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直流電源的紋波系數監測必要性
[ 通信界 | 黃圣曄 陳為志 蔣召勝 溫州市科星電子有限公司,蒼南電力有限責任公司 | www.doudouqiu.com | 2009/4/1 9:53:15 ]
 
  摘  要:介紹了紋波的產生;分析了對紋波進行監測的原因,直流紋波系數監測對電網安全運行的重要性,及目前直流電源成套裝置存在的問題,并結合實際闡述了常規監測的方式,說明了對直流電源的紋波系數進行監測的必要性。 
  關鍵詞:直流電源 紋波系數 監測 
 
一、 紋波的產生
    紋波就是一個直流電壓中的交流成分。直流電壓本來應該是一個固定的值, 但是很多時候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的,由于濾波不干凈,就會有剩余的交流成分,即使是用電池供電也會因負載的波動而產生波紋。事實上,即便是最好的基準電壓源器件,其輸出電壓也是有波紋的。如下圖:

  要觀察,可以用示波器來看,就會看到電壓上下輕微波動,就像水紋一樣,所以形象地稱做紋波。
紋波的表示方法可以用有效值或峰值來表示,也可以用絕對量,或者相對量來表示。例如一個電源工作在穩壓狀態,其輸出為100V/5A,測得紋波的有效值為10mV,這10mV就是紋波的絕對量,而相對量即 紋波系數=紋波電壓/輸出電壓=10mv/100V=0.01%,即等于萬分之一。  
二、 進行紋波系數監測原因分析
  隨著電力電子技術及微機技術水平的不斷提高,微機型的繼電保護裝置在變電技術中大量使用。由于微機對其工作電源有很高的技術要求,特別是對電源紋波的要求更加苛刻,因此變電站對直流電源的各種技術指標和可行性提出了更高的要求。隨著新型高頻開關電源技術的不斷進步,其大功率技術和高穩定性使高頻開關電源具有可靠性高、維護量小、體積小、紋波小、穩壓精度好、穩流精度高、使用性能卓越等優點,得到了廣泛應用。國內的變電站現場都大量的安裝了新型的直流電源,使直流電源對閥控式電池和高頻電源的充電機得到了進一步的應用。目前直流電源成套裝置制造廠出廠產品普遍具有技術性能指標高、監控功能強的特點,但大部分直流電源成套裝置都沒有考慮紋波系數的運行監測要求,這在產品的實際運行中留下隱患。
 
  新型閥控式鉛酸電池由于其結構原理、生產工藝與開口電池相比都有較大的變化;小體積、貧液式對充電機和其應用環境都提出了新的要求,如蓄電池要求在+25℃的環境下,充電機的紋波系數≤0.5%等。為了提高變電站和電網的安全運行,就對直流電源的紋波系數進行監測提出了明確的規定,特別是對其供電質量有較高的要求。
三、 直流紋波系數監測對電網安全運行的重要性
  繼電保護裝置的主處理為微機,對繼電保護裝置提供工作電源的大都是直流不間斷電源,紋波大小對于微機裝置的可靠運行至關重要,也就成為微機可靠運行的一個重要技術參數。眾所周知,閥控式蓄電池對充電機的紋波要求十分嚴格,直流電源的紋波系數直接對電網的安全起到重要的影響,DL/T 5044-95《火力發電廠、變電所直流系統設計技術規定》中指出:硅整流充電裝置與蓄電池并聯運行時,由充電設備引起的紋波系數不應大于2%;DL 478-92《靜態繼電保護及安全自動裝置通用技術條件》也規定直流電源電壓紋波系數不應大于2%;因紋波系數較大會導致中央信號裝置誤動作和高頻繼電保護誤發信號,DL/724-2000標準也明確提出了直流電源紋波的要求;GB/T856-2005 說明了直流電源紋波的重要性。根據最新討論的《電力用直流和交流一體化不間斷電源標準》,紋波電壓的測量方法為:用帶寬20MHz示波器,掃描速度低于0.5s/DIV,示波器探頭盡可能靠近被測裝置,讀取示波器顯示的最大峰—峰值。峰值保持器的響應頻率可達到20MHz,等于最大噪聲頻率的10倍,其采集的紋波電壓峰-峰值包含了工頻紋波和高頻紋波,符合目前電力行業標準的要求。充電裝置的紋波系數按照公式2計算。
公式(2)
式中   d — 紋波系數;,
δUW —紋波電壓峰峰值;
UZ—電壓整定值;
  電力行業的許多規程和技術條件都有對紋波做了明確的規定,對紋波的測試方法、計算方法都進了統一和規范。在實際的測量和使用過程中,直流電源是一個不間斷工作電源,其工作負載也是不斷變化。紋波系數和紋波電壓的數值隨著長期的帶電運行會發生變化是固有的特性。國家電網十八項安全反措上也就提到了要經常性的監測紋波系數,不合格則要整改,從反面說明了直流紋波對電網安全運行的重要性。
 
