牛小東 謝曉斌 謝曉玲 宋勝鵬

摘要：針對在大容量試驗(yàn)室進(jìn)行熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)測試過程中，因設(shè)備因素的限制存在試驗(yàn)時(shí)間不能滿足分?jǐn)嗄芰y試要求的缺陷，該文設(shè)計(jì)預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置中的低壓大電流裝置、轉(zhuǎn)換高壓裝置、預(yù)熱轉(zhuǎn)換器3個(gè)重要部分，提出運(yùn)用PLC+PC的自動(dòng)控制方法監(jiān)控和操作預(yù)熱轉(zhuǎn)換過程。測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)裝置使得熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)過程為40s，控制在30-45s內(nèi)，滿足分?jǐn)嗄芰y試的要求，并且實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)控制，降低試驗(yàn)設(shè)備被燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，提高試驗(yàn)成功率，降低試驗(yàn)成本。

關(guān)鍵詞：熔斷器;預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置;分?jǐn)嗄芰y試;測試儀器設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM563 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0116-05

收稿日期：2017-08-15;

收到修改稿日期：2018-06-12

作者簡介：牛小東（1985-），男，甘肅天水市人，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)計(jì)和檢驗(yàn)檢測技術(shù)研究。

0 引言

熔斷器是一種電流超過規(guī)定值一定時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，進(jìn)而使電路斷開的電流保護(hù)器[1]。熔斷器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等用電設(shè)備領(lǐng)域，是應(yīng)用最普遍的短路和過電流保護(hù)器件之一。隨著電力系統(tǒng)的不斷升級，普通熔斷器在大電流、大電壓的運(yùn)行條件下，分?jǐn)嗄芰內(nèi)醵鸩坏奖Ｗo(hù)作用，考察熔斷器的分?jǐn)嗄芰τ谂卸ㄈ蹟嗥鞯男阅軆?yōu)劣具有重要意義[2-3]。分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的時(shí)間通常需要30～45s，而對于進(jìn)行分?jǐn)嘣囼?yàn)的大容量試驗(yàn)室來說，基于對回路承擔(dān)大電流穩(wěn)定性的考量，試驗(yàn)時(shí)間往往限制在10S以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的30～45s的試驗(yàn)要求[4]。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，常規(guī)的做法是在低電壓系統(tǒng)中施加試驗(yàn)電流，在快到超過低電壓系統(tǒng)負(fù)載能力時(shí)再轉(zhuǎn)入高壓系統(tǒng)繼續(xù)試驗(yàn)，以滿足試驗(yàn)時(shí)間的長度需求[5-6]。然而，這種試驗(yàn)方法尚不成熟，在國內(nèi)，此類型試驗(yàn)項(xiàng)目的研究長期處于停滯狀態(tài)，急需有更多的學(xué)者參與其中進(jìn)行研究與探討[7]。

本文基于單片機(jī)+個(gè)人計(jì)算機(jī)（PLC+PC）的聯(lián)合應(yīng)用模式，設(shè)計(jì)了一種適用于熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置，以解決在試驗(yàn)過程中的低電壓系統(tǒng)向高壓系統(tǒng)切換的控制問題，滿足分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的時(shí)間需求。經(jīng)測試，該預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置符合IEC60269與GB13539的要求，在降低試驗(yàn)主回路的容量要求，提高試驗(yàn)成功率，避免試品浪費(fèi)等方面具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置采用高速PLC及相關(guān)元件，采取電氣閉鎖與程序閉鎖相結(jié)合的方式。對于低壓側(cè)而言，既可以接入調(diào)壓器與多磁路變壓器，也可以接入恒流源裝置;對于高壓側(cè)而言，既可以接入高壓開斷試驗(yàn)回路，也可以接入低壓開斷試驗(yàn)回路。這種接入方式能較好適用于熔斷器分?jǐn)嗄芰Φ臏y試，其穩(wěn)流部分作為單一穩(wěn)流器用于溫升、脫扣器整定、動(dòng)作值測量等[8]。預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)框架圖如圖I所示。

本設(shè)計(jì)中的預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置主要由低壓大電流裝置、轉(zhuǎn)換高壓裝置、預(yù)熱轉(zhuǎn)換器3個(gè)部分組成，以下將對這3個(gè)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 低壓大電流裝置的設(shè)計(jì)

