , 得Xa=119.6 A;X=130.8。调整这些参数, 使励磁电流降到额定励磁电流值附近, 但出现励磁电流在额定值附近波动大现象。
3励磁电流波动大的分析及处理
根据图1, 从以下方面排查、调整:①交流回路;②直流回路;③励磁参数。
3.1交流回路检测
检测交流110 V电源有无问题。经检测正常, 交流110 V互感器用万用表检测正常。
交流380 V电压经励磁变压器变为交流110 V电压, 若励磁电压有变化, 可能引起励磁电流波动, 但经测量励磁电压没有变化;电机反馈电压有变化, 也可能引起励磁电流变化, 经测量电机反馈电压约70 V, 正常。
3.2直流回路检测
检测控制程序有无问题, 经校验程序完全正确。改变磁场电流环参数, 从而改变电机补偿绕组特性, 电流环补偿参数性能适当降低, 改变电机补偿绕组特性, PI调节器电流环积分降低 (从21/5降到9/2) , 电机补偿绕组抗干扰能力增大, 励磁电流波动减小。
3.3励磁参数调整
磁场电流环中, 将检测回路参数倍数增大 (从以前4倍增大到6倍) , 使检测电机磁场性能更好。
以上处理仍不能解决励磁电流、励磁电压波动问题, 励磁电流波动不是由励磁电压变化引起的。
3.4电流互感器检查
用万用表对交流回路、直流回路各元器件检测均正常, 但经分析还是认为电流互感器有故障可能性大。电流互感器型号为:LK-1, 准确级别1, 一次额定电流200 A, 二次额定电流0.1 A。因用万用表检测正常, 故在现场用短接线短接电流互感器二次侧看励磁电流变化情况, 发现B相电流互感器二次侧短接时, 励磁电流突增, 且增大到195 A, 甚至是满偏200 A, 由此现象初步确定B相电流互感器存在问题, 并且是励磁电流波动大的故障源。经更换电流互感器, 励磁电流波动大故障最终被解决。
之后, 在中国矿业大学用检测仪器对B相电流互感器进行检测, 发现该电流互感器存在问题:①电流互感器比差值比以前高1倍;②角差值为0, 好的角差是顺时针趋势;③感应电场值变换快, 可以认为内部线圈有短接情况。
4结语
直流大电流 篇4
摘 要：直流系统相当于一个独立的电源，可以作为各项设备的后备电源，当交流供电的功能性发挥不畅时，可以由直流系统进行电源的输送，从而使得设备可以始终处于稳定的运行状态。但是，如果绝缘电阻降低的情况，直流系统中的电流会经由大地侵入到交流系统中，可能会导致交流系统中的部分设备出现故障。这时绝缘监测装置就会发出的错误的警报，影响系统的安全。文章就直流系统电流对绝缘监测的影响展开探讨，结合直流系统的实际情况，制定有效的应对措施，旨在为相关技术人员提供参考，使得绝缘监测装置的功能性可以得到有效的发挥，误报和漏报的情况，确保相关产业的持续健康发展。
关键词：直流系统；电流；绝缘监测；相关问题；影响
中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0095-02
直流系统是现阶段工业生产和各个经济活动中的重要组成部分，如：直流照明、备用电源等，可以在交流电不能正常运行的情况下，持续为设备提供电源，促使设备可以始终正常工作状态。直流系统是保障工业生产和其他产业的重要保障。在实际的直流系统应用的过程中，如果接地绝缘发生故障时，可能会侵入交流系统，甚至可能造成短路和重大安全事故的发生。绝缘监测是监测直流系统的关键部分，分析绝缘电阻的变化情况，并根据测量值的极限情况，进行警报。而直流系统中电流对绝缘监测的影响十分明显，为此，需要强化分析与解读工作。
1 直流绝缘监测的相关概述
直流系统对设备的作用十分明显，有效的提高设备的运行效率。但是直流系统在实际的运行过程中，会受到故障因素的影响，导致安全隐患的发生。直流绝缘监测主要是对地绝缘的情况进行监测，并完成对直流系统的各个部分的检测，促使绝缘系统的功能性和安全性可以得到全面的发挥，实现对故障的判断和分辨，并根据直流系统的基本情况，做出报警工作，由维护人员做出相关维护措施，促使直流系统可以始终处于稳定的运行状态，规避安全隐患的发生，避免继电器和熔断器出现损坏的情况。直流绝缘监测对直流系统的应用具有十分重要的影响，推动相关产业的持续健康发展。
2 直流系统电流对绝缘监测的影响分析
直流系统在实际的使用过程中，接地故障的发生，可能会导致直流电流的入侵，对交流电和相关设备造成影响。而且，这部分电流同样会对绝缘监测造成影响，为此，需要分析直流系统电流对绝缘监测的影响情况。借由等值戴维南模型，对直流系统电流对绝缘监测的影响展开分析。
2.1 直流系统运行状态的等值分析
直流系统在实际的运行过程中，需要各个元件的支持，其中换流器是实现直流系统稳定运行的关键部分。但是换流器在实际的工作中，会受到外界因素的影响，其功能性发生变化，致使绝缘地阻发生变化，但是却与的交流系统的绝缘变化情况存在一定的区别。当的绝缘地阻发生变化时，直流系统中的电流会沿着地阻发生流动，并侵入到的交流系统中，影响交流系统的稳定运行。
基于上述情况，结合三相桥式不控整流器的基本情况，展开直流系统等效分析工作。由于上述的情况，会发生通路的情况。这个通路中，交流系统会承担的“负债”的功能。针对该通路中，将电流和土壤模型视作一个恒压源，结合戴维南模型的基本情况对电路进行简化，如图1所示。
