基于高壓電氣系統(tǒng)的高壓電機與電氣開關自動化測試系統(tǒng)設計

陳文波

摘 要：文章從高壓電氣系統(tǒng)、高壓電機試驗系統(tǒng)設計等角度出發(fā)，以高壓電機與電氣開關為研究對象，針對高壓電機試驗的特點建立了數(shù)學模型，對高壓電氣系統(tǒng)中的電機及電氣開關進行了試驗，以及自動化測試。并且初步研究了高壓電機及電氣開關試驗的控制方式，據(jù)此提出了電氣開關試驗的控制策略。為高壓電氣系統(tǒng)的性能優(yōu)化與改進提供了重要依據(jù)，從而為該系統(tǒng)的實際應用奠定了良好的基礎。

關鍵詞：高壓電機;電氣試驗;自動化測試系統(tǒng)

中圖分類號：TM83 ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1001-5922（2020）10-0126-05

Abstract：From the perspective of the design of high-voltage electrical systems and high-voltage motor test systems， the paper takes high-voltage motors and electrical switches as research objects， a mathematical model was established for the characteristics of the high-voltage motor tests. The motors and electrical switches in the high-voltage electrical system were tested， as well as automated tests. And the control method of high-voltage motor and electric switch test is preliminarily researched， and the control strategy of electric switch test is proposed accordingly. It provides an important basis for the performance optimization and improvement of the high-voltage electrical system， and thus lays a good foundation for the practical application of the system.

Key words：high voltage motor; electrical test; automated test system

0? ? ?引言

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷進步，電機已經(jīng)日漸發(fā)展為生產活動中不可或缺的器材。我國電機行業(yè)試驗裝備發(fā)展大致可分為初步建設階段、發(fā)展階段、快速發(fā)展階段這3個階段。初步建設階段是20世紀50年代以前，受限于電機行業(yè)試驗設備的簡陋，發(fā)展滯后。發(fā)展階段大約是60～90年代，當時有關專家初步研究了傳統(tǒng)高壓電機，并且有一定成就。但是當時的高壓電機設備也存在造價成本高、危險性系數(shù)高，需專業(yè)人員操作等不足。而自20世紀90年代起，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、檢測技術的廣泛應用高壓電機行業(yè)進入快速發(fā)展階段，開始向自動化檢測方向進軍，取得了不小的進步。

然而在其高速發(fā)展的過程中，也不可避免地存在不少問題。高壓電機試驗設備由于其系統(tǒng)運行的高壓性、高溫型等特征，使得關于電機的實驗具有比較高的危險性，因而極易出現(xiàn)各種電機短路故障問題，使得相關試驗次數(shù)和容量受到很大限制，因此該系統(tǒng)運行狀態(tài)不夠穩(wěn)定、可靠性也不高。高壓電氣系統(tǒng)的正常運行不僅要求電機系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運作，而且對開關設備也要求較高。尤其是當高壓電氣系統(tǒng)出現(xiàn)一些故障問題和安全隱患時，為了保證系統(tǒng)能夠迅速恢復調整至穩(wěn)定運行狀態(tài)，不僅對斷路器的關合以及開斷性能有嚴格規(guī)定，而且需要對滅弧裝置進行精確計算，以確保通過開關設備可以準確且高效地排除各類故障和安全隱患。這些開關設備和裝置的有效性很大程度上取決于電機及電氣開關試驗所得到的信息以及日積月累的經(jīng)驗。因而需要在熟練掌握使用設備的基礎上，實現(xiàn)對試驗結果有效性的準確判別。

由此可知為了充分保證高壓電機及電氣開關能夠穩(wěn)定運行，有必在掌握先進科學技術的基礎上，借助自動化設備，設計一款高壓電機與電氣開關自動化的測試系統(tǒng)，對其及時開展相關試驗以及檢測。對試驗所得的各項數(shù)據(jù)參數(shù)進行整理分析，嚴格控制外界環(huán)境、所用設備、試驗條件等，以確保能夠高效且準確地完成高壓電機及電氣開關自動化試驗，進而能夠充分發(fā)揮出系統(tǒng)性能的效用，進而有效提升整個高壓電機及其系統(tǒng)的運行效率。有鑒于此，文章從高壓電氣系統(tǒng)出發(fā)，簡要分析了高壓電機及電氣開關的自動化測試系統(tǒng)。

