謝國政，趙榮浩，趙 磊

（1. 昆明電器科學研究所，昆明 650221； 2. 昆明高海拔電器檢測有限公司，昆明 650221）

概述

對電工產品進行短時耐受強度試驗是IEC標準、國家標準的重要內容，也是國家強制性產品認證(CCC認證)的主要試驗項目，如GB 14048.2-2008《低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》等標準均對短時耐受強度試驗內容進行了具體規(guī)定。GB/T 20645-2006 《特殊環(huán)境條件 高原用低壓電器技術要求》定義了高原型產品類別，自標準發(fā)布實施以來，國內企業(yè)和跨國公司紛紛投資開發(fā)高原型電工產品。但受當時國內缺乏相應試驗能力限制，在檢測項目中未對高原型產品的短路試驗要求做出具體規(guī)定。另外即將實施的低壓成套開關設備產品標準規(guī)定對于安裝場地海拔超過2000m使用的設備，“要考慮介電強度的降低，器件的分斷能力和空氣冷卻效果的減弱”[1]。但由于我國相關的檢測機構均在1000m及以下地區(qū)，在產品型式試驗過程中，許多產品并沒有經(jīng)過2000m條件下的短時耐受電流試驗，而是采用外推方法確定。GB/T 22580-2008 《特殊環(huán)境條件 高原電氣設備技術要求 低壓成套開關設備和控制設備》對低壓成套開關設備的高原環(huán)境試驗提出了“對短路強度值進行修正”的要求，但“修正系數(shù)待定”。因此，提升電器產品短時耐受強度試驗能力，不僅是產品質量監(jiān)督檢測部門十分關注的事，也是制造部門改進產品設計，提高產品質量，滿足市場高原特色電工產品需求的要求。

1 模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室建設

高原電器產品短時耐受強度試驗室由模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室、短時耐受強度試驗系統(tǒng)組成。為了實現(xiàn)高海拔環(huán)境條件下的大容量電器產品短時耐受強度試驗，新建了工作空間為Φ10.5m *10m、有效容積約865m3的圓柱型大型人工氣候室。氣候室采用內保溫外承壓結構，應用新型保溫材料，大大提高氣候室的降溫速度和致冷效率，縮短試驗時間，減少能耗。氣候室配備的加熱、制冷、真空系統(tǒng)機組滿足標準JB/T 11654-2013《模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室技術條件》的要求，見表1[2]。

氣候室采用高效率制冷機組實現(xiàn)低溫制冷，最低溫度為-40℃。采用水汽噴霧加濕器調節(jié)濕度，濕度調節(jié)范圍為50%RH～95%RH；采用的真空系統(tǒng)滿足壓力調節(jié)范圍79.5kPa～42.0kPa（對應海拔2000m～7000m）的要求。氣候室可進行單參數(shù)調節(jié)或多參數(shù)調節(jié)，參數(shù)調節(jié)范圍符合國家標準GB/T 14597-2010《電工產品不同海拔的氣候環(huán)境條件》規(guī)定。為開展模擬高原環(huán)境條件下的電工設備短時耐受強度試驗提供支撐條件。

氣候室其它性能包括：

1）在參數(shù)穩(wěn)定期間，罐體工作空間內風速控制在0.5m/s或可調。

2）控制系統(tǒng)可采取手動/自動兩種控制方式運行。實現(xiàn)氣候參數(shù)的實時自動記錄，故障報警等功能，確保采集的試驗數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定可靠。

3）罐體周圍均勻設置具有防水、防霧功能的6個人工觀察窗，罐體內設置遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)試品狀態(tài)的360°監(jiān)控。

表1 人工氣候室工作空間性能參數(shù)

4）采用120mm *10mm銅母線將試驗電流引入/出罐體。要求線路用銅母線的電阻率ρ≤0.01700Ω.mm2/m（20℃），高于標準規(guī)定銅母線電阻率ρ≤0.01777Ω.mm2/m（20℃）要求。并考慮瞬時的電動力對母線進出口的密封以及低溫試驗時冷橋等因素的影響；設置400V、10A低壓試驗控制端子100個，便于控制線和信號線引入/出。

5）氣候室門能進出110kV高壓開關設備、35kV箱變等試品；穿墻套管的開孔尺寸φ900mm，可進行110kV等級外絕緣試驗；氣候室還設置了試品進出罐體的軌道和工作空間內的起吊設備。