在获得等值模型后，明确直流系统中的电流和地阻的实际情况，结合实际情况，可以将戴维南等效模型中的电流和电阻视为动态情况。针对地阻变化电流侵入的情况，可以采用正反向多次输入的形式，减少电流对绝缘监测的影响，提高检测的精度。
2.2 基于直流注入的绝缘监测
在实际的绝缘监测时，可以采用直流信号注入的绝缘监测原理，具体的监测，如图2所示，结合串联分压的形式，对电阻R0两端的电压进行计算，从而根据测量结果获得的绝缘电阻的具体数值。
结合上述原理图，可以获得绝缘和电流之间的连续。在实际的绝缘监测过程中，如果接地电阻发生变化。这一变化会导致线路通路中的I产生，结合测量的情况的到处待测电阻值。变化过程中的电流会随着通路流向的交流系统，还会绝缘电阻上的剩余电流叠加。
如果两者发生叠加，可能会导致调绝缘检测的监测结果不够准确，不能有效的获得准确的数据情况。而且，叠加的电流会使得的绝缘监测的测量准确性和可靠性不能得到保障，会导致出现误报和漏报的情况，严重影响绝缘监测的运行质量和运行效率。
2.3 直流系统电流对绝缘监测的问题
经过上述研究。得到直流系统的电流对绝缘监测是切实存在影响，结合直流系统的实际情况，提出相关假设。
①绝缘处于稳定的运行状态时，直流系统的电流没有发生侵入情况。
②绝缘监测中的直流注入的间隔内，直流系统始终处于同一运行状态。
③直流注入量不会对等效模型的基本情况造成影响。
④在进行直流注入量，与直流阻抗网络的拓扑结构不会发生变化。
结合上述假设，合理的展开直流系统电流对检测系统的对策，促使绝缘监测的稳定运行，促使绝缘监测的效果和质量的提升。绝缘监测的情况下，针对直流系统的电流和剩余电流的叠加情况，重视注入源和干扰源的影响，并科学的对其进行控制。叠加电流对的绝缘监测的效果影响十分明显，叠加电流的产生，会使得直流量受到影响。
这时绝缘监测不能准确的绝缘电阻上的分压情况，导致测量的绝缘电阻情况会出现误差，实际情况是测得的电阻会远远的高于真实的电阻，测得的电阻过高，就会导致绝缘监测的不会发出警报功能，使得直流系统的接地故障不能得到及时的发现，制约直流系统的稳定运行。
如果与上述情况的电源方向相反时，就会导致的绝缘监测测得的电阻与实际存在差异，这一差异是实际电阻远远大于测得的电阻，测得的电阻过小，绝缘监测发出报警功能，但是报警是错误的，就会导致误报的情况发生，导致维护人员采取错误的维护措施。
3 直流系统电流对绝缘监测影响的对策
结合直流系统电流对绝缘监测的影响情况，制定有效的应对措施，避免绝缘监测出现误报和漏报的情况，促使直流系统的功能性和稳定性可以得到发挥，规避安全隐患。
可以采用的正反两次注入的形式，并分别对两次注入过程中的电阻值进行测定，并结合下列算法：
借由上述算法，可以使得的电流的叠加情况得到遏制，将剩余电流进行消除，促使绝缘监测可以得到较为准确的绝缘电阻值，有效的避免绝缘监测出现误报和漏报的情况，提高绝缘监测的有效性，推动直流系统的运行质量和运行效率的提升。
4 结 语
直流系统是工业生产和其他行业的重要部分，可以在交流系统运行不畅的情况，为设备提供稳定的后备电源。结合等值戴维南模型，分析直流系统电流对绝缘检测的具体影响。
在明确直流系统电流对绝缘监测的具体影响后，制定有效的完善措施，减少直流系统电流对绝缘监测的影响，发挥绝缘监测的功能性，减少误报和错报的情况，推动直流系统的稳定性和可靠性可以得到全面的发挥。
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直流大电流 篇5
电流计量基础研究导致能源计量失准严重。基于这种情况,我们在直流大电流计量中采用了磁调制式的电流比较仪方法。该方法可实现非接触式闭环测量,其最显著地优点就是测量精度高、防磁能力强、线性度好。
1 磁调制器的物理原理
图1中为一闭环磁路,设环形铁芯横截面积为A、平均磁路长度为1、激励绕组We、信号绕组WS和检测绕组WD分别绕制在该铁芯上。现用一个三角波恒流源Ie对激励绕组We进行激励,并且假设该激励电流幅值Iem足够大,能够使该铁芯达到充分饱和状态。
为了方便研究,忽略铁芯材料磁滞的影响,铁芯的磁特性曲线可以用三折线近似表示,即B(H)曲线可由斜率等于最大微分磁导率的一条斜线段和两条斜率等于零的水平线段组成。由物理公式:磁通量Φ=BA (B为磁感强度,A表示横截面积)。
当Is=0时,即无电流信号。铁芯处的磁场强度仅由正弦波恒流源决定,其波形为三角波。
当有电流信号输入,Is≠0,由电磁学知识可知:此时的磁场强度可线性叠加而磁通就不能叠加。铁芯中的磁场强度发生了改变,在三角波变化的基础上向上平移了Ho。由傅里叶级数可知,正弦函数为奇函数。信号磁场的存在与,对磁通的奇次谐波量影响不大,但偶次谐波分量是从
无到有的演变过程。因为有了信号之后就会产生磁场,且信号磁场会线性叠加使铁芯中产生偶次谐波分量。因此,我们可以用偶次谐波分量来对信号磁场进行描述。还可以看出,采用单铁芯的调制器输出电压信号中,会伴有奇次谐波和偶次谐波分量,且偶次谐波幅度远远低于奇次谐波幅度,如果我们要将铁芯中的偶次谐波分量单独取出来对信号磁场进行描述就显得尤其困难。所以单铁芯结构很难反应信号的真实情况,故一般在磁调制式直流比较仪的制作中采用双铁芯结构。也可说成是双铁芯差动式结构。
2 实际应用采用双铁芯磁调制器组成直流比较仪工作原理
