6kA高稳定度直流电流源技术研究

摘 要：本文结合当前直流输电系统全面推广的背景，基于现场校准的试验的研究热点下，分析了直流电流互感器现状，并提出了6kA高稳定度直流电流源的工作原理以及部件组成，旨在更好的推动高压直流电流互感器的现场校准，提升电网运行稳定性和安全性。

关键词：6kA高稳定度直流电流源；工作原理；部件组成

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.157

高压直流輸电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。目前在直流大电流精确测量方面的研究，国内外都在开展，但由于实际操作过程中，部分的直流电流互感器经常性会发生测量不准确等现象，使得继电保护以及电能计量等相关工作均受到了影响，从而引起通道间数据差异较大、输出零点过大等问题，为此，对其进行现场校准的试验成为了研究热点[1]。直流电流互感器的误差校准核心在于容量大、稳定度高的直流恒流源，研究对高压直流电流互感器进行校准的6kA高稳定度直流电流源十分必要。

1 直流电流互感器现状

在对直流大电流进行测量时，饱和电抗式直流电流传感器、分流器法、直流电流比较仪以及霍尔直流传感器等均是较常应用的方法，在超/特高压换流站中，直流互感器在其中占据了非常重要的作用，当前国内所采用的直流输电系统，普遍来自于Siemens公司（德国）、ABB公司（瑞典）以及Hitech公司（荷兰）等。就当前实际情况来看，部分的直流电流互感器经常性会发生测量不准确等现象，使得继电保护以及电能计量等相关工作均受到了影响，从而引起通道间数据差异较大、输出零点过大等问题。

以往因受限于试验条件匮乏、缺乏相关监督规程和技术标准等原因的影响，针对直流电流互感器的现场校准，通常对其实施出厂校准，关于其投运前和运行期间均未采取相应的试验和校准，现场注流也往往只能够在10%的额定电流环境下开展，从而很难非常准确的掌握直流电流互感器的实际运行情况。同时也缺乏具有较高准确性、操作简单方便的现场全量程范围内的校准仪器。在时代发展的影响下，直流输电的应用范围不断扩大，其使用也更加广泛，也促进直流电流互感器的误差检测技术不断发展，直流电流互感器检测的行业标准、检定规程都在编制中。2018年6月1日即将实行DL/T1788-2017《高压直流互感器现场校验规范》，所以对于直流电流互感器按规范进行校验迫在眉睫[2]。

2 6kA高稳定度直流电流源的工作原理

基本工作原理：当设备供电时，变压器将交流电压380V变压为符合整流需要的交流电压10V，整流器把交流电压整流成单向脉动的电压，滤波稳压电路通过电容和稳压器将整流出的电压滤波稳压成直流输出，单片机在对基准电压进行调节输出的过程中，通过对功率放大电路进行控制，使其向负载输出的电流得到更好的控制，并且借助串流回路的直流电流对比仪器来实现对输出电流信号的采集，运用误差放大器来实现对基准信号与电压信号的相互比较放大，同时在放大后及时对偏差给予校正补偿，从而确保输出电力能够控制在给定范围内，当设备有故障时单片机调动故障保护程序，停止执行并报警。

3 6kA高稳定度直流电流源的部件组成及介绍

3.1 基准电路

恒流源的幅值调节在本项目中采用的是美国BURR-BROWN公司生产的16位高速数/模转换芯片DAC702KH作为主控调节直流基准电压，双级性输出±10V，最大增益温度漂移为10ppm，最大非线性误差±0.0015%。它作为主控调节的基准电压，该芯片具有低增益漂移小和高精度等优点。DAC702芯片是双级性输出±10V，通过多次实验测试，在研制中当基准电压为6V，此时最高调节细度为0.005%，而此调节细度在量程低端（10%）将下降为0.05%。设置了粗、中、细3档调节，分别为满度的1%、0.1%、0.01%；更细的调节通过回路中的精密多圈电位器（10圈）实现，范围为3%。

3.2 直流电流比较仪电路

恒流源的采样环节是本项目研制的难点。在环节用电阻采样过程中，传统的采样方法非常容易因电阻耗散温升而导致不稳定性，而电阻采样稳定性<10-4数量级，要想达到更高的精度和稳定度则几乎不可能。所以，要想达到更高的稳定度，在采样环节使用磁调制式直流电流比较仪，它是一种高精度的电流检测装置，其转换精度可达到10-5～10-6数量级。

3.3 直流反馈电路

恒流源的反馈信号是由直流电流比较仪采样输出的信号，将其与反馈信号Uf进行对比，即可获得电压信号Vs，即通过DAC702HK芯片来获得一个具有较高精度的基准电压。为此，可将U3视为一个对比放大器，并通过可调直流基准电压信号Vs与反馈信号Uf在G点做对比后的和来表示。因两者本身表现为极性相反，故当其大小一致时就会两两抵消，并不会给功放单元造成较大的影响，可更好的实现对输出直流电流的稳定。

3.4 功放电路

功率放大电路也是该课题研制的难点，设备要求输出400A大电流。功率放大使得工作电流、电压也会随之增大，从而使得功率也相应的增加，使得功率管出现较为严重的发热现象，容易损害，所以，选用耐压较高的达林顿管（MJ11032G）作为功率放大器件，同时除了采用并联管以扩大输出电流并采用铝板散热片和风洞式一体化散热器进行散热，在实际电路中，通常会要求放大电路的输出级（即末级）输出一定的功率，以此来驱动负载。

3.5 供电电源电路

恒流源所需要电压主要为四部分：5V、15V、10V、30V。其中，5V为显示模块提供电压，15V为控制电路提供电压，10V为功率三极管输出400A档提供电压，30V为功率三极管输出100A档提供电压，档位切换通过直流接触器控制。为了能够达到更稳定的信号，可运用桥式整流电流电容来实施滤波处理。

4 结论

本项目通过研究和分析，搭建试验模型和仿真计算，尽可能减小纹波，提高电源输出的稳定性，增大电源输出容量。经验证，结果符合预期。本项目设计的恒流源能为超/特高压直流换流站直流电流互感器现场校准提供容量大、稳定度高的直流恒流电源，为准确校验现场互感器提供助力。

参考文献：

[1]占清，朱自科，陈勇等.超高稳定度大直流恒流源的设计[J].电子器件，2017，40（03）：607-611.

[2]李亚维，谢敏，蓝欣等.200kV低纹波高稳定度直流高压电源[J].强激光与粒子束，2016，28（01）：120-124.

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