高原電器產(chǎn)品短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)室建設(shè)研究

謝國(guó)政，趙榮浩，趙 磊

（1. 昆明電器科學(xué)研究所，昆明 650221； 2. 昆明高海拔電器檢測(cè)有限公司，昆明 650221）

概述

對(duì)電工產(chǎn)品進(jìn)行短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)是IEC標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容，也是國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(CCC認(rèn)證)的主要試驗(yàn)項(xiàng)目，如GB 14048.2-2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》等標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了具體規(guī)定。GB/T 20645-2006 《特殊環(huán)境條件 高原用低壓電器技術(shù)要求》定義了高原型產(chǎn)品類別，自標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施以來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)和跨國(guó)公司紛紛投資開發(fā)高原型電工產(chǎn)品。但受當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)試驗(yàn)?zāi)芰ο拗?，在檢測(cè)項(xiàng)目中未對(duì)高原型產(chǎn)品的短路試驗(yàn)要求做出具體規(guī)定。另外即將實(shí)施的低壓成套開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于安裝場(chǎng)地海拔超過(guò)2000m使用的設(shè)備，“要考慮介電強(qiáng)度的降低，器件的分?jǐn)嗄芰涂諝饫鋮s效果的減弱”[1]。但由于我國(guó)相關(guān)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)均在1000m及以下地區(qū)，在產(chǎn)品型式試驗(yàn)過(guò)程中，許多產(chǎn)品并沒有經(jīng)過(guò)2000m條件下的短時(shí)耐受電流試驗(yàn)，而是采用外推方法確定。GB/T 22580-2008 《特殊環(huán)境條件 高原電氣設(shè)備技術(shù)要求 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》對(duì)低壓成套開關(guān)設(shè)備的高原環(huán)境試驗(yàn)提出了“對(duì)短路強(qiáng)度值進(jìn)行修正”的要求，但“修正系數(shù)待定”。因此，提升電器產(chǎn)品短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)芰?，不僅是產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)部門十分關(guān)注的事，也是制造部門改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場(chǎng)高原特色電工產(chǎn)品需求的要求。

1 模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室建設(shè)

高原電器產(chǎn)品短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)室由模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室、短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)組成。為了實(shí)現(xiàn)高海拔環(huán)境條件下的大容量電器產(chǎn)品短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)，新建了工作空間為Φ10.5m *10m、有效容積約865m3的圓柱型大型人工氣候室。氣候室采用內(nèi)保溫外承壓結(jié)構(gòu)，應(yīng)用新型保溫材料，大大提高氣候室的降溫速度和致冷效率，縮短試驗(yàn)時(shí)間，減少能耗。氣候室配備的加熱、制冷、真空系統(tǒng)機(jī)組滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11654-2013《模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室技術(shù)條件》的要求，見表1[2]。

氣候室采用高效率制冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)低溫制冷，最低溫度為-40℃。采用水汽噴霧加濕器調(diào)節(jié)濕度，濕度調(diào)節(jié)范圍為50%RH～95%RH；采用的真空系統(tǒng)滿足壓力調(diào)節(jié)范圍79.5kPa～42.0kPa（對(duì)應(yīng)海拔2000m～7000m）的要求。氣候室可進(jìn)行單參數(shù)調(diào)節(jié)或多參數(shù)調(diào)節(jié)，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14597-2010《電工產(chǎn)品不同海拔的氣候環(huán)境條件》規(guī)定。為開展模擬高原環(huán)境條件下的電工設(shè)備短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)提供支撐條件。

氣候室其它性能包括：

1）在參數(shù)穩(wěn)定期間，罐體工作空間內(nèi)風(fēng)速控制在0.5m/s或可調(diào)。

2）控制系統(tǒng)可采取手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制方式運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)氣候參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄，故障報(bào)警等功能，確保采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定可靠。

3）罐體周圍均勻設(shè)置具有防水、防霧功能的6個(gè)人工觀察窗，罐體內(nèi)設(shè)置遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試品狀態(tài)的360°監(jiān)控。

