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劉鐵云
株洲冶煉集團公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為株冶公司）是我國有色行業(yè)中的一家大型冶煉企業(yè)，每年要消耗大量的直流電能，因此加強對直流用電量的檢測和計量，對促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)管理、提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有十分重大的意義。
1 引言
一套完整的大直流計量檢測裝置由三部分組成：
(1) 直流大電流測量裝置：其作用是將一次母線(xiàn)上的強直流電流變換成0～1.0V的直流電壓信號。
(2) 電壓變換器：其作用是將正負母線(xiàn)0~1 000V電壓信號變換成0~10V或0~1.0V的電壓信號。
(3) 強電系統綜合測量?jì)x：其作用是將輸入的電流信號和電壓信號進(jìn)行處理、運算、累計后顯示六個(gè)重要的直流計量數據：瞬時(shí)電流、電壓、功率和電流、電壓、功率的累計值。
株冶公司鉛、鋅系統共有8套大直流計量裝置。鋅系統直流電壓為0~1 000V、鉛系統為0~150V，最初的直流計量電壓信號是通過(guò)電纜直接把母線(xiàn)高電壓送入綜合計量?jì)x表，在儀表內變換處理。由于直流高電壓直接引入儀表，使儀表結構變得復雜，經(jīng)常出現故障，可靠性較低，給維護操作人員帶來(lái)觸電危險。根據這種情況筆者采用了電壓變換器將現場(chǎng)0~1 000V或0~150V的直流母線(xiàn)電壓變換成0~1.0V的低電壓信號后輸入到綜合測量?jì)x，以便減少高電壓給維護人員帶來(lái)的傷害。
最早使用的電壓變換器由兩個(gè)精密繞線(xiàn)電阻構成，如圖1所示，分壓后，信號從R2處輸出。
電壓變換器安裝在現場(chǎng)直流大母線(xiàn)旁，用一根二芯屏蔽電纜將變換器輸出信號送至主控室里的綜合計量?jì)x表。綜合計量?jì)x表通過(guò)電壓V/F（模數轉換）電路，如圖2所示，將VV信號轉變?yōu)槊}沖數字信號后再送至數字電路部分進(jìn)行運算、累計、顯示。
圖2 模數轉換電路原理圖
采用這種電壓變換器在現場(chǎng)使用一段時(shí)間后發(fā)現該綜合計量?jì)x表時(shí)常出現故障，其電壓模數轉換電路板上的V/F集成塊、運放塊經(jīng)常損壞，使儀表計量經(jīng)常出現中斷，給供電運行、電解生產(chǎn)造成影響。根據這種現象筆者對電路進(jìn)行了分析，初步判斷是信號受到了外部的干擾，于是對采樣來(lái)的信號進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，換用帶隔離的電壓變換器以減少信號對綜合計量?jì)x表的影響，如圖3所示。
圖3 電壓隔離變換器工作原理圖
使用這種電壓隔離變換器后，綜合計量?jì)x表的電壓模數轉換電路的故障沒(méi)有了，但電壓隔離變換器卻經(jīng)常出現故障，其輸入端的運放塊和V/F集成塊也經(jīng)常損壞，使生產(chǎn)廠(chǎng)家不解的是這種問(wèn)題在別的使用單位較少出現。
2 改進(jìn)措施
針對出現的問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)分析最后發(fā)現株冶公司整流供電機組輸出的強直流電源，其正負母線(xiàn)的電壓VE并不是對地的，正母線(xiàn)對地電壓為1/2VE，負母線(xiàn)對地電壓為-1/2VE，對地的零電位在負載的中間位置。例如鋅系統平常正常工作時(shí)母線(xiàn)電壓為七百多伏，此時(shí)，正負母線(xiàn)對地電壓為正負三百五十多伏，當使用如圖1那樣的電壓變換器后，其負母線(xiàn)上對地負三百五十多伏的電壓就直接進(jìn)入了儀表，使儀表電壓模數轉換電路上的元件損壞，同理，換用電壓隔離變換器后，又使其分壓器端的運放和V/F集成塊經(jīng)常損壞。