图2所示为双铁芯差动式结构:两个相同的检测铁芯叠放在一起,激励绕组分别绕制在这两个检测铁芯上,同名且反向串接。激励信号从变压器a、c两端加到磁调制器上,磁调制信号在b、o两端取出,每个铁芯及其绕组都可以作为一个独立的磁调制器单独工作,这样的双铁芯结构使铁芯中感应的奇次谐波分量能够相互抵消,偶次谐波则会相互加强,就能提取有利于反应信号大小的偶次谐波分量。磁调制器的作用就是将一个直流磁势信号转变成一个与其成正比例的交流电压信号,对交流电压信号Uob进行峰差检测,将得到与信号电流Io成正比的直流电压信号,从而实现对Io的检测。
但对于实际使用的直流大电流,电流信号都是交流经过整流后得到的,存在着各次谐波。且这些信号将会通过电磁场耦合然后窜入磁调制器的检测信号中,会对磁调制器的检测精度造成影响。
从以上所述可以看出,在使用磁调制器的过程中,都要设置滤波器电路、激励电路、调制解调器、放大器对磁调制信号进行滤波、激励、解调、放大,才能进行工作。我们通过对上述双铁芯差动式磁调制的工作过程反复实验,形成了切实可用的直流比较仪工作电路,原理图如图2所示;
在整个直流比较仪工作过程中,激励电路和测量头(双铁芯的构成)是整个环节的关键,激励电路如图3。激励电路包括振荡电路、分频电路、功率放大器;振荡电路产生方波信号,方波信号的频率可通过可调电阻R3调节,方波信号通过双D触发器CD4013输出两个相反的方波信号,分别用来推动功率放大器的两个桥臂并轮流导通,然后通过变压器T输出并合成一个完整的方波信号;输出满足激励检测铁芯所需的具有一定频率、幅值和功率的激励信号,该激励信号通入检测铁芯,将铁芯激励到饱和状态;变压器T的输出端引出一个中心抽头A接地,该中心抽头A形成一个参考点,作为后级峰差检波器的参考点。
测量头由调制检测铁芯、调制检测绕组、磁屏蔽铁芯、次级绕组由内而外所组成,其中比较仪制作的关键在于两只铁芯的配对和激励状态的选择,通过逐一配对法及变化激励频率峰差检波器输出最大,达到一定值后可满足比较仪铁芯中无信号输出;当有外界电流通过时,有检测信号输出,信号输出波形经实测如图4所示;
检测信号控制跟踪放大器输出次级电流以相反方向通过铁芯,达到安匝平衡(W1I1=W212),次级电流比例于初级电流,从而达到电流变换的目的:两只绕有检测绕组的铁芯重叠放置后反向串联,再绕上次级绕组和初级绕组。两个检测绕组反向串联后由调制振荡器提供激励信号,使两个铁芯刚好进入饱和状态。当铁芯环内没有直流电流时,由于两铁芯工作状态相同对称,解调器无输出信号,放大器无输出信号,此时处于零点平衡状态。当初级绕组上通过直流电流时,解调器产生输出信号,放大器也产生输出信号,使解调器的输出趋于零点,这时平衡为动态平衡,所以直流比较仪的工作过程也称为跟踪过程。
该直流电压信号控制跟踪放大器输出次级电流通过次级绕组,实现电流比较仪初次级安匝平衡(此时铁芯中直流磁势为零)这时次级电流正比例于初级电流,达到电流变换目的;从而可实现大直流高精度的测量。
3 科研成果展示
基于以上所搭建的研究平台,在我院多年的钻研下已研制出多套具有国内高水平的成果。实现200A大电流,稳定度达到0.004%/分钟,交流纹波电压小于0.6%的电流源输出。
同时还研制出了一套国内还没有的直流达到3000A、精度为0.02%的高精度直流电流表便携式装置。为铁路系统、新型能源、新型用能设备等进行直流电量计量/溯源提供技术支撑。
4 现场运用分析
在实际应用中,磁调制式直流电流比较仪作为输入电流变换器,经过比较仪将大电流变换成1A采样电流,1A电流经过高精度电阻阵列采样出5V电压信号,信号输入A/D采样器和数字乘法器,保证测量直流的高精度。
在仪表信号采样、运算、显示部分只需采用常用的数字化技术;即可构成一套完整的非接触式、高精度大电流测量设备。
5 结论
基于直流比较仪原理研制出的计量测试装备可更好的用于现场在线测试,解决了大电流在测量过程中接线麻烦(甚至不能接线)、测量精度不高等问题,并在大于5000A的大电流现场测试方面提供了切实可行的方法。
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[7]马建民.采用直流电流比较仪原理的直流电流源.计量技术。2005.No.5
直流大电流 篇6
发电机组润滑油系统一般由滑油箱、滑油泵(供油泵、回油泵)、滑油滤、滑油冷却器等部件构成。直流润滑油泵在启机、故障停机、交流泵故障时,应保证发电机组润滑油系统正常工作。若直流润滑油泵的电源不可靠,会导致发电不正常甚至损坏发电机组,所以直流电源系统非常重要。本文主要介绍直流电机的低电压启动、混合型低电压直流电源的构成、阀控密封式铅酸蓄电池启动电机的新应用、系统的智能控制及设备在伊拉克鲁迈拉油田的应用。
2 直流电机低电压启动
直流电机同交流电机一样在启动时要符合两个基本条件,即启动要有足够的转矩和启动电流不能超过安全范围。直流电机在启动瞬间,转子还未转动,感应电动势尚未建立,既Ea=CeΦn=0,此时启动电流I=U/R,如在额定电压下直接启动,因直流电机的电枢电阻很小(约为0.1Ω-0.2Ω),故启动电流就非常大,一般高达额定电流的10-20倍,这比交流电机直接启动的电流倍数高出好多倍,大电流会造成直流电动机的换相器产生环火而烧坏,同时,过大的电枢电流必然产生巨大的启动转矩,这会使电动机及其拖动的机械设备遭受突然巨大的冲击而损坏,而且还可能使直流进线电源的开关跳闸。直流润滑油泵若不能启动,发电机组就很有可能被损坏,因此,启动电流的倍数必须加以限制。限制启动电流的方法通常有两种,即电枢串电阻法和降低电源电压法。电枢串电阻法转矩与转速的特性图如图1所示。
