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劉鐵云
株洲冶煉集團公司（以下簡稱為株冶公司）是我國有色行業中的一家大型冶煉企業，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，對促進生產技術管理、提高企業經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) 強電系統綜合測量儀：其作用是將輸入的電流信號和電壓信號進行處理、運算、累計后顯示六個重要的直流計量數據：瞬時電流、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電纜直接把母線高電壓送入綜合計量儀表，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，經常出現故障，可靠性較低，給維護操作人員帶來觸電危險。根據這種情況筆者采用了電壓變換器將現場0~1 000V或0~150V的直流母線電壓變換成0~1.0V的低電壓信號后輸入到綜合測量儀，以便減少高電壓給維護人員帶來的傷害。
最早使用的電壓變換器由兩個精密繞線電阻構成，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直流大母線旁，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儀表。綜合計量儀表通過電壓V/F（模數轉換）電路，如圖2所示，將VV信號轉變為脈沖數字信號后再送至數字電路部分進行運算、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使用一段時間后發現該綜合計量儀表時常出現故障，其電壓模數轉換電路板上的V/F集成塊、運放塊經常損壞，使儀表計量經常出現中斷，給供電運行、電解生產造成影響。根據這種現象筆者對電路進行了分析，初步判斷是信號受到了外部的干擾，于是對采樣來的信號進行了簡單的處理，換用帶隔離的電壓變換器以減少信號對綜合計量儀表的影響，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，綜合計量儀表的電壓模數轉換電路的故障沒有了，但電壓隔離變換器卻經常出現故障，其輸入端的運放塊和V/F集成塊也經常損壞，使生產廠家不解的是這種問題在別的使用單位較少出現。
2 改進措施
針對出現的問題，筆者經過分析最后發現株冶公司整流供電機組輸出的強直流電源，其正負母線的電壓VE并不是對地的，正母線對地電壓為1/2VE，負母線對地電壓為-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母線電壓為七百多伏，此時，正負母線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，其負母線上對地負三百五十多伏的電壓就直接進入了儀表，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集成塊經常損壞。
找出原因后，經過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 改進后的電壓隔離器原理圖
其中R1、R2、R3為精密繞線電阻，R1=R3，
當輸入電壓為1 000V時，電阻R2的中點對地電位為零，R2兩端的對地不超過1.0V，對其后的電子元件無影響。經過反復試用證明可行后，于是對所有的電壓隔離變換器進行改裝，重新投入使用。結果發現在鋅系統用的變換器又出現了如下問題：因鋅系統直流母線電壓高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，連續工作時間一長，就有燒壞的現象。當R1或R3燒壞后，R2的中點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行了改進，如圖5所示。
圖5 第二次改進后的電壓隔離器原理圖
圖中R1=R4、R2=R3，
R2與R3的聯接點從變換器中有端子引出來接地。這樣就保證了當R1或R4損壞時，進入到分壓電路后面的電壓不會超過1.0V。再次改進后的電壓隔離變換器經實際證明效果良好。
經過兩次改進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很近，空氣中充滿著酸霧、粉塵，時間一長，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一下，使該結構變得相對簡單，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儀表及電壓隔離變換器的工作電路，認為此想法是能夠實現的，綜合計量儀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，筆者對變換器又進行了簡化改進，如圖6所示。
圖6 改進后電壓變換器原理圖
改進后的變換器僅由四個精密繞線電阻組成，其結構簡單，變換精度高，在保證其輸出信號對綜合計量儀表準確、安全的同時，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
通過對電壓變換器由簡單到復雜，再由復雜到簡單合理實用的不斷改進中，使電壓變換器變得簡單、經濟、合理、實用，且維修方便。再通過對制作工藝的提高，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，該電壓變換器沒有再發生故障，對綜合計量儀表的準確計量起到了重要的作用，效果十分顯著。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號