专利名称：直流断路器特性参数自动测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型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，其使用寿命大大縮短。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。
实用新型内容本实用新型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。 本新型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B^B2的两个初级线圈两端，高频变压器4个次级线圈 116、 118、 16、 13的一端分别串联一个电阻后接于四个开关管V K、 V2、 V1Q的控制端，116另一 端、V9另一端和K 一端接于一点，13另一端、V2另一端和V1Q —端接于一点，K另一端和V18 另一端以及V1Q另一端和16另一端均接于180V 450V直流电负输入端，V9 —端和V2 —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。[0012] 本实用新型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。
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l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P丽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P丽控制电路
或报警停止电路时，使P丽电路停止输出，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Ue—工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—i ， U17为运放OP-07, U6—i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 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-P丽) 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，本新型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B^B2的两个初级线圈两端，高频变压器4个次级线圈 116、 118、 16、 13的一端分别串联一个电阻后接于四个开关管V K、 V2、 V1Q的控制端，116另一 端、V9另一端和K 一端接于一点，13另一端、V2另一端和V1Q —端接于一点，K另一端和V18 另一端以及V1Q另一端和16另一端均接于180V 450V直流电负输入端，V9 —端和V2 —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D工负极，D33负极和D7负极均接于电感线圈I4 一端，D工正极 和D34正极均接于电阻R8 —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&。 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—工后接于运算放大器U7—工的正输入端』7—i的 输出端接二极管D6正极，D6负极接于UC3875的4脚。运算放大器U17、 U5和U7—工型号均为 0P-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(如新型三段 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DCO 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DCO 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(如新型三段式)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
权利要求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D工负极，033负极和D7负极均接于电感线圈I4 一端，D工正极和D34正极均接于电 阻R8 —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^。
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U『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—工后接于运算放大器U7—工的正输入端，U7—工的输出端接二极管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，其特征是所述运算放大 器U17、 U5和U7—!型号均为0P-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。
专利摘要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。
文档编号G01R31/327GK201540354SQ20092007982
公开日2010年8月4日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者丁丹一, 曹永兴, 李晶, 胡灿, 陈贤顺 申请人:四川电力试验研究院