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劉鐵云
株洲冶煉集團(tuán)公司（以下簡稱為株冶公司）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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)電系統(tǒng)綜合測量儀：其作用是將輸入的電流信號和電壓信號進(jìn)行處理、運(yùn)算、累計后顯示六個重要的直流計量數(shù)據(jù)：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(tǒng)共有8套大直流計量裝置。鋅系統(tǒng)直流電壓為0~1 000V、鉛系統(tǒng)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(nèi)變換處理。由于直流高電壓直接引入儀表，使儀表結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)故障，可靠性較低，給維護(hù)操作人員帶來觸電危險。根據(jù)這種情況筆者采用了電壓變換器將現(xiàn)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(hù)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(gòu)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(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)換）電路，如圖2所示，將VV信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖數(shù)字信號后再送至數(shù)字電路部分進(jìn)行運(yùn)算、累計、顯示。
圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖
采用這種電壓變換器在現(xiàn)場使用一段時間后發(fā)現(xiàn)該綜合計量儀表時常出現(xiàn)故障，其電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板上的V/F集成塊、運(yùn)放塊經(jīng)常損壞，使儀表計量經(jīng)常出現(xiàn)中斷，給供電運(yùn)行、電解生產(chǎn)造成影響。根據(jù)這種現(xiàn)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，于是對采樣來的信號進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換電路的故障沒有了，但電壓隔離變換器卻經(jīng)常出現(xiàn)故障，其輸入端的運(yùn)放塊和V/F集成塊也經(jīng)常損壞，使生產(chǎn)廠家不解的是這種問題在別的使用單位較少出現(xiàn)。
2 改進(jìn)措施
針對出現(xiàn)的問題，筆者經(jīng)過分析最后發(fā)現(xiàn)株冶公司整流供電機(jī)組輸出的強(qiáng)直流電源，其正負(fù)母線的電壓VE并不是對地的，正母線對地電壓為1/2VE，負(fù)母線對地電壓為-1/2VE，對地的零電位在負(fù)載的中間位置。例如鋅系統(tǒng)平常正常工作時母線電壓為七百多伏，此時，正負(fù)母線對地電壓為正負(fù)三百五十多伏，當(dāng)使用如圖1那樣的電壓變換器后，其負(fù)母線上對地負(fù)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(shù)轉(zhuǎn)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(yùn)放和V/F集成塊經(jīng)常損壞。
找出原因后，經(jīng)過研究計算設(shè)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為精密繞線電阻，R1=R3，
當(dāng)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(jīng)過反復(fù)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(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋅系統(tǒng)用的變換器又出現(xiàn)了如下問題：因鋅系統(tǒng)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(xù)工作時間一長，就有燒壞的現(xiàn)象。當(dāng)R1或R3燒壞后，R2的中點對地電位就不為零了，而是負(fù)或正的三百多伏，使R2后的運(yùn)放塊和V/F集成塊損壞。根據(jù)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)接點從變換器中有端子引出來接地。這樣就保證了當(dāng)R1或R4損壞時，進(jìn)入到分壓電路后面的電壓不會超過1.0V。再次改進(jìn)后的電壓隔離變換器經(jīng)實際證明效果良好。
經(jīng)過兩次改進(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(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，使用的電子元器件多，加上整流室離電解現(xiàn)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(jìn)一下，使該結(jié)構(gòu)變得相對簡單，維護(hù)方便，且能保證計量精度呢？根據(jù)以上想法筆者再次認(rèn)真研究了綜合計量儀表及電壓隔離變換器的工作電路，認(rèn)為此想法是能夠?qū)崿F(xiàn)的，綜合計量儀表中有一套電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換隔離電路，在保證電壓分壓電路輸出的電壓信號準(zhǔn)確、安全可靠的情況下，可省去隔離轉(zhuǎn)換器分壓電路后的復(fù)雜部分，把有源變換器轉(zhuǎn)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(jìn)行了簡化改進(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精密繞線電阻組成，其結(jié)構(gòu)簡單，變換精度高，在保證其輸出信號對綜合計量儀表準(zhǔn)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(jié)語
通過對電壓變換器由簡單到復(fù)雜，再由復(fù)雜到簡單合理實用的不斷改進(jìn)中，使電壓變換器變得簡單、經(jīng)濟(jì)、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(yùn)行以來，該電壓變換器沒有再發(fā)生故障，對綜合計量儀表的準(zhǔn)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