郭成功 ，羅 園 ，陳澤宇 ，張旭鋒

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；

2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018）

1 引言

開關(guān)電器試驗(yàn)既是伴隨電器產(chǎn)品研究、設(shè)計(jì)全過程不可缺少的手段，又是對電器產(chǎn)品性能的最終驗(yàn)證。因此，國內(nèi)外的電器行業(yè)對電器試驗(yàn)十分重視。無論是對試驗(yàn)成功與否的判定還是對產(chǎn)品性能的評價(jià)都依賴于測試系統(tǒng)所提供的試驗(yàn)結(jié)果。由于電器試驗(yàn)的特殊性，特別是開關(guān)電器的試驗(yàn)，需要高速實(shí)時(shí)記錄電壓電流等多維訊號，對提高測量的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)量等方面都提出了很高的要求。

2 開關(guān)電器強(qiáng)電流試驗(yàn)對測試系統(tǒng)的要求

2.1 可靠性要求高

開關(guān)電器的分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)，不僅所用的設(shè)備復(fù)雜，投入人員多，同時(shí)由于熄弧過程是涉及電氣、熱能傳導(dǎo)、機(jī)械傳動等諸多因素的復(fù)雜過程，試品開斷能力有明顯的累積效應(yīng)，因而任何一次開斷試驗(yàn)是無法復(fù)現(xiàn)的，故測試系統(tǒng)必須要準(zhǔn)確無誤的捕捉到所有訊號，并可靠地記錄試驗(yàn)過程的全部數(shù)據(jù)，特別在新產(chǎn)品的研制過程中，常常耗資很大，而在試驗(yàn)過程中還可能發(fā)生爆炸等結(jié)果，如果因?yàn)闇y試系統(tǒng)的故障或工作不可靠而影響數(shù)據(jù)記錄，損失是難以估量的。

2.2 待測的訊號多，數(shù)據(jù)量大

開關(guān)電器的分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)不僅要求記錄通道數(shù)多，且電器產(chǎn)品的種類多、試驗(yàn)項(xiàng)目多，有的記錄時(shí)間長。例如熔斷器的小電流分?jǐn)?、斷路器的過載分?jǐn)?、重合閘試驗(yàn)，以及不同產(chǎn)品規(guī)定開斷后的保持電壓時(shí)間，而其中的瞬態(tài)恢復(fù)電壓等信號的頻響高，這就對測試系統(tǒng)的配置和能力提出了有別于一般測試系統(tǒng)的更高要求。

2.3 強(qiáng)電磁干擾嚴(yán)重

分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)中，短路電流有時(shí)可高達(dá)上百kA，高電壓開關(guān)的試驗(yàn)電壓可高達(dá)數(shù)百kV，電磁干擾嚴(yán)重，特別是在試品開斷過程中突發(fā)閃絡(luò)或擊穿會導(dǎo)致地電壓抬高，有時(shí)高達(dá)數(shù)百伏至數(shù)kV，不僅影響測試系統(tǒng)的正常工作和測量的準(zhǔn)確度，而且直接威脅測試系統(tǒng)的安全，常常會造成系統(tǒng)中設(shè)備的損壞。

2.4 試驗(yàn)間隔時(shí)間短，數(shù)據(jù)處理工作量大

標(biāo)準(zhǔn)允許的試驗(yàn)間隔通常不超過3min，為了有足夠的時(shí)間給客戶判定結(jié)果及決定是否繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，允許測試數(shù)據(jù)的處理時(shí)間不超過2min，必須在此時(shí)間內(nèi)嚴(yán)格按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出示波圖及所需的全部數(shù)據(jù)。

3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及采集系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)、光纖技術(shù)的發(fā)展，以瞬態(tài)波形存貯器（以下簡稱波存）、光纖信號傳輸設(shè)備及計(jì)算機(jī)為主的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，無論是在性能參數(shù)上還是在價(jià)格指標(biāo)上都已普遍得到各試驗(yàn)室所的接受。目前國內(nèi)及國外一些大容量試驗(yàn)室均已建成以波存為基礎(chǔ)的數(shù)字采集與處理系統(tǒng)，其基本原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理圖