6）整機噪聲≤85dB（A）。

2 試驗主回路系統(tǒng)設計及設備選型

短時耐受強度試驗系統(tǒng)由沖擊變壓器、阻抗系統(tǒng)、多磁路變壓器系統(tǒng)、調壓器、磁路轉換系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。通過對強電流試驗系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)研究，采用沖擊變壓器及其阻抗系統(tǒng)、多磁路變壓器系統(tǒng)構成的電流平滑調節(jié)裝置，可滿足不同容量電器產品的短時耐受強度試驗，動作符合性校正和動熱穩(wěn)定試驗的要求。

為了能確保產生規(guī)定的短路試驗電流，系統(tǒng)采用了960kVA沖擊試驗變壓器。該變壓器初級電壓為35kV，次級電壓為0.21～1.14 kV可調，其它參數(shù)見表2。它具有短路阻抗小，輸出短路容量大；動態(tài)穩(wěn)定性好，耐沖擊能力高；輸出電壓調節(jié)范圍廣等特點。

制造大功率、大電流范圍平滑調節(jié)裝置的傳統(tǒng)方法有調壓器與大電流變壓器的組合、晶閘管調壓和磁性調壓等幾種模式。若采用調壓器，則存在體積龐大、造價高、壓降大和過載能力低等問題；而采用其他兩種方式則可能在試驗系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波、干擾試驗及電網(wǎng)等問題。本項目采用的多磁路變壓器是由6個不等容量的磁路W1、W2、W3、W4、W5、W6組合而成，其中W2作為調節(jié)磁路以便對輸出電壓進行細調。多磁路變壓器一次側額定電壓為380V，通過一次側繞組的投入或短接，可選擇投入的磁路。二次側繞組額定輸出電壓分別為3V、6V、12V，當二次繞組全部并聯(lián)時，額定輸出電流為20kA，短時(1S)最大電流為80kA。二次繞組也可通過不同的串并聯(lián)獲得多種電壓值。各磁路的投入和短接采用無電源條件下手動操作刀開關的方式進行轉換。多磁路變壓器參數(shù)見表3。

表2 沖擊試驗變壓器主要技術參數(shù)

調壓繞組配容量為60kVA的自耦調壓器，次級繞組調壓范圍0～400V，調壓器的短時(1min)容量為422kVA，在就地及遠方均可調壓。

多磁路變壓器作為一種低電壓、大電流發(fā)生裝置具有以下優(yōu)點：

1）采用容量較小的調壓器即可實現(xiàn)大容量范圍內的連續(xù)調節(jié)，其調壓容量與范圍均可獲得幾倍的擴大。

2）由于多磁路變壓器的輸出能量直接來自電網(wǎng)、輸入電流波形正弦性良好、輸出電流波形無明顯的畸變，滿足試驗的要求。

3）因為是1：5的調壓方案，故設備投入運行后效率高，損耗小。

4）配套設備簡單，調節(jié)與控制方便。

本試驗室距離110kV變電所400m，為減小試驗對電網(wǎng)的影響，采用35kV電壓等級獨立間隔進線。經(jīng)計算，低壓側在420V 100kA時，35kV側瞬間電流只有3540A，對電壓影響約10%。試驗表明試驗時反應到高壓側的電流較小，對電網(wǎng)沖擊和電網(wǎng)電壓影響都較小。

3 測量控制系統(tǒng)設計及設備選型

由于試驗的不可重復性或重復試驗的成本過高，因此試驗數(shù)據(jù)的適時高精度采集、試驗時間的高精度控制及試驗過程的連鎖順序控制是測量控制系統(tǒng)的關鍵。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電壓電流傳感器（分壓器、羅氏線圈等）、數(shù)據(jù)采集卡(二級分壓器，積分器，絕緣放大、信號調理)、上位工控機、數(shù)采主機、打印機、數(shù)據(jù)采集軟件等組成，以實現(xiàn)試驗過程中電流、電壓的采集及試驗數(shù)據(jù)處理、圖形化顯示與記錄。電流測量采用羅氏線圈，電流的輸入范圍大，無飽和；響應時間可以達到μS級別；頻寬范圍可以達到20kHz以上，輸入波形復雜程度不受限制；輸出的線性度達到0.2%，可以精確的反映輸入信號的大??；傳感器整體精度在1%以內；在相同輸入量程的條件下，相比傳統(tǒng)的互感器體積更小，重量更輕。