表1 人工氣候室工作空間性能參數(shù)

4）采用120mm *10mm銅母線將試驗(yàn)電流引入/出罐體。要求線路用銅母線的電阻率ρ≤0.01700Ω.mm2/m（20℃），高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定銅母線電阻率ρ≤0.01777Ω.mm2/m（20℃）要求。并考慮瞬時(shí)的電動(dòng)力對(duì)母線進(jìn)出口的密封以及低溫試驗(yàn)時(shí)冷橋等因素的影響；設(shè)置400V、10A低壓試驗(yàn)控制端子100個(gè)，便于控制線和信號(hào)線引入/出。

5）氣候室門能進(jìn)出110kV高壓開關(guān)設(shè)備、35kV箱變等試品；穿墻套管的開孔尺寸φ900mm，可進(jìn)行110kV等級(jí)外絕緣試驗(yàn)；氣候室還設(shè)置了試品進(jìn)出罐體的軌道和工作空間內(nèi)的起吊設(shè)備。

6）整機(jī)噪聲≤85dB（A）。

2 試驗(yàn)主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)由沖擊變壓器、阻抗系統(tǒng)、多磁路變壓器系統(tǒng)、調(diào)壓器、磁路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。通過(guò)對(duì)強(qiáng)電流試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)研究，采用沖擊變壓器及其阻抗系統(tǒng)、多磁路變壓器系統(tǒng)構(gòu)成的電流平滑調(diào)節(jié)裝置，可滿足不同容量電器產(chǎn)品的短時(shí)耐受強(qiáng)度試驗(yàn)，動(dòng)作符合性校正和動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)的要求。

為了能確保產(chǎn)生規(guī)定的短路試驗(yàn)電流，系統(tǒng)采用了960kVA沖擊試驗(yàn)變壓器。該變壓器初級(jí)電壓為35kV，次級(jí)電壓為0.21～1.14 kV可調(diào)，其它參數(shù)見表2。它具有短路阻抗小，輸出短路容量大；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，耐沖擊能力高；輸出電壓調(diào)節(jié)范圍廣等特點(diǎn)。

制造大功率、大電流范圍平滑調(diào)節(jié)裝置的傳統(tǒng)方法有調(diào)壓器與大電流變壓器的組合、晶閘管調(diào)壓和磁性調(diào)壓等幾種模式。若采用調(diào)壓器，則存在體積龐大、造價(jià)高、壓降大和過(guò)載能力低等問(wèn)題；而采用其他兩種方式則可能在試驗(yàn)系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波、干擾試驗(yàn)及電網(wǎng)等問(wèn)題。本項(xiàng)目采用的多磁路變壓器是由6個(gè)不等容量的磁路W1、W2、W3、W4、W5、W6組合而成，其中W2作為調(diào)節(jié)磁路以便對(duì)輸出電壓進(jìn)行細(xì)調(diào)。多磁路變壓器一次側(cè)額定電壓為380V，通過(guò)一次側(cè)繞組的投入或短接，可選擇投入的磁路。二次側(cè)繞組額定輸出電壓分別為3V、6V、12V，當(dāng)二次繞組全部并聯(lián)時(shí)，額定輸出電流為20kA，短時(shí)(1S)最大電流為80kA。二次繞組也可通過(guò)不同的串并聯(lián)獲得多種電壓值。各磁路的投入和短接采用無(wú)電源條件下手動(dòng)操作刀開關(guān)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多磁路變壓器參數(shù)見表3。

表2 沖擊試驗(yàn)變壓器主要技術(shù)參數(shù)

調(diào)壓繞組配容量為60kVA的自耦調(diào)壓器，次級(jí)繞組調(diào)壓范圍0～400V，調(diào)壓器的短時(shí)(1min)容量為422kVA，在就地及遠(yuǎn)方均可調(diào)壓。

