基于地震考核試驗(yàn)的水電站高壓開(kāi)關(guān)柜干擾信號(hào)分析

周 磊

(新疆阿拉爾市新城建筑有限責(zé)任水利分公司 新疆 阿拉爾 843300)

電氣監(jiān)測(cè)作為電氣設(shè)備考核的一項(xiàng)非常重要內(nèi)容，其主要工作為觀察電氣測(cè)點(diǎn)信號(hào)，判斷電氣設(shè)備各電氣連接點(diǎn)是否可靠，電氣開(kāi)關(guān)、二次回路、交流真空接觸器等工作狀態(tài)是否正常，在地震荷載作用下各連接點(diǎn)及電氣觸點(diǎn)的接觸電阻有無(wú)變化等。通過(guò)觀測(cè)回路工作電壓與電流的變化情況，可直觀了解電氣設(shè)備在動(dòng)荷載作用下的工作性能。

1 水電站高壓開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)

在早期的水電站設(shè)備抗震試驗(yàn)研究中，部分電氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用將白熾燈串入電氣觸點(diǎn)回路，在接入220V交流電壓的情況下，通過(guò)觀察燈泡點(diǎn)亮狀態(tài)的變化來(lái)確定電氣觸點(diǎn)是否有誤，這就要求在試驗(yàn)時(shí)要派若干個(gè)人用肉眼分別去觀測(cè)各燈泡亮度的變化。這樣的方法由于人眼的滯后效應(yīng)及識(shí)別能力的限制，加上如果電氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，將很難全面觀察研究對(duì)象的觸點(diǎn)瞬間變化情況。而在電氣設(shè)備中，大于一定時(shí)間間隔（如20ms）的瞬間開(kāi)路是不允許的，這一要求人的肉眼就更難判斷了。為了全面了解觸點(diǎn)的瞬間變化情況，采用計(jì)算機(jī)對(duì)電氣觸點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的高精度采樣，可了解整個(gè)抗震考核試驗(yàn)過(guò)程中的電氣觸點(diǎn)的狀態(tài)，從而對(duì)研究對(duì)象的電氣性能作出客觀評(píng)價(jià)。水電站高壓開(kāi)關(guān)柜的電氣監(jiān)測(cè)是將高壓開(kāi)關(guān)柜的A、B、C三相主回路及A相互感器次級(jí)回路分別加入直流電壓，并接至計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，通常采樣時(shí)間間隔為1/800s，在振動(dòng)情況下記錄相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2 水電站高壓開(kāi)關(guān)柜的抗震可靠性分析

電氣元件的抗震可靠性是電氣設(shè)備質(zhì)量指標(biāo)的主要組成部分，一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量再高，如果它的抗震可靠性不高，由它生產(chǎn)的電氣設(shè)備的質(zhì)量也就不高，甚至其中某一個(gè)產(chǎn)品的抗震可靠性問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的抗震可靠性下降，甚至無(wú)法工作。尤其對(duì)繼電器、交流接觸器類以電磁為主要控制電路的開(kāi)關(guān)柜，電氣觸點(diǎn)特別容易受振動(dòng)的影響，電氣元件越多，其抗震可靠性就越差。電氣元件或電氣設(shè)備的抗震可靠性主要指在規(guī)定的條件下，地震發(fā)生時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。

因?yàn)殡姎庠O(shè)備由許多電氣單元和連接線路組成，由于受電氣設(shè)備抗震考核試驗(yàn)中采樣點(diǎn)及人力、物力的限制，不可能對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的每個(gè)電氣單元都作電氣監(jiān)測(cè)。這就導(dǎo)致樣機(jī)一部分二次回路的故障未被監(jiān)測(cè)。而設(shè)備又不能帶荷工作，因而這些故障現(xiàn)象無(wú)法反映出來(lái)，使得電氣監(jiān)測(cè)出現(xiàn)盲區(qū)和不全面性，無(wú)法為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而某一地震荷載下研究對(duì)象的抗震可靠性分析正好可以彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足，整體抗震可靠性分析的基礎(chǔ)就是內(nèi)部每一個(gè)電氣單元的可靠性數(shù)據(jù)。

把電氣開(kāi)關(guān)柜看成是由電氣網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)體，它的抗震可靠性不僅與柜體中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電氣元件抗震可靠性有關(guān)，而且還受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。所以在分析研究對(duì)象抗震可靠性時(shí)，首先必須確認(rèn)地震荷載的大小，然后將設(shè)備內(nèi)的電氣連接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化。對(duì)于本三相電氣開(kāi)關(guān)柜，將三個(gè)主回路作為電氣網(wǎng)絡(luò)的輸出端，兩個(gè)控制信號(hào)的發(fā)出端作為網(wǎng)絡(luò)的輸入端，這樣電氣開(kāi)關(guān)柜就是一個(gè)具有三個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)輸出端、兩個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)輸入端的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)此處理后，實(shí)際的系統(tǒng)原理圖就被簡(jiǎn)化成多輸入三輸出的邏輯方塊圖，根據(jù)需要將電路中的電氣元件作串聯(lián)處理。由于每條串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通路中的電氣元件都是相互關(guān)聯(lián)的，任何一個(gè)電氣元件最先出故障都會(huì)導(dǎo)致該串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的不正常，所以該串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可靠性取決于通路中可靠性最低的電氣單元。