找出原因后，經(jīng)過(guò)研究計算設計出了一種分壓電路取代電壓隔離變換器中的分壓器，如圖4所示。
圖4 改進(jìn)后的電壓隔離器原理圖
其中R1、R2、R3為精密繞線(xiàn)電阻，R1=R3，
當輸入電壓為1 000V時(shí)，電阻R2的中點(diǎn)對地電位為零，R2兩端的對地不超過(guò)1.0V，對其后的電子元件無(wú)影響。經(jīng)過(guò)反復試用證明可行后，于是對所有的電壓隔離變換器進(jìn)行改裝，重新投入使用。結果發(fā)現在鋅系統用的變換器又出現了如下問(wèn)題：因鋅系統直流母線(xiàn)電壓高0~1 000V，平常一般都有七百多伏，變換器中的分電阻R1、R3上承受的電壓就有三百五十多伏，連續工作時(shí)間一長(cháng)，就有燒壞的現象。當R1或R3燒壞后，R2的中點(diǎn)對地電位就不為零了，而是負或正的三百多伏，使R2后的運放塊和V/F集成塊損壞。根據這種情況筆者又對電壓變換器的電路進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5所示。
圖5 第二次改進(jìn)后的電壓隔離器原理圖
圖中R1=R4、R2=R3，
R2與R3的聯(lián)接點(diǎn)從變換器中有端子引出來(lái)接地。這樣就保證了當R1或R4損壞時(shí)，進(jìn)入到分壓電路后面的電壓不會(huì )超過(guò)1.0V。再次改進(jìn)后的電壓隔離變換器經(jīng)實(shí)際證明效果良好。
經(jīng)過(guò)兩次改進(jìn)后的電壓隔離變換器，解決了因株冶公司直流供電的特殊情況而造成的故障。但這種電壓隔離器結構相對復雜，使用的電子元器件多，加上整流室離電解現場(chǎng)很近，空氣中充滿(mǎn)著(zhù)酸霧、粉塵，時(shí)間一長(cháng)，電壓隔離變換器就易出故障。能不能把電壓隔離變換器再改進(jìn)一下，使該結構變得相對簡(jiǎn)單，維護方便，且能保證計量精度呢？根據以上想法筆者再次認真研究了綜合計量?jì)x表及電壓隔離變換器的工作電路，認為此想法是能夠實(shí)現的，綜合計量?jì)x表中有一套電壓模數轉換隔離電路，在保證電壓分壓電路輸出的電壓信號準確、安全可靠的情況下，可省去隔離轉換器分壓電路后的復雜部分，把有源變換器轉變成無(wú)源變換器，這樣就可以大大降低變換器的故障率，筆者對變換器又進(jìn)行了簡(jiǎn)化改進(jìn)，如圖6所示。
圖6 改進(jìn)后電壓變換器原理圖
改進(jìn)后的變換器僅由四個(gè)精密繞線(xiàn)電阻組成，其結構簡(jiǎn)單，變換精度高，在保證其輸出信號對綜合計量?jì)x表準確、安全的同時(shí)，大大提高了可靠性，降低了成本費用，維修也變得方便了。
3 結語(yǔ)
通過(guò)對電壓變換器由簡(jiǎn)單到復雜，再由復雜到簡(jiǎn)單合理實(shí)用的不斷改進(jìn)中，使電壓變換器變得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、合理、實(shí)用，且維修方便。再通過(guò)對制作工藝的提高，加大電阻R1、R4的阻值和功率，使其工作可靠性大大提高，投入運行以來(lái)，該電壓變換器沒(méi)有再發(fā)生故障，對綜合計量?jì)x表的準確計量起到了重要的作用，效果十分顯著(zhù)。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號