甘肅電器科學(xué)研究院 陳澤宇

隨著我國(guó)電器技術(shù)的光速開展，配電設(shè)施的技術(shù)更新，低壓交流熔斷器在低電壓配電系統(tǒng)、控制和其余電氣設(shè)備中的運(yùn)用越來(lái)越普遍，是最常見的短路和過(guò)流保護(hù)設(shè)備之一。熔斷器是常見過(guò)電流保護(hù)器，在電流超出規(guī)定值的一定時(shí)間后，用本身發(fā)生的熱量熔化保險(xiǎn)絲，繼而將電路分?jǐn)郲1]。低壓熔斷器是電氣設(shè)備回路及低壓電氣線路中最常使用的一種過(guò)電流保護(hù)器，它具有經(jīng)濟(jì)、操作方便、適應(yīng)戶外環(huán)境性強(qiáng)等特點(diǎn)。熔斷器短路電流分?jǐn)嗟倪^(guò)程極為短暫（僅需數(shù)毫秒），通常認(rèn)為是一種絕熱過(guò)程。

在試驗(yàn)的測(cè)試過(guò)程中，傳統(tǒng)的做法是在低壓回路中施加測(cè)試電流，隨后在低壓系統(tǒng)的負(fù)載容量超負(fù)荷時(shí)切換到高電壓系統(tǒng)，以滿足試驗(yàn)要求的時(shí)間長(zhǎng)度。但是這種方法還不夠成熟，在我國(guó)此類型試驗(yàn)的研發(fā)企業(yè)的提升非常緩慢，急需大量的科研人員可以參與其中進(jìn)行研究討論[2]。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC+PC的預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，適用于熔斷器的分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)，以處理試驗(yàn)過(guò)程中從低壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向高壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，滿足了分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的時(shí)間要求。

1 預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使用高速PLC及相干部件，將程序鎖與電鎖相結(jié)合。低壓側(cè)，調(diào)壓器和多磁路變壓器可與恒流源設(shè)備銜接，對(duì)于高壓側(cè)，高壓開路可與低壓開路測(cè)試電路連接。其穩(wěn)流模塊作為一個(gè)簡(jiǎn)單穩(wěn)流器用于溫升、脫扣器整定、整定值測(cè)量等[3]?？傮w而言，這種模式能較好的適用于快速熔斷器開斷能力的測(cè)試。如圖1所示。

圖1 預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)的預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分別是由預(yù)熱轉(zhuǎn)換器、高壓轉(zhuǎn)換裝置還有低壓大電流裝置三部分組成，以下是這三部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)介紹。

1.1 預(yù)熱轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

首先，將試品在低壓回路中通流，當(dāng)電流逐漸不穩(wěn)定時(shí)（即將熔斷）將試品切換至高壓回路一段時(shí)間，隨后試品斷開即可滿足分離容量測(cè)試的時(shí)間要求。在將低壓電路切換到高壓電路時(shí)，需要使用預(yù)熱轉(zhuǎn)換器。預(yù)熱轉(zhuǎn)換器的控制圖如圖2所示。

圖2 預(yù)熱轉(zhuǎn)換器控制圖

預(yù)熱轉(zhuǎn)換器由兩部分構(gòu)成：控制系統(tǒng)和電熱轉(zhuǎn)換?？刂撇糠种饕蓴嗦菲?、接觸器、升流器和調(diào)壓器構(gòu)成。電熱轉(zhuǎn)換裝置低壓側(cè)主要采用帶線圈的儀表監(jiān)控，高壓側(cè)主要采用線圈和積分器監(jiān)控。D9QF1斷路器的作用是啟動(dòng)大容量系統(tǒng)的電源運(yùn)行。升流器的作用是調(diào)整低壓回路的電流。接觸器的作用是防止D9QF1斷路器未及時(shí)開斷導(dǎo)致試驗(yàn)回路受損的保護(hù)環(huán)節(jié)，調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓可以保護(hù)低壓系統(tǒng)免受瞬時(shí)高壓造成的損壞。

該設(shè)備的核心目標(biāo)是保證隔離開關(guān)的隔斷作用，減少高低壓之間的切換間隔。為了快速實(shí)現(xiàn)高低壓切換功能，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)換各鏈路中的組件開關(guān)和操控速度。

1.2 高低壓轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)

進(jìn)行分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)時(shí)，阻抗需要接在試品之前。進(jìn)行極限分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)時(shí)，試品前能夠接入的阻抗值不應(yīng)大于試驗(yàn)設(shè)計(jì)回路總阻抗的10%。為了避免高低壓切換時(shí)并聯(lián)電抗器間產(chǎn)生環(huán)流，電阻器R0與電抗器L0的電抗值需相等[4]。電阻器與空心電抗器串聯(lián)作為負(fù)載，電阻器和電抗器調(diào)整電流。

