張雙榮 盛建華 陳振家 陸俊陽 謝 智

（甘肅電器科學(xué)研究院）

0 引言

隨著我國輸變電網(wǎng)絡(luò)快速擴(kuò)展，中國電網(wǎng)建設(shè)保持高速發(fā)展，高、低壓開關(guān)設(shè)備作為重要的保護(hù)和控制電器，其性能的可靠性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行起著重要作用，而斷路器的機(jī)械特性參數(shù)又是斷路器的重要性能指標(biāo)[1]。因此，高壓斷路器性能的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行[2]。根據(jù)國家電力監(jiān)管委員會的長期統(tǒng)計顯示，斷路器發(fā)生失效的主要原因是斷路器的機(jī)械故障[3-4]，而高壓斷路器動觸頭行程位移檢測作為高壓斷路器狀態(tài)檢測的一個重要方面，可以直觀反映斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)，即機(jī)械特性[5-6]，因此高壓斷路器動觸頭行程位移檢測是斷路器檢測中不可缺少的部分。而由于高、低壓開關(guān)在實際工作當(dāng)中經(jīng)過長期多次的合分動作，導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備觸頭以及各個運動部件的磨損，會直接影響電網(wǎng)的正常運行及可靠性。

各種型式的高、低壓開關(guān)的磨合次數(shù)對觸頭磨損程度和機(jī)械特性各項數(shù)據(jù)有著較大影響，為輸配電維保工作提供設(shè)備更換周期的參考依據(jù)，故迫切需要一種測試儀器能夠在磨合過程中同步采集機(jī)械特性數(shù)據(jù)以及回路電阻的測試設(shè)備，得出磨合次數(shù)對觸頭磨損程度和機(jī)械特性各項數(shù)據(jù)的影響關(guān)系曲線是非常有意義的。

1 一體測試儀設(shè)計要求

本測試儀可進(jìn)行各種型式的高、低壓開關(guān)設(shè)備的機(jī)械特性測量，通過在磨合過程中同步采集機(jī)械特性數(shù)據(jù)以及回路電阻的測試設(shè)備，得出磨合次數(shù)對觸頭磨損程度和機(jī)械特性各項數(shù)據(jù)的影響關(guān)系曲線。一體測試儀的設(shè)計要求如下：其試驗參數(shù)可隨時調(diào)整，試驗數(shù)據(jù)也可即時測量；機(jī)械特性數(shù)據(jù)以及回路電阻的采集頻率可隨時調(diào)整；數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；輸出操作電壓DC/AC 0～300V無極可調(diào)。

2 測試儀參數(shù)確定

參考國內(nèi)外該類型測試儀以及高、低壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械壽命及機(jī)械特性試驗測試條件，確定一體測試儀的主要結(jié)構(gòu)為：①合分閘動作控制系統(tǒng)：采用計算機(jī)作為上位機(jī)控制PLC選擇交流或直流電源并輸出，以及對試品合閘、分閘、儲能二次回路供電的通斷，實現(xiàn)合閘、分閘、儲能的動作控制。②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：直線電阻式位移傳感器實時采集動觸頭位置以及換算移動速度；通過斷口信號電位變化狀態(tài)來確定觸頭的剛分（剛合）時刻，即斷口的狀態(tài)變化時刻就是剛分（剛合）時刻；回路電阻測試儀：在每次合閘動作完成后由計算機(jī)控制回路電阻測試儀進(jìn)行各相回路電阻測量并將阻值上傳至計算機(jī)用于統(tǒng)計并繪制曲線。③電源系統(tǒng)：包括三組艾德克斯生產(chǎn)的IT6726H 的直流電源和三組艾德克斯生產(chǎn)的IT7324交流電源組成的電源組，為分閘合閘提供控制電源和儲能電源。

3 組成及工作原理

高、低壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性及機(jī)械壽命一體測試儀主要由計算機(jī)、3臺交流電源、3臺直流電源、PLC控制器、數(shù)據(jù)采集器、3套KTM微型直線電阻式位移傳感器、電位信號傳感器、3套回路電阻測試儀組成。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本測試儀由計算機(jī)通過交換機(jī)分別連接PLC、數(shù)據(jù)采集器和回路電阻測試儀完成電源控制、動作控制、機(jī)械特性數(shù)據(jù)的采集以及回路電阻測試的運行和采集。如圖1所示，計算機(jī)通過交換機(jī)分別與PLC控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和回路電阻測試儀連接，首先計算機(jī)控制軟件根據(jù)試品操作電壓控制PLC控制器選擇直流或交流電源供電，并通過PLC控制繼電器組1內(nèi)的繼電器進(jìn)行相應(yīng)動作，給分閘回路、合閘回路、儲能回路、閉鎖回路供電，使試品按試驗流程執(zhí)行對應(yīng)的操作。在每次合閘合分閘過程中，PLC控制器控制繼電器組3接通斷口與電位信號傳感器相通，繼而將斷口的剛分剛合時間點數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器組傳與計算機(jī)進(jìn)行分析，得到合分閘準(zhǔn)確時間和速度。

