大直流计量检测装置的改进

株洲冶炼集团公司（以下简称为株冶公司）是我国有色行业中的一家大型冶炼企业，每年要消耗大量的直流电能，因此加强对直流用电量的检测和计量，对促进生产技术管理、提高企业经济效益具有十分重大的意义。 1 引言 一套完整的大直流计量检测装置由三部分组成： (1) 直流大电流测量装置：其作用是将一次母线上的强直流电流变换成0～1.0V的直流电压信号。 (2) 电压变换器：其作用是将正负母线0~1 000V电压信号变换成0~10V或0~1.0V的电压信号。 (3) 强电系统综合测量仪：其作用是将输入的电流信号和电压信号进行处理、运算、累计后显示六个重要的直流计量数据：瞬时电流、电压、功率和电流、电压、功率的累计值。 株冶公司铅、锌系统共有8套大直流计量装置。锌系统直流电压为0~1 000V、铅系统为0~150V，最初的直流计量电压信号是通过电缆直接把母线高电压送入综合计量仪表，在仪表内变换处理。由于直流高电压直接引入仪表，使仪表结构变得复杂，经常出现故障，可靠性较低，给维护操作人员带来触电危险。根据这种情况笔者采用了电压变换器将现场0~1 000V或0~150V的直流母线电压变换成0~1.0V的低电压信号后输入到综合测量仪，以便减少高电压给维护人员带来的伤害。 最早使用的电压变换器由两个精密绕线电阻构成，如图1所示，分压后，信号从R2处输出。 电压变换器安装在现场直流大母线旁，用一根二芯屏蔽电缆将变换器输出信号送至主控室里的综合计量仪表。综合计量仪表通过电压V/F（模数转换）电路，如图2所示，将VV信号转变为脉冲数字信号后再送至数字电路部分进行运算、累计、显示。 图2 模数转换电路原理图 采用这种电压变换器在现场使用一段时间后发现该综合计量仪表时常出现故障，其电压模数转换电路板上的V/F集成块、运放块经常损坏，使仪表计量经常出现中断，给供电运行、电解生产造成影响。根据这种现象笔者对电路进行了分析，初步判断是信号受到了外部的干扰，于是对采样来的信号进行了简单的处理，换用带隔离的电压变换器以减少信号对综合计量仪表的影响，如图3所示。 图3 电压隔离变换器工作原理图 使用这种电压隔离变换器后，综合计量仪表的电压模数转换电路的故障没有了，但电压隔离变换器却经常出现故障，其输入端的运放块和V/F集成块也经常损坏，使生产厂家不解的是这种问题在别的使用单位较少出现。 2 改进措施 针对出现的问题，笔者经过分析最后发现株冶公司整流供电机组输出的强直流电源，其正负母线的电压VE并不是对地的，正母线对地电压为1/2VE，负母线对地电压为-1/2VE，对地的零电位在负载的中间位置。例如锌系统平常正常工作时母线电压为七百多伏，此时，正负母线对地电压为正负三百五十多伏，当使用如图1那样的电压变换器后，其负母线上对地负三百五十多伏的电压就直接进入了仪表，使仪表电压模数转换电路上的元件损坏，同理，换用电压隔离变换器后，又使其分压器端的运放和V/F集成块经常损坏。 找出原因后，经过研究计算设计出了一种分压电路取代电压隔离变换器中的分压器，如图4所示。 图4 改进后的电压隔离器原理图 其中R1、R2、R3为精密绕线电阻，R1=R3， 当输入电压为1 000V时，电阻R2的中点对地电位为零，R2两端的对地不超过1.0V，对其后的电子元件无影响。经过反复试用证明可行后，于是对所有的电压隔离变换器进行改装，重新投入使用。结果发现在锌系统用的变换器又出现了如下问题：因锌系统直流母线电压高0~1 000V，平常一般都有七百多伏，变换器中的分电阻R1、R3上承受的电压就有三百五十多伏，连续工作时间一长，就有烧坏的现象。当R1或R3烧坏后，R2的中点对地电位就不为零了，而是负或正的三百多伏，使R2后的运放块和V/F集成块损坏。根据这种情况笔者又对电压变换器的电路进行了改进，如图5所示。 图5 第二次改进后的电压隔离器原理图 图中R1=R4、R2=R3， R2与R3的联接点从变换器中有端子引出来接地。这样就保证了当R1或R4损坏时，进入到分压电路后面的电压不会超过1.0V。再次改进后的电压隔离变换器经实际证明效果良好。 经过两次改进后的电压隔离变换器，解决了因株冶公司直流供电的特殊情况而造成的故障。但这种电压隔离器结构相对复杂，使用的电子元器件多，加上整流室离电解现场很近，空气中充满着酸雾、粉尘，时间一长，电压隔离变换器就易出故障。能不能把电压隔离变换器再改进一下，使该结构变得相对简单，维护方便，且能保证计量精度呢？根据以上想法笔者再次认真研究了综合计量仪表及电压隔离变换器的工作电路，认为此想法是能够实现的，综合计量仪表中有一套电压模数转换隔离电路，在保证电压分压电路输出的电压信号准确、安全可靠的情况下，可省去隔离转换器分压电路后的复杂部分，把有源变换器转变成无源变换器，这样就可以大大降低变换器的故障率，笔者对变换器又进行了简化改进，如图6所示。 图6 改进后电压变换器原理图 改进后的变换器仅由四个精密绕线电阻组成，其结构简单，变换精度高，在保证其输出信号对综合计量仪表准确、安全的同时，大大提高了可靠性，降低了成本费用，维修也变得方便了。 3 结语 通过对电压变换器由简单到复杂，再由复杂到简单合理实用的不断改进中，使电压变换器变得简单、经济、合理、实用，且维修方便。再通过对制作工艺的提高，加大电阻R1、R4的阻值和功率，使其工作可靠性大大提高，投入运行以来，该电压变换器没有再发生故障，对综合计量仪表的准确计量起到了重要的作用，效果十分显著。