信天，李海成，劉通，張超，薛麗麗

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102）

引言

根據(jù)最新國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.1-2013[1]、最新國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61439-1:2020[2]，短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)一直是低壓電器成套設(shè)備、元件、變壓器等產(chǎn)品CCC認(rèn)證型式試驗(yàn)重點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目，由于受試產(chǎn)品質(zhì)量問題，短路試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)樣品不合格，造成試驗(yàn)樣品母排熔斷、燃燒、甚至爆炸等事件，尤其變壓器產(chǎn)生爆炸時(shí)，威力巨大，不但給企業(yè)造成大量財(cái)產(chǎn)損失，也給檢測(cè)機(jī)構(gòu)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)人員帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出的智能保護(hù)裝置[3,4]通過不間斷連續(xù)測(cè)量試驗(yàn)樣品進(jìn)線端處電壓波形和電流波形，使用特定的過電壓、過電流、電壓電流不平衡、諧波含量異常等檢測(cè)算法，實(shí)時(shí)判斷試驗(yàn)電壓波形和電流波形是否出現(xiàn)異常，進(jìn)而判定短路試驗(yàn)過程是否正常，如果出現(xiàn)異常，則立即切斷試驗(yàn)電源，保護(hù)試驗(yàn)樣品免受持續(xù)長時(shí)間的非正常電壓或電流的影響，從而避免導(dǎo)致進(jìn)一步的損壞，甚至爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到實(shí)時(shí)快速保護(hù)目的。

1 現(xiàn)有低壓電器短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)保護(hù)裝置適用性分析

目前在國內(nèi)外還未出現(xiàn)專門針對(duì)短路試驗(yàn)的智能保護(hù)裝置，通常對(duì)于電壓電流異常情況下的保護(hù)，主要是在短路試驗(yàn)回路的上一級(jí)設(shè)置微機(jī)綜保裝置、過電壓保護(hù)器、浪涌保護(hù)器等保護(hù)裝置[5-10]。

微機(jī)綜保裝置，是一種集保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視、控制、人機(jī)接口、通信等多種功能于一體的綜合保護(hù)裝置，一般主要應(yīng)用于高壓側(cè)線路和變壓器的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)以及差動(dòng)等保護(hù)，但其由于功能眾多、造價(jià)昂貴且保護(hù)模式較為固定，難以應(yīng)用到情況多變的低壓側(cè)短路試驗(yàn)中。

過電壓保護(hù)器，是限制雷電過電壓和操作過電壓的一種保護(hù)電器，主要用于保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器、真空開關(guān)、母線、電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備的絕緣免受過電壓的損害，具有動(dòng)作快、伏安特性平坦、殘壓低、性能穩(wěn)定、組裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于相間和相地過電壓都能起到有效的保護(hù)作用。但是同樣其保護(hù)功能單一，且保護(hù)電壓等級(jí)不可調(diào)節(jié)，同樣無法適應(yīng)情況多變的低壓側(cè)短路試驗(yàn)。

浪涌保護(hù)器，也叫防雷器，和過電壓保護(hù)器類似，是一種為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護(hù)的電子裝置。當(dāng)電氣回路或者通信線路中因?yàn)橥饨绲母蓴_突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時(shí)，浪涌保護(hù)器能在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對(duì)回路中其他設(shè)備的損害。但其缺點(diǎn)與前兩者一樣，保護(hù)情況單一且不可調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)低壓側(cè)短路試驗(yàn)。

針對(duì)類型眾多、情況多變的低壓側(cè)短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)，急需一種智能型的可選可調(diào)的電壓、電流多功能保護(hù)裝置，用于保護(hù)試驗(yàn)樣品免于爆炸、燃燒、熔焊等進(jìn)一步的損失，以及保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全、試驗(yàn)人員人身安全。

2 智能保護(hù)裝置

2.1 智能保護(hù)裝置的主體結(jié)構(gòu)

依據(jù)短路試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，圖1是一個(gè)典型的短路試驗(yàn)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 短路試驗(yàn)系統(tǒng)和智能保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，1是提供一個(gè)三相交流電的電源供電線，2是第一高壓側(cè)斷路器，3是第二高壓側(cè)斷路器，4是高壓側(cè)可調(diào)負(fù)載阻抗，5是試驗(yàn)變壓器，6是低壓側(cè)斷路器，7是試驗(yàn)樣品，8是低壓側(cè)可調(diào)負(fù)載阻抗，及各部分間的連接導(dǎo)線。

