基于雙端接地的高壓斷路器機(jī)械特性校驗(yàn)方法研究

蘭 煒 王嘯峰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠海519000）

0 引言

斷路器是電力系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備之一，其主要功能是關(guān)合負(fù)荷電流、故障電流、工作電流等一系列的大電流。斷路器通過和二次繼保及潮流分析配合，可以及時(shí)切斷故障，完成運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，保證整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證供電可靠性。斷路器具有滅弧功能，根據(jù)滅弧的功能，又可以分為六氟化硫斷路器、真空斷路器、油斷路器等[1]。

為了保證斷路器的可靠運(yùn)行，斷路器的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及運(yùn)維后期都需要依照有關(guān)規(guī)程完成。斷路器投運(yùn)前，需要完成動(dòng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)、電壓等級(jí)匹配校驗(yàn)、關(guān)合電流大小校驗(yàn)等一系列校驗(yàn)工作，還需要經(jīng)絕緣、介質(zhì)損耗等一系列電氣試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)均無誤，方可將斷路器投入運(yùn)行。在投入運(yùn)行以后，由于斷路器需要經(jīng)常分合大電流，因此設(shè)備功能的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。根據(jù)廣東電網(wǎng)規(guī)范化檢修的要求，為了能夠保證斷路器的正常運(yùn)行，需要在不同的時(shí)間段針對(duì)不同的開關(guān)進(jìn)行一定的機(jī)械試驗(yàn)。對(duì)于母聯(lián)斷路器此類大電流斷路器需要3年完成一次機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)，以保證斷路器的可靠運(yùn)行；對(duì)于出線類斷路器則需要6年進(jìn)行一次機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)周期看似較長，但由于斷路器在電力系統(tǒng)中運(yùn)用極廣，故而其機(jī)械特性試驗(yàn)工作量極大，對(duì)于工作班組來說，一年要做400臺(tái)以上斷路器開關(guān)動(dòng)作特性試驗(yàn)。在如此大的工作量之下，對(duì)于機(jī)械特性試驗(yàn)方案進(jìn)行合理改進(jìn)，就顯得尤為重要，也有利于提高機(jī)械特性試驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)的測試方法需要將一次接線連接到斷路器端口的兩側(cè)，因此要求斷路器端口至少有一側(cè)處于開路狀態(tài)才能進(jìn)行。部分組合電器開關(guān)由于斷路器兩側(cè)無引出點(diǎn)，需要母線停電并進(jìn)行解鎖操作，用相鄰出線間隔進(jìn)行試驗(yàn)，其中會(huì)涉及停電困難、增加安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。而部分?jǐn)嗦菲鳛榱藵M足測試條件至少一側(cè)處于開路狀態(tài)，需要進(jìn)行高空解線工作，增加了工作量和安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

近年來，為解決無法在雙端接地的情況下完成機(jī)械特性動(dòng)作試驗(yàn)的問題，不少文章針對(duì)該問題提出了一些基礎(chǔ)研究及基本方法，以達(dá)到基于雙端接地也可以完成機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)的目的。

基于雙端接地的機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)方案，不僅可以保證兩端的接地隔離開關(guān)均能夠保持合位，保證工作的安全性，還能夠減少運(yùn)行人員拉開一側(cè)接地隔離開關(guān)所耗費(fèi)的時(shí)間，提高進(jìn)行機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)的效率。本文針對(duì)以上提出的內(nèi)容，對(duì)基于雙端接地的開關(guān)特性試驗(yàn)方案進(jìn)行討論，并結(jié)合理論，論證其可行性。

1 兩端接地機(jī)械特性組成單元

高壓斷路器機(jī)械特性試驗(yàn)主要是用于測量斷路器的分合閘時(shí)間、彈跳次數(shù)、三相不同期以及分合閘的速度，因此需要具備一定的元器件方可完成以上數(shù)據(jù)的檢測[4]。