四、 目前存在的主要問題
  目前,各制造廠出廠時的直流電源成套裝置技術指標均達到相關標準要求,但大部分裝置往往都忽略了紋波系數監測這個功能。以采用可控硅型充電浮充電裝置的直流系統為例,這類裝置使紋波系數不大于2%的技術措施一般如下:移相觸發回路母線直流電壓、電流,發出可控硅觸發信號,可控硅觸發導通輸出電壓經匹配電抗器、電容器濾波后,電壓紋波系數基本上能控制在2%以內。如果母線上并聯蓄電池運行,因蓄電池本身是較大的容性負載,對于降低母線電壓紋波系數非常有利,這時母線電壓紋波系數實測值可能很低。但隨著運行年限增加,元器件老化,或在蓄電池臨時更換操作時,如不對母線電壓紋波系數進行監測,可能會出現幾種紋波系數放大,但直流電源成套裝置繼續運行的故障:(1)移相觸發回路故障,如觸發信號不對稱、單相無觸發信號等;(2)某相可控硅故障開路;(3)濾波電容器失效;(4)并聯蓄電池臨時解列更換。
  對于采用母線上間接并聯蓄電池的設計方案的直流電源成套裝置,紋波系數監測功能猶為重要。
  高頻開關電源產生的紋波由兩部分組成:一個是和頻率、輸出電容、電壓的變化率有關;另一個是和電感電流的充放電時間有關,若電容電壓變化大,開關頻率高,電感電流充放電時間變化長,紋波就大;電容電壓變化小,開關頻率低,電感電流充放電時間變化小,則紋波就小。
五、 常規的監測方式
  對紋波系數進行監測,方式有幾種:
  (1) 運行、維護人員利用示波器或數字式紋波萬用表定期人工監測母線電壓交流分量。這種監測方式簡單、不連續,適用于尚不具備紋波系數監測報警功能的直流電源系統并且直流電源系統在蓄電池臨時解列運行時,必須時刻進行人工監測。
  (2) 對直流電源成套裝置輸出電壓波形進行監測。這種監測方式直觀,但成本較高。
(  3) 直接采用紋波特性測試裝置對紋波系數進行監測報警,可通過模擬方式或數字方式獲得母線電壓峰-峰值,當紋波系數超過標準規定值時,立即報警;當紋波系數恢復到允許范圍內時,報警自動復位。自動復位功能主要是考慮干擾信號可能造成的誤判恢復而設。直流系統如有遙信功能,應將該報警信號送至上位微機,以便運行、維護人員及時處理。
 
  由于直流穩定電源一般是由交流電源經整流穩壓等環節而形成的,這就不可避免地在輸出的直流電源中多少帶有交流成份,我們把這種疊加在直流穩定量上的交流分量就稱之為紋波。不同的直流電源其紋波的產生方式也不同,其主要的紋波的成分都較為復雜,它的形態一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波,另一種則是寬度很窄的脈沖波。對于不同的場合,對紋波的要求各不一樣。對于電容器質量來說,無論是哪一種紋波,只要不是太大,一般對電容器質量不會構成影響。而對程控機電源或音響設備中所使用的電源,由于寬度很窄的脈沖沒有足夠的能量來推動喇叭的紙盆或話機的聽筒而形成雜音。因此對于這種窄脈沖的要求可以放寬。
  而對于音頻范圍內的類似正弦波的紋波信號,雖然其幅度不是太高,但其能量卻使喇叭或聽筒發生嗡嗡的雜音,因此對這種形態的紋波應有較高的要求。而對于用于一些控制的場合,由于窄脈沖達到一定的高度會干擾數字或邏輯控制部件,使設備運行的可靠性降低,因此對這種窄脈沖的幅度應有一定的限制,而對類似正弦波的紋波,一般由于其幅度較低,對控制部件的干擾不大。
  一般使用交流毫伏表來測量紋波電壓,因為交流毫伏表只對交流電壓響應,并且靈敏度比較高,可測量很小的交流電壓,而紋波往往是比較小的交流電壓。如果沒有交流毫伏表,也可使用示波器來測量。將示波器的輸入設置為交流耦合,調整Y軸增益,使波形大小合適, 讀出電壓值,即可估算出紋波電壓的大小。
六、 結論
  綜上所述,直流電源系統運行時必須對母線電壓的峰-峰值進行監測,有效實時的測量直流電源的紋波系數,對于提高繼電保護裝置和直流蓄電池的安全可靠有十分重要的意義,在直流電源成套裝置中增加紋波系數監測報警功能比較經濟、可靠。
 
 
  黃圣曄(1964.3出生),男,浙江溫州人,現從事于科技項目研究和管理工作;
  陳為志(1986.7出生),男,福建寧德人,現從事于電力輸變電設備開發和研究;
  蔣召勝(1973.2出生),男,浙江溫州人,現專業從事于電力輸變電運行管理和研究工作。

 

1作者:黃圣曄 陳為志 蔣召勝 溫州市科星電子有限公司,蒼南電力有限責任公司 來源:中國電力通信網 編輯:顧北

 

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