采用數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而減小被測信號的傳輸誤差，提高試驗(yàn)室的自動化程度。用計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)進(jìn)行通斷試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集與處理，可減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，消除人為誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。CY2009D及CY3000DF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，除主機(jī)外，還配備了采集前端、顯示器等，能充分滿足通斷能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理的需要。針對目前國內(nèi)常見的數(shù)據(jù)采集的整套系統(tǒng)，電流采集通常采用ROGOWSKI線圈＋積分器的組合，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）測量范圍廣，線性度好；它的測量范圍可以通過積分放大器的分檔，從幾安到幾百千安培。它沒有鐵芯飽和問題，線性度好，有好的瞬態(tài)性能。

（2）安裝位置不受限制，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，可以安裝在接地點(diǎn)，也可以安裝在不接地點(diǎn)，使用測量方便。

（3）頻率帶寬從1Hz到幾百kHz均可測量，有利于諧波分析。

（4）一次母線與二次測量回路無直接電氣聯(lián)系，使用安全可靠。

（5）不存在動、熱穩(wěn)定電流的要求，特別適用于熔斷器、限流斷路器開斷短路電流的試驗(yàn)，此類試驗(yàn)中，試品的預(yù)期短路電流很大，有的達(dá)100kA以上，而實(shí)際開斷電流很小，如果選用電流互感器或低感分流器，考慮實(shí)際開斷電流小，而選小量程的傳感器，則在試品未斷開時(shí)，這些傳感器將承受很大的預(yù)期短路電流，有可能造成損壞，而ROGOWSKI線圈則無動熱穩(wěn)定電流的限制，使用安全、方便。

ROGOWSKI線圈是將繞阻導(dǎo)線均勻地繞在一個(gè)非鐵磁性材料環(huán)行骨架上，母線從線圈中心穿過，當(dāng)母線上有電流通過時(shí)，線圈兩端會產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動勢，在這兩端接上合適的電阻，就可根據(jù)電磁感應(yīng)原理測量電流，由于繞組本身與電流回路沒有電的聯(lián)系，而是通過電磁場耦合，故與主回路有良好的電氣絕緣，線圈上的感應(yīng)電動勢為：

其中，N為線圈匝數(shù)，；I（t）為被測電流；r為線圈的平均半徑；S 為線圈的橫截面積；μ0為4×10－7H／m（真空磁導(dǎo)率）。

但是該組合在采集電流時(shí)無法保證非周期分量的準(zhǔn)確性。無感（低感）分流器則能很好地解決了這一問題，但低感分流器直接接于主回路中，有電的聯(lián)系，測量時(shí)特別是由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該是將分流器處于接地端，這會給使用帶來限制和不便，例如有的成套裝置試驗(yàn)，要求將電流傳感器裝在試品的前面，試品出線端直接接地，此時(shí)如使用低感分流器，它就處于高電位，對測量系統(tǒng)不利。同時(shí)低感分流器的應(yīng)用還受到本身熱容量的限制，它本身是個(gè)電阻元件，在反復(fù)大電流的工作狀況下，會導(dǎo)致熱容量變大，尺寸也會增大。解決這一難題，需要通過進(jìn)行高壓數(shù)據(jù)采集的前端抗干擾試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4 采集系統(tǒng)的抗干擾測試分析

