馮 勝，張 敬，章 俊，羅紅俊，孫曉波，唐 雄

(1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400；2.中國長江電力股份有限公司烏東德水力發(fā)電廠，云南 祿勸 651500)

滅磁開關(guān)是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的重要設(shè)備。在磁場(chǎng)斷路器配合滅磁電阻的放電滅磁方式中，滅磁開關(guān)的建壓能力直接決定了轉(zhuǎn)子電流能否順利轉(zhuǎn)移到非線性滅磁電阻中，關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否順利滅磁[1]。隨著發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增加和勵(lì)磁參數(shù)的增大，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)弧壓的要求也不斷提高。為滿足大型發(fā)電機(jī)組對(duì)滅磁建壓的要求，常常需要在直流滅磁開關(guān)內(nèi)將多個(gè)磁場(chǎng)斷路器斷口串聯(lián)使用[2]。

對(duì)于多個(gè)斷口串聯(lián)的滅磁開關(guān)，理論上其開關(guān)總弧壓等于單個(gè)斷口弧壓乘以斷口個(gè)數(shù)，實(shí)際上由于各斷口之間動(dòng)作存在時(shí)差，疊加的總弧壓將低于理論值，且時(shí)差越大，疊加的總弧壓越低[3]。為保證開關(guān)總弧壓滿足滅磁要求，滅磁開關(guān)的各斷口間動(dòng)作的同步性均應(yīng)符合廠家規(guī)定要求。

傳統(tǒng)的開關(guān)同步性檢測(cè)方法是在開關(guān)各斷口的一端施加一個(gè)電壓信號(hào)，各斷口的另一端接錄波儀或測(cè)試儀，通過檢測(cè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)各斷口另一端的電壓變化來測(cè)定各斷口之間的動(dòng)作時(shí)差[4-5]。該方法只能檢測(cè)各斷口分別接在不同回路中時(shí)動(dòng)作的同時(shí)性。當(dāng)多個(gè)斷口串聯(lián)使用時(shí)，如仍采用上述方法，當(dāng)一個(gè)斷口動(dòng)作時(shí)，其串聯(lián)斷口兩端的電壓也會(huì)同時(shí)變化，無法測(cè)定各斷口之間的動(dòng)作時(shí)差。因此若需準(zhǔn)確測(cè)量，常常需要斷開各斷口之間的連接銅排，工作量較大[6]。

針對(duì)傳統(tǒng)方法對(duì)串聯(lián)多斷口進(jìn)行同步性檢測(cè)時(shí)的諸多缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并研制出了一種基于多電源的滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口同步性檢測(cè)裝置，并通過試驗(yàn)結(jié)果證明，該裝置能夠增強(qiáng)串聯(lián)多斷口同步性的測(cè)量準(zhǔn)確度，減少維護(hù)人員的工作量，提高工作效率。

1 裝置原理

新型滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口同步性檢測(cè)裝置原理，如圖1所示。在滅磁開關(guān)的每個(gè)串聯(lián)斷口上均配置一個(gè)獨(dú)立的電壓源，若被測(cè)滅磁開關(guān)FMK有3個(gè)斷口串聯(lián)，則設(shè)置3個(gè)獨(dú)立的電壓源U1、U2、U3，各電壓源的電壓需滿足錄波儀模擬通道電壓輸入范圍[6]。各電壓源之間形成串聯(lián)，數(shù)量可隨著滅磁開關(guān)斷口數(shù)進(jìn)行增減。R1、R2、R3是3個(gè)限流電阻，防止滅磁開關(guān)FMK斷口閉合后電壓源U1、U2、U3短路。A1是一臺(tái)高精度多通道錄波儀，可利用該錄波儀檢測(cè)各斷口動(dòng)作時(shí)的電壓變化情況，并計(jì)算出各斷口間的動(dòng)作時(shí)差。且各模擬輸入通道需完全隔離，采樣速度大于20 MS/s。

如圖1所示，當(dāng)FMK端口1,2間的斷口閉合時(shí)，錄波儀通道1采集到的電壓由U1變?yōu)?，通道2、通道3采集到的電壓保持不變；當(dāng)FMK端口1,2間的斷口斷開時(shí)，錄波儀通道1采集到的電壓由0變?yōu)閁1，通道2、通道3采集到的電壓保持不變[7]。

圖1 串聯(lián)斷口同步性檢測(cè)原理圖

同理，錄波儀通道2采集FMK端口3,4間的電壓；錄波儀通道3采集FMK端口5,6間的電壓。各斷口的動(dòng)作都不會(huì)影響其他斷口間的電壓。

若設(shè)置三個(gè)電壓源的電壓U1=U2=U3=1 V，則根據(jù)錄波儀記錄的FMK動(dòng)作時(shí)3個(gè)通道電壓變化的波形，匯總后波形如圖2所示。若加在3個(gè)斷口上的電壓躍變時(shí)差趨近于0，則可以證明3個(gè)斷口動(dòng)作同步性好。綜上可以通過比較3個(gè)斷口之間的電壓躍變的時(shí)差，判斷滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口之間動(dòng)作的同步性。

圖2 各串聯(lián)斷口電壓變化圖

2 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，研制出的多斷口斷路器動(dòng)作時(shí)序測(cè)試裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該樣機(jī)集成了8級(jí)串聯(lián)電壓源和相應(yīng)的時(shí)序測(cè)試儀，可對(duì)8個(gè)斷口串聯(lián)的開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)配套高精度多通道錄波儀，可精確記錄每個(gè)斷口動(dòng)作時(shí)的電壓變化波形[8]。