1 高壓電氣試驗

高壓電氣是電力系統(tǒng)中的重要的組成部分，對于電源系統(tǒng)至關重要。高壓電氣試驗是檢測系統(tǒng)運行性能的關鍵[1]。該環(huán)節(jié)主要是對分析電氣設備進行分析，分析其在運行狀態(tài)時是否滿足相關要求，避免對高壓電氣設備進行試驗時出現(xiàn)漏電、放電等危險現(xiàn)象，對系統(tǒng)中存在的故障起到檢測預防的作用，有效確保了電氣試驗朝著科學化、信息化、穩(wěn)定化的方向發(fā)展。

通常電氣設備存在一些安全隱患，因而進行高壓電氣試驗并對其進行分析十分有必要[2]。為了對高壓電氣系統(tǒng)試驗的質量實施有效地檢測和評估工作，通常首先需要掌握設備的實際運行原理，通過掌握相關理論基礎，有助于后續(xù)試驗，在實驗之前還需要了解國家標準實驗方法，然后根據(jù)相關規(guī)范對不同電機的試驗設備、目標、方法以及實施過程進行確定。其次需要記錄與測算不同的高壓電機以及電氣開關試驗的性能特點值，如效率、功率因數(shù)等。最后需要對不同的高壓電氣試驗過程進行分析，并分別檢查是否符合國家技術標準，判別其是否能夠長時期滿足高壓運行要求。具體的高壓電氣系統(tǒng)試驗內容和項目如下。

1.1 空載試驗

該試驗首先通過記錄電動機作用下額定電壓UN下的空載電流I0及空載輸入功率P0與外部施加電壓U0的標示值U0 /UN，進而繪制標示值U0 /UN的關系曲線[3-4]，接著收集并分析所得的運轉數(shù)據(jù)，最終獲得電動機的激磁參數(shù)Rm、Xm以及鐵耗和機械耗。在對高壓電機系統(tǒng)進行試驗的過程中，需為空載負荷的試驗設備配備有可調控的高壓電源，電壓可調范圍為0～13000V，且該電源的額定頻率固定。

1.2 堵轉試驗

高壓電機系統(tǒng)堵轉試驗對所用設備的要求比較高，通過調節(jié)試驗電機、電壓器和電流表等設備的數(shù)值控制高壓以及頻率的大小，最終獲得電機堵轉電流時的容量大小。堵轉試驗的是在分析已有電機運轉試驗中轉矩和電壓的關系曲線的基礎上，對電機堵轉時的電流進行記錄研究，以獲得堵轉試驗額定電壓下的電流數(shù)值以及堵轉轉矩。在進行試驗時，在充分利用測量設備的前提下，通過對試驗數(shù)據(jù)的收集整理分析，進一步分析電機的起動性能能否支撐試驗的實施。

為了確保試驗的實施效果以及數(shù)據(jù)驗證分析的效率和準確程度，在進行具體的堵轉試驗中應對被試電機的通電時長進行控制。通常采取縮短時長的方法對系統(tǒng)內高壓電機運轉時的溫度進行調節(jié)，避免高溫對電機的傷害。

1.3 負載試驗

負載試驗主要是在能夠提供額定頻率的可調電壓以及可調負載相關設備的基礎上，對如下參數(shù)進行測定，如電機的輸入功率P1、功率因數(shù)cosΦ、定子電流I1、效率η以及計算得出的轉差率Sref與輸出功率的關系曲線[5]。通過對這些參數(shù)進行擬合分析，最終得到對應額定輸出功率時的效率η、功率因數(shù)cosΦ和轉差率Sref等結果。負載試驗在對電機工作特性進行測試分析的基礎上，通過獲取的數(shù)據(jù)值，與相關規(guī)范進行對比，于是就可以判斷出電機的工作能力。