由上式可见,当转速是空载转速的1/2时,功率的一半消耗在电枢总电阻上,所以这种降低电枢端电压的方法是很不经济的。而用降低电源电压的方法来限制启动电流,可提高电机的运行效率。
3 混合型低电压直流电源系统构成及工作原理
3.1 系统构成
直流电源系统由两部分构成,即基于铅酸电池的储备型直流电源和基于晶闸管的可控型整流电源,其主电路拓扑结构如图2所示。
3.2 基于铅酸电池的储备型直流电源工作原理
两路交流双电源自动投切装置给各个充电模块供电;充电模块前端加装AC380V/AC110V三相降压变压器,将输入的三相交流电转换为DC24V直流输出;给蓄电池充电,同时给直流母线负载供电,另外,母线通过降压装置给控制母线供电。
系统中的各监控单元受主监控装置的管理和控制,通过通讯线将各监控单元采集的信息送给主监控装置统一管理。主监控显示直流系统各种信息,用户也可触摸显示屏查询信息,系统信息还可以接入到远程监控系统中。
系统参数配置如下:交流输入AC380V,20A;充电模块双机热备,50A模块两只;铅酸蓄电池容量400AH,单体电压2V,12节;系统电压DC24V,负载直流电动机3.7 kW,额定工作电流160A,工作持续时间不低于30min。电池放电特性如图3所示。
由图3可知,放电容量同放电电流成反比关系,放电电流越大容量越小,放电电流越小容量越大。额定容量是电池在25℃、单体10小时放电至1.8V的放电容量。图3显示了电池在25℃时、不同大小电流放电至终止电压时的恒流放电特性。
当电池放电终止电压设置为1.7V时,400AH的铅酸电池以791A的恒流放电,放电时间不到10分钟。铅酸电池直接启动直流电机是不能满足要求的,会由于启动放电倍数不够而导致启动失败或者运行时间太短而不能满足工艺要求,电池也极易损坏。为了解决这个问题,可在电池两端并接5kW的超级电容,这样既能保证电机正常启动,又能保护电池,使设备使用寿命延长,降低投入成本和维护成本。
3.3 基于晶闸管可控型整流电源的工作原理
该整流电源采用三相半波可控整流电路,通过控制脉冲触发相位角来控制输出的电压值。三相半波整流电路图如图4所示。
图中TR为整流变压器,参数为380V/42V,直流输出电压Ud=1.17U2Φcosa,直流平均输出电流Id=1.17 U2Φcosa/Rd。U2Φ为整流变压器二次侧输出相电压,当输出电压为Ud=DC24V、U2Φ=42V时,cosa≈0.5、a≈60°。当a=90°时,输出电压Ud=0V。当a角在60°-70°范围内调节时,就能输出一个满足负载需要的电压值。蓄电池直流电源平时处于电池浮充状态,此时单体电池电压为2.35V,总电压U1=12*2.35V=28.2V,直流母线二极管的管压降为0.7V,所以蓄电池组最高负载输出电压为27.5V。由此来看,整流型直流电源输出电压必需大于28.2V才可能是常用电源。当交流电源停电或者整流电源出现故障时,蓄电池组才自动投入使用。
3.4 混合型直流电源通讯管理系统
主机采用中英文显示,按键式操作。系统极易实现故障查询、告警管理、电池管理、开关量检测、控母电压智能调节以及上位机通讯等功能。各种报警信息文字显示,故障定位直观清晰,对历史故障有存储功能且断电后不丢失。故障发生时自动弹出故障界面,当屏幕点亮时,机箱内置蜂鸣器发生告警声音,告警门限可设置。通过预先设置电池充电运行参数,自动对电池充放电进行管理,配置电池巡检模块检测单体电池电压,通过预先设置的DC24V输出参数,监控主机对降压硅链进行实时调节。触摸监控主机可设置整流电源任意输出电压值和最大输出电流限制。与上位机的通讯接口可选择RS232或RS485,通讯规约为Modbus,波特率可设置,设备通讯地址从01-99可选择设置。另外,每半个小时记录运行参数,可记录48条运行记录,且断电数据不丢失,通讯系统框图如图5所示。
3.5 电源对照分析表
混合型直流电源同各类直流电源对照分析见表1。
4 结束语
本系统自2014年5月投入使用以来,运行平稳正常、安全可靠、操作简便、维护方便,达到了预期的运行指标。该直流电源系统的电池室、电控室分离,其各自独立的空调系统为蓄电池提供了铅酸阀控式免维护的理想工作温度,使铅酸电池首次在伊拉克高温环境中使用获得了成功。氢气自动排放或手动排放技术排除了设备发生氢气爆炸的危险,混合型直流系统采用储备电源同整流电源热备技术实现了负载在任何情况下均不掉电,设备的安全性、可靠性大大提高。交流系统使用MCC抽出式开关柜,提高了互换性,并大大缩短了排除故障的时间。
本系统设计先进、制造精良,经过运行检验,各项性能指标均满足现场运行的要求和燃气涡轮发电机组的发电工艺要求,为我国更好地开发伊拉克及周边国家的石油市场做出了贡献。
参考文献
[1]半导体变流技术[M].北京:机械工业出版社.
[2]电机及拖动基础(上)[M].北京:机械工业出版社.
[3]电机及拖动基础(下)[M].北京:机械工业出版社.
[4]智能型直流电源技术手册[Z].深圳艾默生.