低壓大電流裝置內(nèi)置交流電源，采用自耦調(diào)壓器、多磁路變壓器、選相開關(guān)等構(gòu)成主回路。低壓電流的數(shù)據(jù)采集由電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過所述分流器完成，最大試驗(yàn)電流輸出瞬時(shí)可達(dá)120kA以上，長期可達(dá)12kA。

圖2為低壓大電流裝置電流放大部分的電路圖。由電路圖可知Q1和Q4構(gòu)成三極管組合放大電路，所以Q4集電極的電流得到兩次放大。但Q6和Q7集電極和基極的電壓相同，所以Q6和Q7不能導(dǎo)通，電流只能由Q8和Q9構(gòu)成回路。而Q8和Q9與C4構(gòu)成負(fù)反饋電路，當(dāng)輸出電流很大時(shí)，C4充滿電后，Q8導(dǎo)通，接著Q9導(dǎo)通，使得大量電流流入電源負(fù)端，輸出電流減小;當(dāng)輸出電流較小時(shí)，Q8不通，電流經(jīng)Q2、Q3、Q10、Q11組成的多級復(fù)合放大電路放大完成后，流向輸出端，提高輸出電流，因此該電路能保持輸出電流穩(wěn)定。

1.2 轉(zhuǎn)換高壓裝置的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換高壓裝置的線路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。采用電阻器串聯(lián)空心式電抗器作為負(fù)載，通過電阻器與電抗器對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)行極限通斷能力試驗(yàn)時(shí)，阻抗需接在被試電器之前;進(jìn)行臨界通斷能力試驗(yàn)時(shí)，被試電器之前接入的阻抗值不得大于試驗(yàn)電路總阻抗值的10%。為了避免瞬變過程中兩并聯(lián)電抗器產(chǎn)生環(huán)流，電抗器L與電阻器R的電抗值需相等[9]。試驗(yàn)過程中，低感分流器接入主電路后可在被試電器觸頭兩端引出信號來拍攝電壓波形，但是為了避免對觸頭分?jǐn)噙^程中暫態(tài)恢復(fù)電壓的影響，該測量電路的總電阻值應(yīng)大于20kΩ。此外，試驗(yàn)電源應(yīng)保證在電弧熄滅瞬間的恢復(fù)電壓不低于被試電器的額定電壓值，在電源容量不足或電源內(nèi)阻抗過大時(shí)允許將電源空載電壓提高，但不得超過被試電器額定電壓的115%;如測試技術(shù)條件或測試標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定各參數(shù)的允許偏差，則時(shí)間常數(shù)的允差為0～20%，功率因數(shù)的允差為-20%～0，電流的允差為0-10%[10]。

1.3 預(yù)熱轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

先將熔斷器置于低壓回路，到了一定時(shí)間后再將熔斷器轉(zhuǎn)入高壓回路就能夠滿足分?jǐn)嗄芰y試的時(shí)間要求，低壓回路向高壓回路的切換需要預(yù)熱轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電熱的轉(zhuǎn)換，預(yù)熱轉(zhuǎn)換器原理圖如圖4所示。

預(yù)熱轉(zhuǎn)換器分為電熱轉(zhuǎn)換和控制兩部分，電熱轉(zhuǎn)換低壓側(cè)采用的是分流器進(jìn)行表計(jì)監(jiān)測，高壓側(cè)采用的是線圈+積分器的組合來擴(kuò)大測量監(jiān)測范圍?？刂撇糠钟筛邏嚎刂茢嗦菲鳌⒌蛪弘娏髡{(diào)節(jié)器、低壓調(diào)壓器構(gòu)成。高壓控制斷路器負(fù)責(zé)隔離開關(guān)分閘后啟動(dòng)大容量系統(tǒng)通電運(yùn)行，低壓電流調(diào)節(jié)器對低壓系統(tǒng)的電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，低壓調(diào)壓器對低壓系統(tǒng)提供免于瞬時(shí)高電壓造成的損壞的保護(hù)。

該裝置的核心要求就是要絕對保證隔離開關(guān)的隔離作用和縮短高壓與低壓轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間。隔離作用通過選擇與高壓側(cè)相匹配的隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)，而縮短高壓與低壓轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間則需要在轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)上提高元器件開關(guān)及控制速度。