對(duì)于水電站復(fù)雜的電氣開(kāi)關(guān)柜內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性分析，可以采用最小路集法。這種方法就是首先統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所有的最小路集，如L1(x),L2(x),......,Lk(x)。對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些路集的結(jié)構(gòu)函數(shù)表示為：

上式中A、B、C分別表示三相主回路的輸出端，L表示兩個(gè)控制信號(hào)的輸入端。

相應(yīng)的系統(tǒng)可靠度為：

式中,函數(shù)E為數(shù)學(xué)期望,

3 高壓開(kāi)關(guān)柜開(kāi)關(guān)動(dòng)作引發(fā)的干擾信號(hào)分析

開(kāi)關(guān)柜在地震考核試驗(yàn)時(shí)，需進(jìn)行開(kāi)閉閘動(dòng)作，柜內(nèi)的交流接觸器在通電或斷電動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生較大的作用力，對(duì)被測(cè)試構(gòu)件帶來(lái)附加振動(dòng)。同時(shí)通斷電的瞬間也會(huì)產(chǎn)生很大的交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)在測(cè)量回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這兩種方式都會(huì)在加速度和應(yīng)變時(shí)程曲線上引起較大的尖峰脈沖信號(hào)。如果是由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引起的，且振動(dòng)量級(jí)較大，會(huì)對(duì)其它的電氣元件的正常工作產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)?dǎo)致其它元器件誤動(dòng)作。如果干擾信號(hào)是由電磁輻射引起的，則不必考慮其影響。為判斷干擾信號(hào)的性質(zhì)，需對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)信號(hào)做進(jìn)一步分析。

例如，某項(xiàng)試驗(yàn)的電氣監(jiān)測(cè)曲線，在曲線的上升段前沿，有一個(gè)電壓跳變信號(hào)，其幅度為1.1V，從第一個(gè)圖很難發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的原因，將該圖展開(kāi)后，該跳變的信號(hào)發(fā)生在21.1548s，而觸點(diǎn)動(dòng)作發(fā)生的時(shí)刻在21.1764s，兩者之間的時(shí)間差為21.6ms，根據(jù)生產(chǎn)單位提供的該產(chǎn)品技術(shù)參數(shù),產(chǎn)品從回路控制到交流真空接觸器動(dòng)作的延遲時(shí)間約為20ms，由此斷定此處的脈沖信號(hào)是由電磁線圈的電磁輻射引起的。再如，某交流真空接觸器底座后中部（A3）加速度時(shí)程曲線，曲線上的脈沖信號(hào)幅度的大小換算成加速度值將達(dá)到17。該信號(hào)如果是由于交流真空接觸器的開(kāi)閉動(dòng)作引起的，有可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成不良影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮必要的減震與隔振措施。在交流真空接觸器動(dòng)作的瞬間，底座上的加速度時(shí)程曲線上有一個(gè)較大的脈沖響應(yīng)信號(hào)，該響應(yīng)信號(hào)的起點(diǎn)與交流真空接觸器動(dòng)作的電氣監(jiān)測(cè)信號(hào)的起點(diǎn)重合，說(shuō)明該加速度測(cè)點(diǎn)上的脈沖響應(yīng)信號(hào)是由交流真空接觸器動(dòng)作時(shí)的撞擊引起的，而不是由控制信號(hào)的電磁輻射引起的，干擾信號(hào)的加速度峰值量級(jí)20余倍于地震考核響應(yīng)最大量級(jí)。因此，在交流真空接觸器的設(shè)計(jì)與安裝時(shí)應(yīng)考慮這樣的影響，建議采取相應(yīng)的減震措施以減輕交流真空接觸器動(dòng)作對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)有關(guān)技術(shù)要求，在一次回路或二次回路誤動(dòng)作時(shí)間大于10ms（具體要求視使用情況而定）時(shí)，系統(tǒng)將被判為該地震考核量級(jí)下不合格。根據(jù)哈里·奈奎斯特（Harry Nyquist）采樣定律，為保證信號(hào)被不失真地還原，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的采樣頻率必須大于兩倍的信號(hào)最高頻率。本次研究中，為滿足電氣觸點(diǎn)信號(hào)采樣要求，必須使采樣頻率大于200Hz，實(shí)際上試驗(yàn)所采用的信號(hào)采樣頻率為800Hz，已大于所需要的采用頻率，因此，極大地保證了電氣觸點(diǎn)信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉。

4 結(jié)論

電氣監(jiān)測(cè)是電氣設(shè)備考核的一項(xiàng)非常重要內(nèi)容，通過(guò)觀測(cè)回路工作電壓與電流的變化情況，可直觀了解電氣設(shè)備在動(dòng)荷載作用下的工作性能。本文研究結(jié)果表明，要滿足電氣觸點(diǎn)信號(hào)采樣要求，必須使采樣頻率大于200Hz。本次試驗(yàn)所采用的信號(hào)采樣頻率為800Hz，大于所需要的采用頻率，保證了電氣觸點(diǎn)信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉。陜西水利

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