直流电路电流流向演示器 篇7
一、电路原理
该电路主要由两大部分组成
(1)由时基集成电路NE555及外围元件组成的多谐振荡器，它是信号产生系统。
(2)由CD4017集成电路及外围元器件组成的计数及显示电路。
NE555与周围元件是典型的多谐振荡器电路。当电源接通时Ec通过R1、RP对电容器C1充电，充电开始瞬间，由于NE555“2”脚处于“0”电平，故输出端Q为高电平;当电源经R1、RP向C充电至R=S≥2/3 EC时;输出端Q由高电平变为低电平。此时放电管VT导通，电容C1经RP和放电管(7脚)放电，放电至S=R≤1/3 EC时，输出端Q又由低电平变为高电平，电容C1又再次充电，如此循环往复，形成振荡，Q端(3脚)输出周期性的矩形脉冲。
NE555产生的周期性的矩形脉冲信号，输入至CD4017上升沿触发的CP端。为保证计数从零开始，清零端K (15脚)在每次接通电源的瞬间提供一个清零脉冲。因CP端(14脚)与CE端(13脚)有互锁关系，即利用CP端输入时，CE端要接于低电平，否则是不能输入信号的。CD4017的10个输出端Q0-Q9它们随NE555脉冲的输入而依次出现高电平，驱动发光二极管依次发亮产生流水效果，指示电流的流向。
为流水有一个适宜的流速，在NE555的多谐振荡器电路设置了RP可变电阻器，用它阻值大小的变化，可改变电容器C1充放电的快慢，从而改变振荡的频率，因此也就改变了电流的流动快慢。
二、元器件选择
1. 时基集成电路NE555
它的逻辑原理图如图2所示。
管脚功能介绍：
1脚：地端GND
2脚端：用低于1/3 EC的电压输入可使电路置位，即输出端Q处于高电平“1”，放电管VT截止，该端称为触发(置位)端。
3脚OUT端：它有两个输出状态“0”和“1”。该端是唯一的输出信号端。
4脚端：当这个端子外加低电平“0”时，不论输入端R、S端处于何种电平，电路均处于复位状态。只有当MR端处于高电平“1”时，电路的输出端“Q”才受R、S端信号的控制。该端称为强制复位端。
5脚VC端：此端加入外部电压可以改变电路内部两个比较G1、G2的比较阈值。从而控制电路翻转门限，该端称为电位控制端。
6脚R端：用2/3 EC以上的电压输入，可使电路复位，即输出端Q处于低电平“0”放电管VT导通。该端称为阈值(复位)端。
7脚DIS端：接电路内部放电管的集电极，用来控制外部定时电容的充电与放电，该端为放电端。
8脚+EC端：电源的正端，该端称为电源端。
2. 十进制计数译码驱动器CD4017
管脚功能介绍(图3):
R端(15脚)：复位清零端。当在R端加高电平或正脉冲时，计数器清零，在所有输出中，只有Q0端输出高电平，其余输出端Q1～Q9均为低电平。
CP端和CE端：CP端用脉冲上升沿触发计数;CE端用脉冲的下降沿触发计数。CP和CE端有互锁的关系，即利用CP端计数时，CE端可接低电平;利用CE端计数时，CP端可接高电平，反之则形成互锁不能计数。
CD4017的10个输出端为Q0～Q9它随输入脉冲而依次出现高电平。为了级联方便，设有进位输出端QC，每输入10个脉冲，就可以得到一个进位脉冲，所以QC为一级计数器的时钟信号。CD4017每输入10个脉冲自动重复计数。
3. 高亮度发光二极管
20只φ5高亮度发光二极管，10只发红光，10只发黄光。
4. 开关
K选用单刀二掷钮子开关。
5. 电阻和电容
电阻器选用1/8碳膜电阻、电容器C1为电解电容，C2、C3为瓷片电容，RP为小型电位器。
三、制作方法
1. 先在印制板上装接由NE555构成的多谐振荡器。NE555最好是使用8脚插座安装，这样的好处是不会损坏器件，但它的管脚的排列顺序先确定好，再进行外围元件的焊接。为了调试的方便，能直接看出效果，在它的输出端，装上一只限流电阻和一只发光二极管，以观察电路的工作与否和频率的高低。
2. NE555多谐振荡器工作正常后，再装接CD4017电路，最好也用16脚插座安装，外围的元件和管脚一定要看原理图连接。
3. 演示板的面积要根据教学需要而定。但发光二极管电路的一周只能固定10对，每个点上固定两只发光二极管(一只发红光，一只发黄光)，即两个二极管的发光颜色最好不相同，一种颜色表示一种流向，即顺时针方向流动和逆时针方向流动。发红光的二极管的负极都连在一起，接于钮子开关的“1”位上;发黄发的二极管的负极都连在一起，接于钮子开关的“2”位上，按着发光顺序，把一只发红光和一只发黄光的二极管的正极连在一起接于CD4017的相应管脚上就可以了。
4. 因为该演示器能演示顺时针和逆时针两种不同的电流方向，所以表示内电路和外电路的符号要做成活的插接件，这样才能保证，电动势的方向，电压降的方向与电流的方向一致。演示起来才方便，有利于教学。
该电路装接时，要认真，细致，只要没有虚焊、漏焊和误焊，电路连好后，接通电源即可正常工作。
直流大电流 篇8
关键词：短路电流,时空变化特性,直流输电,控制系统,电力系统保护
0 引言
传统交流电网短路电流严格服从电路物理定律, 形成了完备的故障计算与继电保护分析方法体系。然而, 直流输电线路短路电流不仅受电路物理定律约束, 还具有与直流控制系统强相关的特点, 随故障位置和故障时刻不同, 直流线路短路电流变化特性存在差异, 反映出短路电流复杂的时空关联特性。目前, 对于考虑控制作用的直流线路短路电流变化特性尚未形成清晰明确的结论, 给直流线路故障分析和继电保护运行等带来了阻碍[1,2]。
由于与直流控制强相关, 并且受到故障条件、线路分布参数、末端设备等影响, 直流线路短路电流变化特性较为复杂。目前, 工程界主要采用数值仿真方法, 基于PSCAD/EMTDC、RTDS等工具反复试验开展研究[3,4,5]。一方面, 数值仿真的有效性极大地依赖于详细的直流控制模型及参数, 其结论往往缺乏普适性, 难免限于一时一地的具体案例分析;另一方面, 数值仿真结果使得短路电流的变化规律以及直流控制的作用机理被淹没于海量的数值仿真计算之中, 难以建立完备的分析方法体系[6,7,8]。