多磁路變壓器作為一種低電壓、大電流發(fā)生裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用容量較小的調(diào)壓器即可實(shí)現(xiàn)大容量范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，其調(diào)壓容量與范圍均可獲得幾倍的擴(kuò)大。

2）由于多磁路變壓器的輸出能量直接來(lái)自電網(wǎng)、輸入電流波形正弦性良好、輸出電流波形無(wú)明顯的畸變，滿足試驗(yàn)的要求。

3）因?yàn)槭?：5的調(diào)壓方案，故設(shè)備投入運(yùn)行后效率高，損耗小。

4）配套設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)與控制方便。

本試驗(yàn)室距離110kV變電所400m，為減小試驗(yàn)對(duì)電網(wǎng)的影響，采用35kV電壓等級(jí)獨(dú)立間隔進(jìn)線。經(jīng)計(jì)算，低壓側(cè)在420V 100kA時(shí)，35kV側(cè)瞬間電流只有3540A，對(duì)電壓影響約10%。試驗(yàn)表明試驗(yàn)時(shí)反應(yīng)到高壓側(cè)的電流較小，對(duì)電網(wǎng)沖擊和電網(wǎng)電壓影響都較小。

3 測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

由于試驗(yàn)的不可重復(fù)性或重復(fù)試驗(yàn)的成本過(guò)高，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)的適時(shí)高精度采集、試驗(yàn)時(shí)間的高精度控制及試驗(yàn)過(guò)程的連鎖順序控制是測(cè)量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電壓電流傳感器（分壓器、羅氏線圈等）、數(shù)據(jù)采集卡(二級(jí)分壓器，積分器，絕緣放大、信號(hào)調(diào)理)、上位工控機(jī)、數(shù)采主機(jī)、打印機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件等組成，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中電流、電壓的采集及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、圖形化顯示與記錄。電流測(cè)量采用羅氏線圈，電流的輸入范圍大，無(wú)飽和；響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到μS級(jí)別；頻寬范圍可以達(dá)到20kHz以上，輸入波形復(fù)雜程度不受限制；輸出的線性度達(dá)到0.2%，可以精確的反映輸入信號(hào)的大?。粋鞲衅髡w精度在1%以內(nèi)；在相同輸入量程的條件下，相比傳統(tǒng)的互感器體積更小，重量更輕。

由于氣候室罐體內(nèi)大電流條件下磁場(chǎng)分布較復(fù)雜，且溫度低，溫差大，使用羅氏線圈測(cè)量電流可能難以保證測(cè)試精度，故采用了將測(cè)試線圈沿試驗(yàn)回路移出到罐體外進(jìn)行電流測(cè)量的方法。

為保證數(shù)據(jù)采集速度和靈敏度，本項(xiàng)目選用12通道（3路備用），采樣頻率200kHz，并自帶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)采集3路試驗(yàn)電源電壓(Uab，Ubc，Uca)，3路試品斷口電壓(UAa，UBb，UCc)，3路試品電流(Ia，Ib，Ic)。采集卡配有線性度好的絕緣放大器和信號(hào)調(diào)理電路，再由測(cè)量軟件進(jìn)行參量分析等后期數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖見圖1。

試驗(yàn)室試驗(yàn)控制系統(tǒng)由可編程序控制器(PLC)、上位計(jì)算機(jī)及監(jiān)控軟件、安全連鎖系統(tǒng)等組成[3]。PLC選用ModiconTSX Premium 系列產(chǎn)品，通過(guò)基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)交換信息。PLC負(fù)責(zé)采集試驗(yàn)用選擇開關(guān)、設(shè)備單機(jī)控制開關(guān)、斷路器、合閘開關(guān)、接地開關(guān)、試品及各個(gè)試驗(yàn)房間門狀態(tài)、各設(shè)備的準(zhǔn)備就緒信號(hào)。這些信號(hào)與PLC系統(tǒng)的信息交換均為無(wú)源接點(diǎn)。在時(shí)間精度要求50ms以上時(shí)，可通過(guò)PLC來(lái)控制試驗(yàn)過(guò)程的時(shí)序。對(duì)時(shí)間精度要求高的試驗(yàn)，則采用美國(guó)Nicolet公司生產(chǎn)的可編程時(shí)序控制器來(lái)完成時(shí)序控制功能，其時(shí)間精度為±2ms。