高壓數(shù)據(jù)采集是高壓試驗(yàn)中的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)的精確度、抗干擾能力等等一系列因素都會直接影響到試驗(yàn)人員對試驗(yàn)結(jié)果的判定。并且開關(guān)電器強(qiáng)電流實(shí)驗(yàn)室測試系統(tǒng)的隔離保護(hù)環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系到能否準(zhǔn)確的測試各參量的數(shù)據(jù)，更關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)備安全及操作人員生命安全，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各通道共地不可分，一般輸入電壓為土5V，而強(qiáng)電流試驗(yàn)室中傳感器多，且分散，接地開關(guān)的電位有時(shí)相差很大，有高至2000V的共模過電壓，此共模過電壓會連同信號電壓一起加在瞬態(tài)波形記錄儀上，波形記錄儀很難承受。若是浮地系統(tǒng)，更會經(jīng)過各通道的共地點(diǎn)短路，因此沒有可靠的隔離是完全不可能勝任強(qiáng)電流試驗(yàn)室的工作環(huán)境的。特別是在試驗(yàn)中，不僅地電位可能產(chǎn)生數(shù)千伏的抬高，且還可能發(fā)生試品的閃絡(luò)爆炸，都會導(dǎo)致測試電纜直接被主回路的高電壓擊中，因而有效的隔離高電壓的產(chǎn)生，是保證昂貴復(fù)雜測試系統(tǒng)及工作人員人身安全的關(guān)鍵。分流器是采集回路電流的一個(gè)重要儀器，能夠精確地對電流進(jìn)行采集反饋，分流器的采集精度和抗干擾性要優(yōu)于羅氏線圈等其他采集設(shè)備，但分流器的缺陷是體積大，隨著采集電流等級不同的電流就要更換不同的分流器，并且分流器采集量程的局限性，如何解決這些存在的問題就成為了研究的重點(diǎn)。

5 抗干擾試驗(yàn)的具體原理及實(shí)施

試驗(yàn)時(shí)將采集前端放在試驗(yàn)小室，高壓電信號先由高壓信號線采集至分流器低壓側(cè)，再通過傳輸電纜線傳輸?shù)讲杉岸?，前端通過A／D轉(zhuǎn)換及E／O轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，由光纖傳導(dǎo)至主控室的采集系統(tǒng)主機(jī)，由主機(jī)將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字模擬信號后傳至計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)上的采集系統(tǒng)進(jìn)行示波圖的顯示和還原，此過程如圖2所示。

圖2 光纖采集系統(tǒng)框圖

這樣做就可以通過光纖的作用將采集的主機(jī)和位于試驗(yàn)小室的前端隔離，保障了采集人員的人身安全，又做到一二次側(cè)隔離，解決共模干擾和地電位抬高的問題就成為了另一難點(diǎn)。

6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、改進(jìn)及驗(yàn)證

在試驗(yàn)開始階段，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過該系統(tǒng)采集到的示波圖中電流和電壓波形存在毛刺，共模干擾問題十分明顯，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)方式O－CO示波圖

首先，從采集系統(tǒng)原理考慮到采集卡是將緩沖放大器采樣保持多路轉(zhuǎn)化、A／D轉(zhuǎn)換器及緩存器集成在一張卡上且自帶緩沖區(qū)。同時(shí)采集卡在研制過程中，充分考慮到了電器試驗(yàn)站干擾嚴(yán)重，不可重復(fù)等特點(diǎn)。其次，就大量的試驗(yàn)現(xiàn)場接線布局而言，分流器和測量前端都位于試驗(yàn)小室。再次，在大量的現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)所做的調(diào)整如將采集前端移位至試驗(yàn)小室以外，采集到示波圖的抗共模干擾明顯好轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，決定從試驗(yàn)前端做調(diào)整改進(jìn)。

反復(fù)的試驗(yàn)，并通過數(shù)據(jù)的積累和分析，反復(fù)的研究，先后對采集前端的外殼進(jìn)行了加厚改造，抗干擾處理，并對采集前端內(nèi)部主板上的電阻電容進(jìn)行了不斷的調(diào)試搭配改造，最終順利解決了分流器采集電流信號存在的相關(guān)問題，實(shí)現(xiàn)了采集波形完整化、穩(wěn)定性的處理，進(jìn)一步提高了電流采集的精度。圖4和圖5所示為改善后試驗(yàn)方式O－CO和CO的示波圖。

圖4 試驗(yàn)方式O－CO示波圖

圖5 試驗(yàn)方式CO示波圖

7 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了開關(guān)電器強(qiáng)電流試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對采集系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行了試驗(yàn)和測試。數(shù)字光纖數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)在大容量試驗(yàn)室的運(yùn)行只有幾年的時(shí)間，尚需對此進(jìn)行大量的工作才可對此系統(tǒng)進(jìn)行更為詳盡地調(diào)整完善。在大容量試驗(yàn)室運(yùn)行期間，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力，很好地完成了開關(guān)電器大電流的采集任務(wù)。