由于氣候室罐體內大電流條件下磁場分布較復雜，且溫度低，溫差大，使用羅氏線圈測量電流可能難以保證測試精度，故采用了將測試線圈沿試驗回路移出到罐體外進行電流測量的方法。

為保證數(shù)據(jù)采集速度和靈敏度，本項目選用12通道（3路備用），采樣頻率200kHz，并自帶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)采集卡，同時采集3路試驗電源電壓(Uab，Ubc，Uca)，3路試品斷口電壓(UAa，UBb，UCc)，3路試品電流(Ia，Ib，Ic)。采集卡配有線性度好的絕緣放大器和信號調理電路，再由測量軟件進行參量分析等后期數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖見圖1。

試驗室試驗控制系統(tǒng)由可編程序控制器(PLC)、上位計算機及監(jiān)控軟件、安全連鎖系統(tǒng)等組成[3]。PLC選用ModiconTSX Premium 系列產品，通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)與監(jiān)控計算機交換信息。PLC負責采集試驗用選擇開關、設備單機控制開關、斷路器、合閘開關、接地開關、試品及各個試驗房間門狀態(tài)、各設備的準備就緒信號。這些信號與PLC系統(tǒng)的信息交換均為無源接點。在時間精度要求50ms以上時，可通過PLC來控制試驗過程的時序。對時間精度要求高的試驗，則采用美國Nicolet公司生產的可編程時序控制器來完成時序控制功能，其時間精度為±2ms。

表3 多磁路變壓器主要參數(shù)表

上位監(jiān)控軟件基于CitectSCADA開發(fā)，具有友好的人機界面，支持多種標準的通信方式及網(wǎng)絡通信協(xié)議，便于各種控制設備、儀表引入系統(tǒng)。試驗員可以通過鼠標選擇試驗方式、試驗類型、開關動作順序等操作。監(jiān)控軟件主要功能有：

1）通過人機界面設定試驗參數(shù)，包括試品型式、試驗類型、試品位置、試驗線路、通電時間和試驗循環(huán)次數(shù)等等。

2）控制試驗啟停。

3）檢查試驗設備之間的安全連鎖，滿足必要安全連鎖條件下才能進入試驗程序。

4）檢查試驗設備的準備狀態(tài)，確保系統(tǒng)中各設備正常時才啟動試驗。如果任何一個狀態(tài)不正常，則PLC將終止運行，并顯示故障信息。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

圖2 試驗控制軟件構造圖

圖3 試驗控制流程框圖

5）顯示終端顯示通道輸出開始時間、輸出持續(xù)時間等參數(shù)及設備的正常狀態(tài)、試驗狀態(tài)、異常狀態(tài)、安全連鎖狀態(tài)等信息。

6）輸出聲光報警信號，記錄試驗參數(shù)，儲存試驗波形。

試驗控制軟件構造圖見圖2。試驗控制主流程框圖見圖3。

系統(tǒng)設置了多重安全連鎖保護。除上位軟件進行連鎖外，還設計有外部硬件線路連鎖、門控安全鎖、時間電流單元等保護環(huán)節(jié)，用于試驗過程的人員和設備的保護，確保試驗室安全、可靠運行。

4 結語

通過系統(tǒng)調試和實際運行試驗，試驗室達到以下試驗能力：

1）短時耐受電流試驗：試驗電流80kA，3相，1S。

2）斷路器電壽命試驗能力：三相試驗電壓420V，試驗電流4000A，功率因數(shù)0.8；三相試驗電壓690V，試驗電流2500A，功率因數(shù)0.8。

3）斷路器6倍過載能力試驗：滿足額定電壓420V，額定電流630A產品的試驗要求。

4）直流接觸器接通分斷能力試驗：試驗電壓0～250V可調，試驗電流3000A，T=25ms 。

試驗室的試驗能力通過了中國合格評定國家認可委員會實驗室認可并獲得相關認可證書，同時成為國家認證認可監(jiān)督委員會低壓電器強制性產品認證（CCC認證）指定實驗室，彌補了我國該項試驗能力方面的空白。

[1]GB 7251.1-2013/IEC 61439-1:2011,低壓成套開關設備和控制設備第1 部分 總則[S].

[2]JB/T 11654-2013, 模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室技術條件[S].

[3]魏智勇,張勇.低壓電器試驗監(jiān)控系統(tǒng)設計與通用監(jiān)控平臺開發(fā)[J].低壓電器, 2009,5(5):54-56.