表3 多磁路變壓器主要參數(shù)表

上位監(jiān)控軟件基于CitectSCADA開發(fā)，具有友好的人機(jī)界面，支持多種標(biāo)準(zhǔn)的通信方式及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，便于各種控制設(shè)備、儀表引入系統(tǒng)。試驗(yàn)員可以通過(guò)鼠標(biāo)選擇試驗(yàn)方式、試驗(yàn)類型、開關(guān)動(dòng)作順序等操作。監(jiān)控軟件主要功能有：

1）通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，包括試品型式、試驗(yàn)類型、試品位置、試驗(yàn)線路、通電時(shí)間和試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)等等。

2）控制試驗(yàn)啟停。

3）檢查試驗(yàn)設(shè)備之間的安全連鎖，滿足必要安全連鎖條件下才能進(jìn)入試驗(yàn)程序。

4）檢查試驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)備狀態(tài)，確保系統(tǒng)中各設(shè)備正常時(shí)才啟動(dòng)試驗(yàn)。如果任何一個(gè)狀態(tài)不正常，則PLC將終止運(yùn)行，并顯示故障信息。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

圖2 試驗(yàn)控制軟件構(gòu)造圖

圖3 試驗(yàn)控制流程框圖

5）顯示終端顯示通道輸出開始時(shí)間、輸出持續(xù)時(shí)間等參數(shù)及設(shè)備的正常狀態(tài)、試驗(yàn)狀態(tài)、異常狀態(tài)、安全連鎖狀態(tài)等信息。

6）輸出聲光報(bào)警信號(hào)，記錄試驗(yàn)參數(shù)，儲(chǔ)存試驗(yàn)波形。

試驗(yàn)控制軟件構(gòu)造圖見圖2。試驗(yàn)控制主流程框圖見圖3。

系統(tǒng)設(shè)置了多重安全連鎖保護(hù)。除上位軟件進(jìn)行連鎖外，還設(shè)計(jì)有外部硬件線路連鎖、門控安全鎖、時(shí)間電流單元等保護(hù)環(huán)節(jié)，用于試驗(yàn)過(guò)程的人員和設(shè)備的保護(hù)，確保試驗(yàn)室安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)室達(dá)到以下試驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>

1）短時(shí)耐受電流試驗(yàn)：試驗(yàn)電流80kA，3相，1S。

2）斷路器電壽命試驗(yàn)?zāi)芰Γ喝嘣囼?yàn)電壓420V，試驗(yàn)電流4000A，功率因數(shù)0.8；三相試驗(yàn)電壓690V，試驗(yàn)電流2500A，功率因數(shù)0.8。

3）斷路器6倍過(guò)載能力試驗(yàn)：滿足額定電壓420V，額定電流630A產(chǎn)品的試驗(yàn)要求。

4）直流接觸器接通分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)：試驗(yàn)電壓0～250V可調(diào)，試驗(yàn)電流3000A，T=25ms 。

試驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)芰νㄟ^(guò)了中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可并獲得相關(guān)認(rèn)可證書，同時(shí)成為國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督委員會(huì)低壓電器強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（CCC認(rèn)證）指定實(shí)驗(yàn)室，彌補(bǔ)了我國(guó)該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴目瞻住?/p>

[1]GB 7251.1-2013/IEC 61439-1:2011,低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1 部分 總則[S].

[2]JB/T 11654-2013, 模擬高海拔環(huán)境的大型人工氣候室技術(shù)條件[S].

[3]魏智勇,張勇.低壓電器試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與通用監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)[J].低壓電器, 2009,5(5):54-56.