2 熔斷器預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置的PLC+PC控制

本試驗(yàn)中的預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置采用基于SERCOS接口的PLC+PC控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)如圖5所示。在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先由工控機(jī)判斷出各個(gè)繼電器的狀態(tài)以及各個(gè)行程開關(guān)的位置，然后再將信息傳送給軟CNC和軟PLC，軟CNC再進(jìn)行分析、譯碼，然后將各個(gè)信息（M、S、T信息）交由軟PLC進(jìn)行控制，最后將低壓大電流裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換高壓裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換器裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)通過PLC-SERCOS-Ⅲ數(shù)據(jù)采集卡傳送給PLC、工控機(jī)，并且在觸摸屏上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，觸摸屏安裝的是WindowsXP系統(tǒng)。也可以由工控機(jī)和PLCCPU下達(dá)指令，并通過PLC-SERCOS-Ⅲ數(shù)據(jù)采集卡將指令傳送到低壓大電流裝置、轉(zhuǎn)換高壓裝置、轉(zhuǎn)換器裝置，從而控制來驅(qū)動(dòng)熔斷器部件動(dòng)作。3設(shè)計(jì)裝置的熔斷器分?jǐn)嗄芰︱?yàn)證

為了驗(yàn)證本裝置具有很好的熔斷器分?jǐn)嗄芰?，進(jìn)行如下試驗(yàn)。本次試驗(yàn)選購的重要器件有：西門子s7-200PLC，天津四方恒業(yè)電氣設(shè)備有限公司;ZW32-12高壓斷路器，上海勇高電氣制造有限公司;GN19-12kV隔離斷路器，深圳威川電氣成套設(shè)備有限公司;干式多相雙繞組多磁路變壓器，四川省格輝陽電氣有限責(zé)任公司;ADD-0305-205直流恒流源，武漢艾德杰電子有限責(zé)任公司;TSGC2三相接觸式自耦調(diào)壓器，上海匯光電氣有限公司;MCS分流器（體積25cm×15cm×5cm），北京美亞先科技有限公司;CKGKL空心式電抗器，上海谷明電氣有限公司;IGYX12P1783/L傳感器，買道傳感科技（上海）有限公司。

熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)電路圖如圖6所示，可根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)電流，由可編程控制器通過低壓側(cè)電流升壓操作。調(diào)節(jié)好大容量試驗(yàn)回路電流后安裝好試品（熔斷器），通過監(jiān)控/操作計(jì)算機(jī)啟動(dòng)預(yù)熱轉(zhuǎn)換程序，閉合隔離斷路器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)分?jǐn)喔綦x斷路器，再閉合高壓斷路器直至試品（熔斷器）熔斷。U₁是電源電壓，U₂是分?jǐn)嘣囼?yàn)后熔斷體的恢復(fù)電壓，U₃是監(jiān)測電路中分流器的電壓信號。在熔斷體分?jǐn)嘣囼?yàn)中，U₁、U₂、U₃通過數(shù)字功率計(jì)測試，可以直接讀取電壓、電流等相關(guān)數(shù)值。并根據(jù)表1在觸摸屏中設(shè)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)。

熔斷器經(jīng)測試的測試結(jié)果為：

1）熔斷前沒有持續(xù)燃弧、飛弧或危及周圍的任何火焰噴出。

2）熔斷后熔斷器的零部件（除預(yù)定需更換的部件）沒有發(fā)生妨礙它們繼續(xù)工作的損壞。

3）試驗(yàn)后，絕緣電阻=70kΩ。

4）熔斷體熔斷時(shí)出現(xiàn)的電弧電壓沒有超過規(guī)定值。

5）熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)用時(shí)為40s。

本文設(shè)計(jì)的熔斷器符合GB13539標(biāo)準(zhǔn)[11]，熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)過程為40s，滿足了高壓熔斷器的實(shí)際試驗(yàn)需要，達(dá)到了本文預(yù)期熔斷器設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)束語

本文對熔斷器中預(yù)熱轉(zhuǎn)換裝置的3個(gè)主要部分：低壓大電流裝置、轉(zhuǎn)換高壓裝置、轉(zhuǎn)換預(yù)熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期滿足大容量試驗(yàn)室熔斷器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)時(shí)間的需求（30～45s）。經(jīng)分?jǐn)嗄芰y試，本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換預(yù)熱裝置，能夠使該熔斷器在正常運(yùn)行時(shí)符合GB13539標(biāo)準(zhǔn)，降低了試驗(yàn)主回路的容量要求，并且提高了試驗(yàn)的成功率，避免了多次試驗(yàn)造成的樣品浪費(fèi)，節(jié)約了成本，提升了經(jīng)濟(jì)效益，使得該裝置具有進(jìn)一步研究應(yīng)用的價(jià)值。

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（編輯：商丹丹）