鉴于此, 相关研究工作试图从解析方法角度开展直流线路短路电流的研究, 以揭示其变化规律及各因素的影响机理。文献[9-11]推导了换流器直流侧出口短路时短路电流的解析表达式, 然而由于直流线路简单地采用集中参数模型, 所得解析结果与实际直流线路短路电流存在较大差异。文献[12]考虑了直流线路的分布参数特性, 但所得解析表达式过于复杂, 不能够直接用于短路电流变化特性的分析, 文中也未考虑直流控制系统对于短路电流变化特性的影响。
本文推导了考虑分布参数特性的直流线路固有短路电流的时域解析表达式, 分析了直流线路短路电流的固有变化特性。从直流控制对短路电流变化的影响机理出发, 揭示了考虑控制作用的短路电流幅值时空变化特性。结合直流线路保护电流变化量判据的工作原理, 探讨了直流线路短路电流幅值时空变化特性对于判据整定计算的影响。
1 直流线路固有短路电流解析
1.1 直流线路故障暂态与解析模型
直流输电线路长度通常在1 000 km以上, 具有典型的分布参数特性。直流线路发生故障后, 故障点的电流产生阶跃突变, 并以行波形式沿线路向两端换流站传播。到达线路两终端后, 经过换流站设备反射改变方向, 继而沿线路流向故障点。这一反射波到达故障点后, 将被再次反射, 如此周而复始。故障电流行波在线路其中一端与故障点间的传播过程 (过渡电阻为零的理想故障条件下) 可用图1的网格图表示。
图中, Td为行波在故障点与终端之间往返一次所需要的时间, 与故障距离Lf相关;Iinci为由故障点流向终端设备的电流行波;Irefi为由终端设备流向故障点的电流行波;Ii (s) 为构成短路电流的第i个分量, 由Iinci (s) 和Irefi (s) 叠加而成, 所有Ii (s) 之和即为实际短路电流[13,14];i=1, 2, …, n。
直流输电系统在线路故障后的等效故障网络如图2所示。图中, USR和USI分别为整流侧和逆变侧的等效电压源;LeR和LeI分别为整流侧和逆变侧平波电抗器电感与等效电压源内电感之和;Rf为故障点过渡电阻;Uf为故障点稳态电压。
由于线路参数的频变特性、直流控制的强非线性, 难以对短路电流进行精确的时域解析[15]。本文对直流输电系统线路故障模型进行如下简化, 以求取短路电流的解析表达式:直流控制作用进行单独考虑;不考虑直流滤波器的影响;直流线路无损、无畸变;故障点过渡电阻为零;仅考虑直流输电系统的故障分量。简化模型保留了直流线路分布参数的基本特征, 包含了故障端口、线路终端设备等关键因素, 因此, 基于简化模型进行短路电流固有变化特性解析分析, 所得结论具有一般性。
1.2 固有短路电流的时域解析
如图1所示, 第一个入射波到达线路终端前 (t<0) , 流入平波电抗器的故障电流为零。第一个入射波到达线路终端后 (0≤t≤Td) , 流入平波电抗器的电流由I1 (s) 决定;第二个入射波到达终端后, 流入平波电抗器的电流除了I1 (s) 外, 还需要在其上叠加I2 (s) 。依此类推, 流入平波电抗器的电流实际上由n个分量叠加而成, n值由计算时间tcal和故障距离共同决定。若以故障行波第一次到达线路终端时刻为时间零点, 则有故障电流复频域表达式如下:
其中, n=floor (tcal/Td) , floor (·) 函数是指对参数沿绝对值减小的方向向下取整。
从上式可以看出, 推导I (s) 的关键在于求取各个分量Ii (s) , 下面分别求取之。
a.求I1 (s) 。
根据行波在线路终端的折反射规律[15], Iref1 (s) 与Iinc1 (s) 的关系如下:
其中, 为行波在线路终端的反射系数, Zc为直流线路的波阻抗。I1 (s) 由Iinc1 (s) 和Iref1 (s) 叠加而成, 考虑到两者传播方向不同, 有下式成立:
b.求I2 (s) 。
根据行波在故障点的折反射规律[15], Iref1 (s) 与Iinc2 (s) 的关系如下:
其中, Rflt (s) =-1, 为行波在故障点的反射系数。
将式 (2) 代入式 (4) 可得:
进一步参考式 (2) 和 (3) 的推导过程, 可得I2 (s) 的表达式如下:
c.求Ii (s) 。
依此类推, 可以得到Ii (s) 的表达式如下:
为不失一般性, 假设故障点初始电流阶跃行波Iinc1 (t) 为单位阶跃函数, 其拉氏变换Iinc1 (s) 为1/s。将Rter (s) 和Iinc1 (s) 的表达式代入式 (7) 可得:
至此, 得到了Ii (s) 的一般表达式。下面进一步推导Ii (t) 的表达式。
对式 (8) 进行部分分式展开:
求式 (9) 的拉氏反变换, 得到Ii (t) 如下:
综合式 (1) 和 (10) 即可得在计算时间tcal内任意时刻线路一端的故障电流时域表达式为:
2 直流线路短路电流的固有变化特性
2.1 Ii (t) 波形特征与变化规律
当i取1、2时, 根据式 (8) 和 (9) 容易得到I1 (s) 和I2 (s) 分别为:
求其拉氏反变换, 得到I1 (t) 和I2 (t) 为:
更高次入射波和反射波形成的电流分量Ii (s) 表达式比较复杂, 一般可利用MATLAB或Maple计算软件中的符号计算功能进行时域表达式的求取。
根据Ii (t) 时域表达式, 画出I1 (t) —I8 (t) (均为标幺值) 的波形如图3所示, 其中a取2000 s-1, 计算时间tcal取12 ms。对其进行分析, 可以得到Ii (t) 的波形特征与变化规律如下:
a.Ii (t) 总体呈上升趋势, 经过有限次的振荡, 最终均趋向于稳态值2, 即初始入射波幅值的2倍;
b.对于给定的i, Ii (t) 的振荡次数是确定的, 且随着i的增大, 振荡次数逐渐增多;
c.i越小, Ii (t) 达到稳定值所需的时间越短, 反之所需时间越长;