高壓電機系統(tǒng)在進行試驗時應滿足如下條件，即被試電機能夠在良好的外界環(huán)境下處于額定負載狀態(tài)持續(xù)運行至其終止狀態(tài)。參照已有的國家規(guī)范，高壓電機試驗的終止狀態(tài)多為定轉子繞組達到了熱穩(wěn)定狀態(tài)。

高壓斷路器在高壓電機試驗中起到保護、控制的作用，是試驗中不可或缺的重要組成部分，對于實現(xiàn)高壓電機試驗的健康發(fā)展意義重大。為了確保試驗的正常運行，可結合斷路器所處的環(huán)境條件，包括溫度、濕度、海拔等因素，重點且全面地分析斷路器的工作性能以及特征。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

以往高壓電機試驗具有設備眾多且體型粗笨，耗時長、精度不夠高、試驗重復性差以及容易受到人為或其他因素的現(xiàn)狀特征。因此為了改善這些不足之處，使得高壓電機試驗能夠得以實現(xiàn)模塊化、程序化、數(shù)字化、自動化、智能化，使試驗結果最終能夠達到質量檢測的要求，需要對電機系統(tǒng)實驗的試驗方法、技術規(guī)范等進行考察，判別其是否滿足國家相關規(guī)范。因此在對高壓電機系統(tǒng)進行結構設計時，不僅需要考慮能否實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的功能要求，而且也需仔細核查被試樣機的各項參數(shù)。

2.2? ?系統(tǒng)功能

在高壓電機及電器開關測試系統(tǒng)中，其主要的組成結構包含5個部分，如圖1中所示，這些不同組成部分結合形成一個智能試驗系統(tǒng)。圖中各組成部分功能描述如下。

1）等待試驗的高壓電機通過升壓變壓器等設備從主回路系處獲取試驗所需的可調高壓電源及負載。

2）試驗控制包括上位機（工控機）、下位機（PLC可編程序控制器）和控制裝置[6]。通常情況下由系統(tǒng)中的工控機以及控制裝置的組合即可實現(xiàn)整個電氣試驗的自動化測試。下位機結合其他系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高壓電機的自動控制;而上位機能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、模型建立、曲線擬合、綜合判斷等一系列操作。

3）系統(tǒng)當中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)利用不同儀器裝備實現(xiàn)各個實驗數(shù)據(jù)的獲取，比如高精度的電流、電壓互感器、配備智能型多參數(shù)測量儀以及其他智能儀器儀表等裝置，一般由對應接口送入上位機或者直接采用人機對話的方式輸入所需數(shù)據(jù)。

4）在試驗過程中通過利用相關軟件并配合使用可視化技術完成各項流程的實時監(jiān)控，同時實驗者可以根據(jù)可視化菜單展示試驗過程以及數(shù)據(jù)結果，方便對試驗進行各項操作。

5）專家系統(tǒng)則是對采集的數(shù)據(jù)分析處理，判斷電機質量是否達標，不達標的電機還需分析其影響因素。

2.3 加載方案比較

加載方案主要是指被測電機通過系統(tǒng)獲取一個可調節(jié)的大功率負載，該負載的產生情況存在各種方案。如今已存在多種加載方案，且各有其優(yōu)缺點，如表1所示。

通過對多種加載方案進行綜合分析比較，考慮到高壓機組回饋法能夠規(guī)避直流機法、測功機法等無法解決的負載匹配問題，并且具有負載選型、安裝操作簡易、以及試驗運行成本較小等優(yōu)點，試驗中的加載方案選擇了高壓機組回饋法。

該方法主要原理如下：試驗機組由屬于同一型號、且以同軸聯(lián)接方式進行連接的試驗樣機和陪試負載組成。為試驗樣機和陪試負載供電的設備均是2臺同步發(fā)電機，但兩者是異步發(fā)電，試驗樣機僅需直接供電，而為陪試負載提供電源的設備則需由直流機變頻輸出為變頻電源后再行供電。這樣供電能夠使得試驗樣機、陪試負載內的能量回饋至電網(wǎng)，能夠保障設備電源的品質，而且由于電網(wǎng)的消耗主要為系統(tǒng)內各電機的損耗，一定程度上大幅降低了試驗的成本。