智能保護(hù)裝置包括：9是電壓測(cè)量裝置，10是電流測(cè)量裝置，11是數(shù)據(jù)處理裝置，12是控制裝置。電壓測(cè)量裝置9、電流測(cè)量裝置10的信號(hào)采集一端連接到試驗(yàn)樣品進(jìn)線端處，控制裝置12輸出信號(hào)線一端連接到高壓側(cè)斷路器分勵(lì)線圈上。

2.2 智能保護(hù)裝置的工作原理

根據(jù)圖1中短路試驗(yàn)系統(tǒng)的連接示意圖，打開智能保護(hù)裝置電源，設(shè)置短路試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。依次先后接通短路試驗(yàn)系統(tǒng)低壓側(cè)斷路器6、高壓側(cè)斷路器2和高壓側(cè)斷路器3，開始對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行短路試驗(yàn)。在短路試驗(yàn)過程中，智能保護(hù)裝置測(cè)量試驗(yàn)樣品7進(jìn)線端處電壓波形、電流波形，并實(shí)時(shí)判斷電壓波形和電流波形是否出現(xiàn)異常，如果波形出現(xiàn)異常則控制裝置12立即將一個(gè)控制分閘信號(hào)發(fā)送給短路試驗(yàn)系統(tǒng)中高壓側(cè)斷路器2，使其立即分閘，通過最短時(shí)間內(nèi)切斷試驗(yàn)電源，來達(dá)到保護(hù)試驗(yàn)樣品免受持續(xù)的長時(shí)間非正常電壓或電流影響的目的，從而避免進(jìn)一步的損壞或爆炸等危害，同時(shí)也保護(hù)了短路試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)人員的安全。

如果試驗(yàn)中未發(fā)生異常情況，則智能保護(hù)裝置不動(dòng)作，短路試驗(yàn)在短路試驗(yàn)系統(tǒng)自行設(shè)定的通電時(shí)間結(jié)束后，由短路試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)切斷試驗(yàn)電源，結(jié)束短路試驗(yàn)。若短路試驗(yàn)系統(tǒng)控制程序出現(xiàn)異常，未在設(shè)置的短路持續(xù)時(shí)間到達(dá)后切斷電源，則由智能保護(hù)裝置設(shè)置的短路試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間到達(dá)后，切斷高壓側(cè)斷路器，達(dá)到正常短路試驗(yàn)下備用保護(hù)的目的。

2.3 智能保護(hù)裝置的理論依據(jù)

一個(gè)三維圓柱體沿一條母線展開到二維平面則為一個(gè)矩形，其矩形的高為圓柱體的高，矩形的寬為圓柱體的底面圓周長。若用一個(gè)平面斜切一個(gè)三維圓柱體后，再將三維圓柱體沿著一條母線展開到二維平面形成的矩形上，那么圓柱體斜切面的邊緣線在二維平面矩形上形成的即是一條正弦曲線。同理，相反的，任意一條正弦曲線，都可以通過二維至三維的坐標(biāo)變換，映射為一個(gè)三維圓柱體斜切面的邊緣線。簡單來說，任一正弦曲線可以看作是一個(gè)平面斜切圓柱體后，該平面與圓柱體的相交線。由于相交線在斜切平面上，故而，在圓柱體上，由正弦曲線構(gòu)成的斜切面邊緣線上，任意三點(diǎn)構(gòu)成的平面均為同一平面。i(t)為試驗(yàn)過程中t時(shí)刻的短路電流。

3 智能保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成

3.1 電壓/電流測(cè)量裝置

對(duì)于電壓信號(hào)的測(cè)量，由于短路試驗(yàn)均為1 000 V以下低壓，采用直接測(cè)量的方式，將測(cè)量信號(hào)直接引入隔離放大器輸入端，然后接入數(shù)據(jù)采集卡中，最終取得需要的電壓測(cè)量信號(hào)。對(duì)于電流信號(hào)的測(cè)量，在測(cè)量交流信號(hào)時(shí)，采用業(yè)界成熟的羅氏線圈+積分器+隔離放大器的測(cè)量方式，在測(cè)量直流信號(hào)時(shí)，采用分流器+隔離放大器的測(cè)量方式。隔離放大器主要由前端隔離放大信號(hào)輸入、中間放大倍數(shù)控制電路、后端二階濾波輸出電路三部分構(gòu)成。放大倍數(shù)控制采用的AD526芯片是一款軟件可編程增益放大器，該器件具有出色的直流精度。后端二階濾波輸出電路由ISO 124電容隔離耦合芯片配合一個(gè)二級(jí)低通濾波器構(gòu)成，該芯片具有新穎工作循環(huán)的調(diào)制一解調(diào)技術(shù)。