d.对于同一个Ii (t) , 起始振荡幅度一般较小, 随着计算时间的增加, 振荡幅度逐渐增大。
通过对更高次Ii (s) 进行拉氏反变换并绘制波形图, 可以证明上述规律的普遍性, 此处不再赘述。
2.2 短路电流的固有变化特性
从式 (11) 及2.1节可知, I (t) 实际上是由I1 (t) 、I2 (t) 、…、In (t) 的波形叠加而成, 其中n值由故障距离和计算时间共同决定。以tcal=6 ms、Lf=120 km (对应Td=0.8 ms) 为例, a取2 000 s-1时, I (t) (标幺值) 的波形图如图4所示。
图4中, 在每个区段I (t) 都由多个Ii (t) 叠加而成, 且随着时间的推移叠加分量逐渐增多。从图中可以看出, I (t) 具有振荡上升的特性:总体上呈上升趋势, 但在某些时间段有可能出现暂时性的下降, 如图中虚线椭圆所示。
下面对线路近端故障和远端故障2种极端情况下的短路电流进行分析, 以进一步明确短路电流变化的一般规律。
当线路近端故障时, 以Lf=0 km为例, 根据集中参数电路计算理论, 平波电抗器端电压的计算式为I (s) s Le;根据行波理论, 线路首端短路时, 故障点电压计算式为Iinc1 (s) Zc。考虑到平波电抗器端点和故障点为同一点, 因此有下式成立:
求解式 (16) 可得:
当线路首端短路时, 短路电流是斜率为a的直线。
在线路远端故障时, 若所关心的时间域相对较小, 则有可能出现I (t) 始终仅由I1 (t) 构成的情况, 此时结合式 (14) 有:
故线路远端短路时, 短路电流是一终值为2的指数曲线。
综合上述3种情形下电流波形, 可以得到直流输电线路短路电流I (t) 振荡上升的固有变化特性:近端故障时, 有限时间内短路电流的振荡次数趋向无穷, 短路电流几乎成直线上升;随着故障距离的增加, 有限时间内短路电流的振荡次数逐渐减少, 短路电流总体上仍呈上升趋势;当故障距离足够大时, 在关心的时间域内, 短路电流呈振荡次数为零的指数上升。直流线路短路电流总体上随故障持续时间增加而逐渐上升, 近端故障时的短路电流要大于远端故障时的短路电流, 符合短路电流发展的时间约束和物理边界条件约束。
3 考虑直流控制的短路电流变化特性
上文利用解析法分析得到了直流线路短路电流的固有变化特性, 本节进一步分析考虑直流控制作用的短路电流变化特性。直流控制系统包含有复杂的滤波、比较、非线性变换等环节, 难以对其进行直接解析分析[15]。本文根据直流线路短路后定电流控制动作降低短路电流这一作用效果, 分析其对短路电流固有变化特性的影响机理, 并采用PSCAD/EMTDC详细模型进行仿真验证, 为直流线路保护电流判据研究提供指导。
3.1 考虑直流控制的短路电流空间变化特性
故障行波传输到线路终端后, 经过一定的动作延时, 直流控制系统动作抑制故障电流增长。设控制系统动作延时为tctr, 则结合短路电流的固有变化特性可得含控制作用时不同故障距离下的短路电流波形示意图如图5所示。
图5中, 曲线1、5、6为不含控制作用时的短路电流波形, 剩余7条曲线为含控制作用时的短路电流波形 (示意图) ;tctr1、tctr2、…、tctr5表示控制系统响应延时;tcr为曲线5和6的相交时刻, 由于曲线5斜率始终为a, 曲线6的斜率初始为2a、终止为0且单调减小, 因此tcr必然存在。
分析图5 (a) 可得, 控制系统作用能够抑制短路电流的增长。由于短路电流振荡上升的固有变化特性, 短路电流幅值随着控制延时的增加非严格单调递增, 如曲线3和4所示。
从图5 (b) 可以看出, 当tctr=tctr4
实际上, 由于短路电流的振荡上升特性, 不同故障距离下的短路电流曲线往往有多个交点。图6为根据式 (11) 画出的0 km和120 km处故障时I (t) (标幺值) 的波形, 其中取a=1 000 s-1, tcal=6 ms。可以看出, 在tctr
传统上, 一般认为直流线路短路电流幅值随故障距离增加而单调递减, 在近端故障时最大、在远端故障时最小。从上文分析可以看出, 当直流控制动作延时满足一定条件, 直流线路短路电流幅值随故障距离增加表现出非单调减小的变化特性, 这突破了传统短路电流变化特性的空间认识局限。
3.2 考虑直流控制的短路电流时间变化特性
在包含换相过程的实际直流输电系统中, 控制系统通过增大换流阀触发角来抑制故障电流。触发角增大后, 故障电路相当于交流系统的相间短路[15], 短路电流开始时逐渐增大, 达到由故障电路所决定的最大值后逐步减小, 从而实现故障电流的抑制。
以六脉桥换流器为例, 不考虑换相过程。若故障行波于t0时刻到达线路终端, 控制延时为tctr, 则控制作用时刻tact=t0+tctr。不妨设t1
其中, t3为线电压eac的峰值时刻。
在t1
在阀V3导通瞬间, 故障电流上升时间和故障电流幅值发生跃变, 其值与tact=t1时相等。图8给出了在PSCAD/EMTDC环境下, 基于某实际直流系统模型, 仿真得到的直流线路首端单相接地短路故障电流幅值随故障时刻的变化曲线。
传统直流线路短路电流幅值计算主要参考交流电网短路电流计算方法进行, 并未考虑故障时刻对短路电流幅值的影响。从图8可以看出, 在直流系统中, 由于控制系统作用, 短路电流幅值具有明显的时间离散变化特性, 随故障时刻不同表现出锯齿状变化规律, 这突破了传统短路电流变化特性的时间认识局限。
3.3 短路电流时空特性对继电保护的影响
直流线路保护中, 电流变化量判据通过检测直流线路短路电流相对于稳态电流的变化量进行区内和区外故障判别。在电流变化量判据整定计算中, 需要确定区内故障时保护特征量的最小值和区外故障时保护特征量的最大值, 以保证判据的选择性。
由于短路电流幅值的空间非单调变化特性, 区内故障时保护特征量的最小值不一定出现在直流线路终端短路情况之下, 因此不能简单地选取直流线路终端短路时的电流变化量幅值作为保护特征量的整定边界。由于短路电流幅值的时间离散变化特性, 区外故障时保护特征量的最大值应选取锯齿波的顶点, 区内故障时保护特征量的最小值应选取锯齿波的底端。