在測(cè)試過(guò)程中，分壓板連接到主電路后，可以在試品前后兩端引出信號(hào)，以便于記錄電壓波形，但為了防止觸點(diǎn)斷開時(shí)對(duì)瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）的影響，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總電阻應(yīng)大于25kΩ。并且要確認(rèn)電弧消失時(shí)的過(guò)電壓不低于試驗(yàn)裝置的額定電壓，但不能超過(guò)試品額定電壓的1.15倍，若標(biāo)準(zhǔn)中各參數(shù)的允許偏差值未規(guī)定，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%[5]。

高壓轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)線路圖如圖3所示。圖中：S為電源，N為電源通信點(diǎn)，R為可調(diào)負(fù)載電阻器，L為可調(diào)負(fù)載電抗器，R1為電弧限流電阻器，D為熔絲，P為外殼或測(cè)飛弧用鋼板，A為待測(cè)電器試樣，B為調(diào)整定波電流的臨時(shí)連接，O為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，V為電壓表。

圖3 轉(zhuǎn)換高壓裝置的線路設(shè)計(jì)圖

1.3 大電流低壓裝置的設(shè)計(jì)

大電流低壓裝置由多磁路變壓器、自耦式調(diào)壓器、選相開關(guān)和主回路的其他元件構(gòu)成，內(nèi)置交流電源。電流數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CY3000D完成，最大試驗(yàn)電流輸出瞬時(shí)可達(dá)200kA以上，長(zhǎng)期可達(dá)40kA。

2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一套高頻、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠滿足大容量試驗(yàn)室所有數(shù)據(jù)采集的要求。主要用于大容量數(shù)據(jù)采集，達(dá)到準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)的目的，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)采集系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)由傳感器、采集前端、主機(jī)、PC四部分組成，將四部分通過(guò)連接組成了本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)硬件組成主要有：前端柜。用于放置數(shù)據(jù)采集前端，采集到的電信號(hào)通過(guò)前端后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，本系統(tǒng)共有2個(gè)前端柜；轉(zhuǎn)換柜。用于放置數(shù)據(jù)采集主機(jī)CY3000D及固定采集板以確定采集通道的選擇。本設(shè)備共有1個(gè)轉(zhuǎn)換柜；數(shù)據(jù)采集前端。用于轉(zhuǎn)換采集得到的電信號(hào)，通過(guò)前端后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再通過(guò)光纖傳輸至電腦中。本設(shè)備共有16個(gè)數(shù)采前端；PC（計(jì)算機(jī)）。用于顯示得到的數(shù)據(jù)和保存波形，并將記錄以紙質(zhì)形式傳出。

本系統(tǒng)選用的前端分為兩種：電壓前端和電流前端。電壓前端采用了剛性線圈，延長(zhǎng)了前端了使用壽命。電流前端采用了加積分器的原理，實(shí)現(xiàn)了一次、二次完全隔離，測(cè)量范圍大，使用方便。主控單元采用雙端口SRAM（Static RAM靜態(tài)存儲(chǔ)器）高速傳輸接口。在系統(tǒng)內(nèi)增加了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。存儲(chǔ)器選用靜態(tài)和高速存儲(chǔ)器,需要地址譯碼，才能將數(shù)據(jù)寫入，而先進(jìn)先出緩沖器讀寫控制簡(jiǎn)單，不需要地址譯碼。

系統(tǒng)軟件部分的主要功能是可同時(shí)采集最多16路信號(hào)，而且各信號(hào)之間無(wú)相互干擾，采集的數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存、調(diào)入。試驗(yàn)相關(guān)信息設(shè)置（包括試驗(yàn)參數(shù)、試品型號(hào)等信息）做成文件存儲(chǔ)和調(diào)用。軟件有在線和離線的數(shù)據(jù)分析功能，分析各采樣通道的統(tǒng)計(jì)參數(shù)功能，如最大值、最小值、平均值、峰值、有效值和TRV參數(shù)。為方便查看波形，需提供各種光標(biāo)顯示方式，如縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)和斜光標(biāo)。通過(guò)光標(biāo)移動(dòng)，查看某一點(diǎn)的峰值、有效值，兩個(gè)光標(biāo)之間的最小值、最大值、積分、焦耳積分、微分、相角、時(shí)間間隔及兩個(gè)光標(biāo)之間電流信號(hào)的合閘相角等。本系統(tǒng)適用于額定電壓0～300kV、額定電流0～100KA等級(jí)范圍內(nèi)的短路試驗(yàn)。框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 框架結(jié)構(gòu)圖