圖1 高、低壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性及機(jī)械壽命一體測試儀控制原理圖

回路電阻的測量由計算機(jī)軟件依據(jù)試驗流程在每次或每幾次循環(huán)的合閘后，由PLC控制繼電器組2的繼電器接通繼而接觸器組接通，繼電器組3斷開，再由計算機(jī)控制3臺回路電阻測試儀對每組斷口的回路電阻進(jìn)行測量，并將當(dāng)前所測得的回路電阻回傳給計算機(jī)用于磨合過程中回路電阻變化曲線的繪制?；芈冯娮铚y量完畢后再由PLC控制器控制繼電器組2的繼電器斷開，接觸器組也隨即斷開，繼電器組3接通，再完成之后的分閘動作。

3.2 觸頭速度-時間特性檢測

機(jī)械特性的測試方法，首先將各組斷口夾夾于斷口處，用來確定剛分（剛合）時刻，再將3組電阻式位移傳感器的運動桿分別與動觸頭動作桿剛性連接，傳感器座固定牢固，在合分閘動作過程中，動觸頭的移動帶動位移傳感器的運動桿運動，以此便可采集到動觸頭真實的運動信息。

在進(jìn)行觸頭位移信號檢測的過程中，通過斷口信號電位變化狀態(tài)來確定觸頭的剛分（剛合）時刻，即斷口的狀態(tài)變化時刻就是剛分（剛合）時刻，考慮到分合閘過程中存在操作機(jī)構(gòu)的振動和電磁器件的干擾，使位移傳感器輸出的非平穩(wěn)信號存在噪聲，因此需要對采集到的位移信號進(jìn)行去噪處理[7]，故本文選用文獻(xiàn)[7]中連續(xù)可微閾值函數(shù)與尺度閾值的小波去噪方法，經(jīng)小波去噪后的位移信號中相鄰兩個采樣點間觸頭運動的位移與采樣周期的商（即兩個采樣點間觸頭的平均速度）作為前一個采樣點的速度，依次求得相鄰兩個采樣點間觸頭運動的平均速度，即可得到斷路器在分合閘過程中觸頭運動曲線[7]，如圖2所示，再配合斷路器剛分和剛合時間點，便可得到動觸頭的平均速度。

圖2 合分閘運動曲線

3.3 合分閘不同期的檢測

高壓開關(guān)的不同期性是指在合分閘的過程中，三相間及或同一相各斷口間的觸頭接觸瞬間的最大時間差異值，當(dāng)操動機(jī)構(gòu)推動三相動觸頭開始運動，系統(tǒng)實時檢測斷口信號電位變化狀態(tài)，記錄各相主回路電位變化的時間點，即為各動觸頭接觸或脫離瞬間的時間點，通過軟件計算，得到三相動觸頭接觸時間的最大差，即可得到合分閘不同期數(shù)據(jù)。

4 測試儀應(yīng)用情況

選用某廠家的12kV戶內(nèi)斷路器進(jìn)行1000次機(jī)械壽命試驗和機(jī)械特性的檢測，用于設(shè)備驗證，所測得的機(jī)械特性數(shù)據(jù)如下表所示。

表 機(jī)械壽命試驗前后機(jī)械特性統(tǒng)計表

機(jī)械壽命試驗完成后對每個循環(huán)所采集到的回路電阻進(jìn)行統(tǒng)計并繪制如圖3所示的回路電阻變化曲線圖。

圖3 回路電阻變化曲線圖

該一體測試儀運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，曲線平滑，界面顯示清晰明了?；芈冯娮钄?shù)據(jù)統(tǒng)計詳細(xì)完整。在進(jìn)行12kV戶內(nèi)斷路器1000次機(jī)械壽命試驗及試驗前后機(jī)械特性的測量性能試驗之后還進(jìn)行了戶外斷路器、負(fù)荷開關(guān)、交流接觸器、隔離開關(guān)等高、低壓開關(guān)設(shè)備，試驗結(jié)果均達(dá)預(yù)期。

5 結(jié)束語

針對高、低壓開關(guān)設(shè)備對于其機(jī)械特性的測試以及機(jī)械壽命試驗的需求，研發(fā)了具有高集成度、高性能參數(shù)的一體式測試儀，通過多種高低壓開關(guān)設(shè)備試驗驗證，調(diào)試結(jié)果表明，性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，整體運行可靠，兼容性較高。該一體測試儀的研制能夠得到各種類型的開關(guān)設(shè)備其磨合次數(shù)對觸頭磨損程度和機(jī)械特性各項數(shù)據(jù)的影響關(guān)系曲線，對于提高國家電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性以及輸配電維保工作的合理性和高效性有著重要的意義。