4 结论
本文利用解析法分析了考虑控制作用的直流线路短路电流变化特性, 得到的主要结论如下。
a.直流线路短路电流具有振荡上升的固有变化特性, 其总体趋势逐渐上升, 近端故障时的短路电流要大于远端故障时的短路电流, 符合短路电流发展的时间约束和物理边界条件约束。
b.在直流控制作用下, 直流线路电流幅值具有空间非单调变化特性和时间离散变化特性。空间上, 短路电流幅值随故障距离增加非单调减小;时间上, 短路电流幅值随故障时刻不同表现出锯齿状变化规律。
c.直流线路保护电流变化量判据整定计算中, 不能简单地选取直流线路终端短路时的电流变化量幅值作为保护特征量的整定边界;区外故障时保护特征量的最大值应选取锯齿波的顶点, 区内故障时保护特征量的最小值应选取锯齿波的底端。
低电平精确直流电流、电压的测量 篇9
关键词：低电平,精确测量
0 引言
我们通常用数字万用表来测量直流电压、电流。一般情况下, 对于大于1 μA或1 μV的信号来说, 这样的仪器是可以胜任的。然而它们并不能达到理想的精确度。当信号微弱时, 我们通常使用静电计、皮可安培计和毫微伏特计来测量。
下面我们将会讲到用于直流信号测量的工具, 包括它们的一些简单介绍和基础应用电路的设计。
1 测量的理论范围
在任意测量中的理论灵敏度是以电路中电阻所产生的热噪音所决定的, 而电压噪声正比于电阻值的平方根, 带宽和绝对温度。图1中显示了理论上的电压在室温和0.1秒至10秒的反应速度时的测量范围。从中我们可以注意到较高的内阻限制了电压测量的敏感度。当我们从1 Ω内阻的信号源测得1μV电压的时候就不太可能从1TΩ内阻的信号源中得到相同的电压。所以在这种情况下, 想要使用普通的万用表来测量是非常困难的。
除了灵敏度不足以外, 数字万用表在低电平测量中相比于更精确的仪器在测量电压时具有较高的电流漂移, 在测量电流时输入阻抗却比较低。这样的特性会在测量中造成误差。
万用表拥有上述的特性, 使得我们不太可能用它来测量那些靠近临界值的信号。如果需要更高的灵敏度并且信号源的内阻比较低, 那么使用毫微伏特计来测量更能满足我们的需求。但是, 如果信号源内阻是1TΩ这样的高阻, 那么万用表并不是合适的电压计。万用表的输入阻抗是10MΩ～10TΩ, 相比于内阻来说小了几个数量级, 导致严重的输入加载误差。另外, 输入电流较大会产生大的电压失调, 所以有较高的输入阻抗的静电计测得的电压会更接近理想值。在低电流测量中也有同样的现象存在, 万用表的输入电压通常有较大输入负担, 它会影响低电流时的测量结果。此时, 使用具有较低输入负担和更高灵敏度会让测量结果更接近理论值。
2 常用工具介绍
2.1 静电计
静电计是经过高度改良的万用表, 所以它能适用于更广泛的测量。它良好的输入特性和高灵敏度, 使得它在电压、电流、电阻和电荷测量中的性能远比普通万用表优越。
静电计在以下情形时更好:
1) 所测量的值超出了万用表测量范围;
2) 要求电路荷载竟可能小的时候;
3) 需要进行电荷计量;
4) 测量的信号临近约翰逊噪声限制。
另外, 静电计易于操作, 性能可靠。
2.2 万用表
数字万用表在测量中应用相当广泛, 它拥有各种模式。虽然它的测量数据并不一定非常接近准确值, 但它胜在使用方便, 快捷。
虽然低电平测量要求较高的精确度, 而且有些已经超出了万用表量程范围, 然而与时俱进的科技逐渐减小万用表与低电平测试仪器的差距, 比如精确的万用表已经可以测量最小达10nV的电压, 低至10pA的电流, 高达1GΩ的电阻。
其他的精密测量仪器还有皮克安培计、毫微伏特计等。
2.3 仪器性能参数
1) 精确性, 主要包括准确度、分辨率、灵敏度、不确定度、传输稳定性等;
2) 衰减;
3) 噪声和噪声抑制;
4) 速度。
3 基础电路设计
在低电平测量中, 不管是电压计、电流计、欧姆计还是电量计, 通常会使用运算放大器来搭建电路。图2就是基本的运放电路, 其中输出电压:
VO=A (V1-V2)
运放的增益一般都比较高, 大多能达到100万。输入端的电流趋近于0, 从而反馈使得两个电压差也趋近于0。
3.1 电压计电路
当运放按图3链接时就构成了电压放大器, 其中输出电压:
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所以, 输出电压由输入电压、放大器增益和两个电阻决定。电路中的输入阻抗大而输入电流漂移很小, 能够满足低电平条件下的测量需求。
3.2 电流计电路
有两种类型的电流计, 一种是分流式电流计, 如万用表或早期的电流计;另一种是反馈式电流计, 如皮克安培计和静电计的AMPS功能。
低电平条件下, 要达到高精确度, 如果用分流式电流计, 就要求电流计内阻要非常小, 并且具有良好的时间和温度稳定性, 不容易实现。相反, 反馈式电流计是可行的。
图4是皮克安培计所采用的电路, 其中反馈系数可调, 可以得到输出电压为:
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4 结语
综上所述, 当信号小于1 μA或1 μV时, 要使测得的结果逼近理想的值, 就对测量工具的输入阻抗、失调电压、电流、零点漂移和温度漂移等有更高的要求。为了达到更高的精确度和灵敏度, 就要减少电路中的热噪声, 使用静电计、皮克安培计等更加适合的测量工具。
低电平信号在医疗、化工、航天等领域有重要应用, 研究更加可靠、准确的测量方案具有重要的意义。本文提出的电路方案通过实践还可继续改进。
参考文献
[1]刘树棠, 朱茂林, 荣玫.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社, 2004.
[2]赖晓芳.如何理解“静电计”[J].江西教育.综合版, 2011.