采集系統(tǒng)電流傳感器的選擇：線圈及積分器。優(yōu)點(diǎn)是，一次、二次實(shí)現(xiàn)隔離，量程廣，切換監(jiān)測(cè)點(diǎn)便捷。但其缺點(diǎn)是，無(wú)法保證非周期分量準(zhǔn)確性，該因素將直接導(dǎo)致開斷電流非周期性分量誤差及峰值誤差，即功率因數(shù)誤差。

采集系統(tǒng)電壓傳感器的選擇：阻容分壓器。不能兼作沖擊電壓發(fā)生器的負(fù)荷（調(diào)波）電容使用，它只供作為測(cè)量電壓的轉(zhuǎn)換裝置之用。低阻尼電容分壓器的串聯(lián)電阻的阻尼很小，它不會(huì)影響試驗(yàn)回路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波。

本采集系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：顯示操作單元上位機(jī)顯示，全中文菜單，界面清晰直觀，操作簡(jiǎn)單方便；主控單元選用了功能強(qiáng)勁的CY3000D數(shù)據(jù)光纖測(cè)試系統(tǒng)，可同時(shí)采集16路通道；可程控采樣頻率達(dá)到1kHz/CH-500kHz/CH；可程控記錄長(zhǎng)度1kB～1024kB；實(shí)現(xiàn)光電隔離，既能保障系統(tǒng)和工作人員的安全，也能保證采集的不失真性；響應(yīng)速度快，既可以傳輸直流信號(hào)，又可以傳輸高頻脈沖信號(hào)；單向傳輸信號(hào)，寄生電容反饋?。粺o(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)。

3 設(shè)計(jì)裝置的分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)具有良好的分?jǐn)嗄芰?，?jì)劃進(jìn)行以下試驗(yàn)。西門子s7-300PLC、中山市鴻智電氣有限公司12kV高壓斷路器、江西明正變電設(shè)備有限公司Gn19-12kV隔離斷路器、蘇州安泰變壓器有限公司多相干式雙繞組多勵(lì)磁變壓器。ADD-0305-205直流恒流源、天水長(zhǎng)城成套開關(guān)股份有限公司、蘇州合展電氣有限公司柱式點(diǎn)動(dòng)調(diào)壓器、江蘇雷宇有限公司CY3000D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為本次試驗(yàn)選用的重要部件。

Ubc是試驗(yàn)電源電壓，Ub是試品熔斷后的恢復(fù)電壓，Ic是預(yù)熱轉(zhuǎn)換后采集系統(tǒng)獲得的電流數(shù)據(jù)。電流可根據(jù)測(cè)試要求進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)低壓側(cè)電流由可編程控制器增加壓力進(jìn)行操作。將試驗(yàn)電流調(diào)整完畢后，安裝試驗(yàn)試品。通過(guò)PC啟動(dòng)預(yù)熱轉(zhuǎn)換程序，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作功能。操作流程為先給操作斷路器發(fā)出關(guān)合指令，到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間后斷路器開斷，隨后關(guān)合高壓斷路器，直至試品熔斷。圖5為熔斷器分?jǐn)嘣囼?yàn)示波圖。

圖5 熔斷器分?jǐn)嘣囼?yàn)示波圖

熔斷器測(cè)試結(jié)果為：熔絲的過(guò)電壓未超過(guò)規(guī)定值；熔斷體未損壞到危及操作者及更換困難的程度；）試驗(yàn)后，絕緣電阻=10.6MΩ；無(wú)持續(xù)燃弧、飛弧或危及周圍的任何火焰噴出；分?jǐn)嗄芰y(cè)試時(shí)間為67s。經(jīng)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)符合GB/T 13539標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程為67s，滿足了熔斷器的實(shí)際測(cè)試需要，達(dá)到了本文預(yù)期的預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

綜上，本文設(shè)計(jì)的預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠改善熔斷器分?jǐn)嗄芰?，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)符合GB13539標(biāo)準(zhǔn)要求。本設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)采集、預(yù)熱轉(zhuǎn)換器、高低壓轉(zhuǎn)換裝置和低壓大電流裝置整合起來(lái)，充分滿足了預(yù)熱轉(zhuǎn)換試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、高低壓切換的試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)主回路和預(yù)熱回路之間的快速切換，提高了試驗(yàn)成功率，減少了試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)，符合我國(guó)節(jié)能環(huán)保的政策要求，提升了試驗(yàn)室的經(jīng)濟(jì)效益，因此該系統(tǒng)具有進(jìn)一步研究分析方法應(yīng)用的價(jià)值。