圖3 串聯(lián)斷口同步性檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

時(shí)序測(cè)試裝置采用ST公司STM32F103C8T6嵌入式微控制器，如圖4所示。該微控制器基于高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器64 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRAM，2個(gè)10通道12位同步ADC，3個(gè)同步的16位定時(shí)器和1個(gè)16位PWM定時(shí)器[6]。其中32路快速I/O口可映像到16路外部中斷，事件控制器包含19個(gè)邊沿檢測(cè)器，用于產(chǎn)生中斷/事件請(qǐng)求。無論是上升沿，下降沿還是雙邊沿，每個(gè)中斷線都可以獨(dú)立地配置它的觸發(fā)事件，能夠單獨(dú)地被屏蔽。另外還有9個(gè)通信口，支持2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN。工作溫度范圍-40℃至+85℃，供電電壓2.0 V至3.6 V，且保證低功耗應(yīng)用的要求。

圖4 STM32F103C8T6嵌入式微控制器圖

被測(cè)開關(guān)每個(gè)斷口的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)過光電隔離后從快速I/O口引入，接到外部中斷，邊沿檢測(cè)器設(shè)置為雙邊沿觸發(fā)，能夠檢測(cè)斷口的分合動(dòng)作。定時(shí)器測(cè)量斷口動(dòng)作時(shí)間，計(jì)算出各斷口間的動(dòng)作時(shí)差。

試驗(yàn)時(shí)，只需接入開關(guān)操作控制命令，并按接線標(biāo)識(shí)將串聯(lián)斷口依次接入測(cè)試通道，操作開關(guān)，觸摸屏界面上就會(huì)自動(dòng)顯示各斷口的動(dòng)作時(shí)差[9]。

如配套錄波儀使用，只需要將錄波儀的各個(gè)電壓采樣通道并聯(lián)在該裝置的測(cè)試通道上，便可以正常使用。

如圖5所示，研制的多斷口斷路器動(dòng)作時(shí)序測(cè)試裝置采用便攜式箱式結(jié)構(gòu)，便于攜帶和使用。接線全部采用插接式試驗(yàn)線，可快速完成試驗(yàn)接線。界面采用液晶觸摸屏，畫面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單。

測(cè)試斷路器分/合閘動(dòng)作時(shí)序時(shí)，需將斷路器斷口信號(hào)接入斷口狀態(tài)接入口，將斷路器的分/合閘控制命令信號(hào)接入斷路器控制命令接入口。接通電源后，手動(dòng)操作觸摸屏上軟按鍵“分閘測(cè)試”/“合閘測(cè)試”，選擇對(duì)應(yīng)測(cè)試功能，觸摸屏上即可顯示對(duì)應(yīng)斷口的分/合閘動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作時(shí)差、及動(dòng)作時(shí)序。

3 測(cè)試結(jié)果及其分析

為驗(yàn)證上述試驗(yàn)裝置的有效性和準(zhǔn)確性，將8個(gè)實(shí)際滅磁開關(guān)中使用的弧斷口用8個(gè)同規(guī)格型號(hào)的DC220 V繼電器代替，按照?qǐng)D1所示接線方法接入到圖5所示的串聯(lián)斷口同步性檢測(cè)裝置的面板中，并通過外接電源信號(hào)來模擬分合的開入信號(hào)。

如圖6所示，為合閘試驗(yàn)時(shí)八個(gè)串聯(lián)繼電器的動(dòng)作時(shí)序測(cè)試結(jié)果，各繼電器的合閘時(shí)間均在9.83～11.81 ms之間，其中紅色標(biāo)出的是最后動(dòng)作的繼電器，動(dòng)作時(shí)差為0.00 ms的是最先動(dòng)作的繼電器，并以此為基準(zhǔn)判定各繼電器的動(dòng)作時(shí)差。由各繼電器的動(dòng)作時(shí)差大小可以看出，最先動(dòng)作的繼電器和最后動(dòng)作的繼電器之間相差1.98 ms，能夠準(zhǔn)確和直觀地反映出動(dòng)作時(shí)序關(guān)系和動(dòng)作時(shí)差。

圖6 合閘時(shí)序表

因此，通過觸摸屏上各串聯(lián)斷口的動(dòng)作時(shí)差大小和動(dòng)作時(shí)序大小，可以分辨出各串聯(lián)斷口的分合閘時(shí)間和動(dòng)作時(shí)差，以便維護(hù)人員結(jié)合相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步采取針對(duì)弧斷口的維護(hù)措施。

4 結(jié) 語

通過為被測(cè)滅磁開關(guān)的每個(gè)串聯(lián)斷口提供一個(gè)獨(dú)立的電壓源，消除了串聯(lián)斷口動(dòng)作電壓相互間的影響，可實(shí)現(xiàn)在不斷開各串聯(lián)斷口之間連接銅排的情況下，檢測(cè)各斷口的同步性。且基于上述原理利用STM32F103C8T6嵌入式微控制器研制出了多斷口斷路器動(dòng)作時(shí)序測(cè)試裝置樣機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明能夠有效檢測(cè)各串聯(lián)斷口的動(dòng)作時(shí)序。

綜上所述，該裝置可廣泛應(yīng)用于行業(yè)內(nèi)各電廠滅磁開關(guān)的檢測(cè)以及其他各類機(jī)械式開關(guān)的動(dòng)作同步性檢測(cè)。應(yīng)用該裝置能有效節(jié)省大容量機(jī)組滅磁開關(guān)檢修時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)避免銅排反復(fù)安裝拆卸過程中損壞滅磁回路，降低了檢修過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備可靠性，社會(huì)效益顯著，且具有一定的商業(yè)價(jià)值。