控制芯片采用ATMEGA88PA高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器，電壓、電流信號(hào)經(jīng)過隔離放大器后，轉(zhuǎn)化為安全的最大±10V的低壓信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡選用臺(tái)灣研華公司PCI-1716L-AE板卡，它既能提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入，完全滿足本智能保護(hù)裝置的需求。

圖2 i(t)試驗(yàn)曲線映射到圓柱體上的曲線圖

圖3 PCI-1716L-AE數(shù)據(jù)采集卡

3.2 數(shù)據(jù)處理裝置

數(shù)據(jù)處理裝置采用臺(tái)灣研華公司成熟穩(wěn)定的工控機(jī)主板AIMB-705作為高速數(shù)據(jù)計(jì)算處理載體，采用英特爾I5-6500作為處理器，以較為穩(wěn)定和通過驗(yàn)證的硬件模塊來作為軟件和算法調(diào)試的穩(wěn)定平臺(tái)。

3.3 控制裝置

控制裝置采用臺(tái)灣研華公司PCI-1761-BE繼電器輸出和隔離數(shù)字量輸入卡（如圖4）驅(qū)動(dòng)一固態(tài)繼電器的合分來實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)斷路器的合分閘。PCI-1761-BE提供8路光隔離數(shù)字量輸入通道，隔離保護(hù)電壓為2500VDC，可在噪聲環(huán)境下輸入。它帶有8個(gè)繼電器輸出，可以用作開關(guān)控制式小型電源斷路開關(guān)。為了便于監(jiān)控，每個(gè)繼電器配備一個(gè)紅色的LED指示燈，用來顯示器開/關(guān)狀態(tài)。

圖4 PCI-1761-BE繼電器輸出和隔離數(shù)字量輸入卡

4 軟件功能設(shè)計(jì)

如圖5所示，智能保護(hù)裝置的控制程序主要由設(shè)置區(qū)、控制區(qū)、波形監(jiān)視與分析算法選擇區(qū)組成。在設(shè)置區(qū)，用戶可以方便的選擇需要的采樣通道，可以只采集單個(gè)電壓通道或者電流通道，也可以采樣多個(gè)電壓或電流通道，選中的采樣通道將會(huì)在右側(cè)“波形監(jiān)視與分析算法選擇區(qū)”實(shí)時(shí)顯示。在設(shè)置區(qū)，用戶還可以進(jìn)行各種內(nèi)置保護(hù)分析算法的參數(shù)設(shè)置，目前已有的保護(hù)分析算法有波形異常（快速）、波形異常（FFT）、過電壓、過電流、三相不平衡等幾種。在控制區(qū)，用戶可以進(jìn)行電壓、電流的信號(hào)采樣的啟動(dòng)與停止，以及保護(hù)功能的啟用，還可以選擇保護(hù)分閘的前級(jí)高壓斷路器。在波形監(jiān)視與分析算法選擇區(qū)，用戶不但可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到指定的電壓、電流信號(hào)波形，還可以根據(jù)試驗(yàn)需要選擇合適的保護(hù)分析算法的一種或者多種。

圖5 低壓電器短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)智能保護(hù)裝置的控制程序主界面

5 總結(jié)

本文針對(duì)目前低壓電器短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)的保護(hù)裝置保護(hù)功能單一、保護(hù)方式及參數(shù)難以靈活調(diào)節(jié)等方面的不足，創(chuàng)新提出一種新型低壓電器短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)智能保護(hù)裝置。該智能保護(hù)裝置的與傳統(tǒng)的保護(hù)裝置相比，其改進(jìn)主要在于依據(jù)的諧波含量異常檢測(cè)算法可以較大幅度系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量精度，并且在不影響試驗(yàn)樣品短路型式試驗(yàn)結(jié)果判定的前提下，避免短路試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常時(shí)，企業(yè)試驗(yàn)樣品長時(shí)間經(jīng)受非正常電壓、非正常電流影響而發(fā)生進(jìn)一步爆炸、檢測(cè)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)備損壞、試驗(yàn)人員處于不可預(yù)知危險(xiǎn)等風(fēng)險(xiǎn)，可為企業(yè)最大化降低損失，并保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)人員的安全，在低壓電器短路試驗(yàn)領(lǐng)域真正起到了快速、有效的保護(hù)作用，可為低壓電器相關(guān)企業(yè)、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提供理論和設(shè)備參考。