首先是開關(guān)特性儀（圖1），為了實(shí)現(xiàn)人性化擬人操作，需要配置一套人為操作系統(tǒng)和控制面板，主要是為了方便機(jī)械特性儀使用人對(duì)特性試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓、測量方法進(jìn)行合理的設(shè)置，可以根據(jù)需要進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，提高特性儀的靈活性。再來，開關(guān)特性儀還應(yīng)配置接線端口，接線端口分為一次接線端和二次接線端。二次接線端是為開關(guān)的分合閘二次回路提供電能，方便特性儀對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘指令的操作。一次接線端則是接于斷路器觸頭附近，方便特性儀器對(duì)斷路器的分合閘時(shí)間、彈跳次數(shù)、三相不同期以及分合閘速度進(jìn)行測量。同樣地，特性儀器為了配合這些端子，還應(yīng)該配備對(duì)應(yīng)端子的接線，用以匹配數(shù)據(jù)的檢測[5]。檢測完數(shù)據(jù)，為了方便測量者進(jìn)行直觀觀察和數(shù)據(jù)保存，往往會(huì)配置一個(gè)微型打印機(jī)，對(duì)機(jī)械試驗(yàn)的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行紙質(zhì)材料的打印，用以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行合理的檢測，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性以及可靠性[6]，特性儀器還需要配備一系列電路板、傳感器等裝置。一般的特性儀器以微處理器的單片機(jī)控制系統(tǒng)為主，其主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)外部配合系統(tǒng)、對(duì)應(yīng)使用的傳感器種類（如需進(jìn)行測速，會(huì)在外部匹配有測速的傳感器）、與之匹配的電路系統(tǒng)和電路板、時(shí)鐘電路、串行接口電路等不同的電子裝備。

圖1 特性儀基本原理框圖

特性儀通過軟件和硬件的匹配，能夠使操作人更為人性化地測量斷路器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄。

2 兩端接地機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)技術(shù)原理

雙端接地開關(guān)的測試一直困擾著檢修人員，為了能夠在做機(jī)械動(dòng)作特性試驗(yàn)時(shí)，在開關(guān)一次回路中形成閉合回路，常常需要拉開一側(cè)的接地隔離開關(guān)，尤其是GIS開關(guān)，由于其多方面接地的原因，檢修人員不得不一一將其斷開才能進(jìn)行測試，這樣會(huì)給檢修人員帶來不便，同時(shí)檢修人員需要在一側(cè)未接地的情況下工作，這樣安全風(fēng)險(xiǎn)性大，不利于安全生產(chǎn)工作的開展[4]。

為了能夠解決此類問題，必須對(duì)現(xiàn)有特性儀的檢測原理進(jìn)行一定的改進(jìn)或者優(yōu)化，使其能夠在雙端接地的情況下完成開關(guān)機(jī)械特性試驗(yàn)工作（圖2）[7]。

圖2 特性儀一次接線圖

2.1 外接恒流源法

由于開關(guān)特性儀器的檢測主要依靠對(duì)電流進(jìn)行測量，而拉開一側(cè)接地隔離開關(guān)就是為了方便形成閉合回路，以便進(jìn)行機(jī)械特性測量。為了實(shí)現(xiàn)以上效果，可以在需要拉開隔離開關(guān)的一側(cè)裝設(shè)電容或者恒定電流源等，利用接地隔離開關(guān)合閘、分閘狀態(tài)下地阻的變化，測出地阻變化前后對(duì)應(yīng)的電壓u1、u2，并利用以下公式算出電壓差量：

利用公式差量和電壓前后的變化，對(duì)斷路器的機(jī)械特性進(jìn)行合理測量。該方法雖然原理簡單，容易施行，但是由于目前市面上的電流源要達(dá)到可測范圍的電流，造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

2.2 感應(yīng)電流測試法

斷路器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在合閘狀態(tài)時(shí)，往往由于周邊設(shè)備及電力系統(tǒng)中諧波分量影響，會(huì)有很多高頻感應(yīng)電流，在雙端接地情況下，更會(huì)在環(huán)路中形成高頻感應(yīng)電流。已知磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)隨著頻率f變大而變大，所以可以通過感應(yīng)電流的計(jì)算公式得到：

式中，I為感應(yīng)電流；B為磁場強(qiáng)度；L為切割導(dǎo)體長度；V為切割速度；R為電阻。

通過研制對(duì)應(yīng)高頻感應(yīng)電流的測量裝置，可以對(duì)該高頻感應(yīng)電流進(jìn)行測量。隨后在斷路器分閘狀態(tài)下，此高頻電流由于環(huán)路的切斷便會(huì)消失無法形成，此時(shí)高頻感應(yīng)電流測量裝置也需要能夠檢測出此變化。通過測量裝置測量不同狀態(tài)下的電流分量，送至處理中心，便可測量出斷路器機(jī)械特性的有關(guān)數(shù)據(jù)。

該方法有很好的隔離效果，工作情況穩(wěn)定，抗干擾能力極強(qiáng)，對(duì)于工頻電流更是具備極高的抗干擾能力。但是該方法目前的電力測試裝備研制較少，而且由于集中處理器的要求，對(duì)所測的電流精度要求也比較高，實(shí)現(xiàn)起來難度較大。其次，在含有電抗器的一次回路中，則無法利用高頻電流這一測量方法進(jìn)行檢測，所以該方法有一定的局限性，適用范圍不大。

2.3 電感測試電流法

此種方法也是利用測量裝置對(duì)高頻電流進(jìn)行檢測。該方法利用電磁感應(yīng)原理，加上兩個(gè)電感至斷路器側(cè)和兩個(gè)接地隔離開關(guān)之間的地阻之間。兩側(cè)的電感值也根據(jù)測量所需，有所不同。為了能夠測量出準(zhǔn)確的高頻電流法，地阻側(cè)的電感值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷路器側(cè)的電感值。

電感測試方法能夠很有效地避開接地環(huán)流以及其他分量的干擾影響，而且對(duì)應(yīng)測試裝備造價(jià)較為低廉，有較強(qiáng)的可行性。

3 基于雙端接地的機(jī)械特性試驗(yàn)方案

采用傳統(tǒng)的機(jī)械特性測試儀測試時(shí)，需將一次接線連接到斷路器端口的兩側(cè)[8]，因此要求斷路器端口至少有一側(cè)處于開路狀態(tài)才能進(jìn)行。部分組合電器開關(guān)由于斷路器兩側(cè)無引出點(diǎn)，需要母線停電并進(jìn)行解鎖操作，用相鄰出線間隔進(jìn)行試驗(yàn)，其中會(huì)涉及停電困難、增加安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。而部分?jǐn)嗦菲鳛榱藵M足測試條件至少一側(cè)處于開路狀態(tài)，需要進(jìn)行高空解線工作，增加了工作量和安全風(fēng)險(xiǎn)。故現(xiàn)有的斷路器機(jī)械特性測試儀無法滿足現(xiàn)場需求[9]。

針對(duì)以上存在的問題，本文提出了一種基于雙端接地的機(jī)械特性試驗(yàn)綜合解決方案（圖3）。開關(guān)特性測試儀主機(jī)由中央控制處理單元、外擴(kuò)展單元、存儲(chǔ)單元、打印單元、按鍵單元和顯示單元、大屏彩色液晶顯示，25～250 V可調(diào)電源、運(yùn)放、同步檢測單元、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、斷口狀態(tài)測量單元、斷口接口、控制電源輸出接口、25～250 V電源輸出控制開關(guān)、合分閘輸出切換開關(guān)等組成。

圖3 雙端接地的機(jī)械特性試驗(yàn)方案框圖

無線雙端接地傳感器，其能夠準(zhǔn)確測量斷路器不同狀態(tài)下的電流分量，并且包含傳輸測量量的發(fā)射裝置。測速傳感器有測量角速度的功能，并能將角速度準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成直線速度，然后準(zhǔn)確傳送。

利用電磁感應(yīng)原理，雙端傳感器將斷路器、電纜、地網(wǎng)和兩個(gè)接地開關(guān)組成一個(gè)通流體，利用通流體的形成與否來判斷斷路器的分合位置，反之亦可通過操作斷路器實(shí)現(xiàn)分合通流體的過程。開關(guān)特性測試儀專用雙端接地時(shí)開關(guān)分合閘時(shí)間測試設(shè)備由三部分組成：高頻脈沖信號(hào)激勵(lì)源、高頻脈沖信號(hào)接收器、無線射頻接收及信號(hào)處理器。利用高頻脈沖信號(hào)激勵(lì)源發(fā)出的不低于20 kHz的高頻信號(hào)，產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流來判斷分合閘的位置狀態(tài)，并且利用此分量對(duì)接收器和處理器進(jìn)行連接，從而詳細(xì)地分析測量輸出數(shù)據(jù)。

本測試儀由于安裝了無線雙端接地傳感器，角速度/直線速度轉(zhuǎn)換附件，通過多路傳感器優(yōu)化了雙端接地開關(guān)的機(jī)械特性檢測信號(hào)，并且采用一套完整的數(shù)據(jù)采集處理和完全自動(dòng)化控制技術(shù)，保證了整個(gè)測量過程自動(dòng)完成，操作方便簡單。另外還設(shè)置了打印單元，通過打印單元可將測試結(jié)果進(jìn)行紙質(zhì)打印。

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械特性試驗(yàn)存在的問題，提出了一種新型的方案，該方案能夠滿足在雙端接地情況下完成機(jī)械特性試驗(yàn)。通過初步理論和設(shè)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

（1）該方案采用電感方法進(jìn)行測量，該方法經(jīng)濟(jì)性良好，而且抗干擾能力強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，能夠保證特性儀器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并保證方案的可行性。

（2）特性儀器的功能單元能夠適應(yīng)現(xiàn)場儀器接線簡便性的需求。通過傳感器對(duì)感應(yīng)電流進(jìn)行檢測，將數(shù)據(jù)輸入特性儀器中心單元，能夠完成斷路器機(jī)械特性的測量。