2.4 主回路結構

雖然高壓電機回饋方法優(yōu)點眾多，但也存在不少缺陷，如配電環(huán)境要求較高，起動難度大等。為了彌補這些不足之處，可考慮在充分利用現(xiàn)有低壓電機的基礎上為系統(tǒng)主回路提供雙路升壓電壓[7]，進而為試驗高壓電機提供具有可調電壓與負載。雙路升壓電壓結構分別被試機以及陪試機供電，需注意的是兩者采用相同的供電電機。在低壓調節(jié)器的作用下，被試電源可適當升壓以實現(xiàn)高壓電源的可控可調。此后利用回饋法，利用變壓器以及變頻機組在電機試驗中所起到的能量回饋作用，在低壓側回饋高壓能量，同時負載能量也能夠在低壓電網(wǎng)中實現(xiàn)回饋，以達到電動機負載的實際需求。

2.5 試驗擴容

由于高壓電機回饋方法還具有起動難度大，低電壓組難以滿足高電壓組的試驗的缺陷，因此為了確保低壓機組能夠達到試驗所需的容量，因此解決自動化測試系統(tǒng)的試驗擴容問題顯得十分重要。由于上小節(jié)中主回路設計采用了雙路升壓的高壓方式，考慮到電源品質確定等需求，可以選擇利用降壓法、水電阻消耗法兩者相結合的方式對系統(tǒng)進行擴容，不僅確保了低壓側高壓負載的回饋，大大降低了試驗運行的成本，而且成功增大了低壓電機組的試驗容量，節(jié)約了總投資。

2.6 參數(shù)測量系統(tǒng)

在對高壓電機及電氣開關進行試驗的過程中會產生諸如電流、電壓等數(shù)據(jù)信息，記錄并分析這些電參數(shù)信息，以有效獲取最終的試驗結果并對高壓電機及電氣開關的運行狀態(tài)進行判別。在開展高壓電機及電氣開關試驗的自動化測試中，為了更加便捷地采集這些重要數(shù)據(jù)，為智能化系統(tǒng)中增加了一個參數(shù)測量子系統(tǒng)。該系統(tǒng)在綜合了多種參數(shù)測量方法的基礎上，配備有精確度和自動化水平較高的智能檢測儀器以及轉矩轉速傳感器等多參數(shù)測量設備。通過利用智能語音以及可視化先進技術，不僅完成了數(shù)據(jù)的采集工作，而且能夠將高壓電機及電氣開關的試驗過程以及結果通過電子顯示屏隨時隨地展示出來，以便工作人員隨時了解情況以便有針對性地提出各項建議措施。測量子系統(tǒng)的結構如圖2所示。

通過智能語音技術等方式獲取高壓電機及電器開關的原始數(shù)據(jù)后，可利用自動化測試系統(tǒng)內上位機的運算功能以及相應的數(shù)據(jù)處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行規(guī)律分析以及測算工作，根據(jù)得出的規(guī)律構建相應的數(shù)學函數(shù)和模型，最終以函數(shù)曲線的方式展示出來。通過數(shù)據(jù)分析處理軟件，以曲線擬合的形式獲取所需的額定參數(shù)[8]。根據(jù)擬合結果剔除不符合試驗要求的數(shù)據(jù)，以便能夠更加真實、準確地反映電機和開關的工作性能。

3? ? ? 高壓電機及電氣開關試驗的控制

3.1 試驗結構

文中高壓電機關合試驗中選擇以并聯(lián)的結構形式將電流源與電壓源連接起來，其中電壓源通過小容量的變壓器使其與電流源的相位保持同步，并以震蕩回路的形式開展高壓電機以及電氣開關的試驗。在試驗之前，電流源的主控開關應為斷開位置，同時也需要調整好輔助斷路器和試品斷路器的狀態(tài)，分別使它們處于合閘、分閘狀態(tài)[9]。在試驗進行過程中，首先調整輔助斷路器至合閘狀態(tài)，接著利用電壓源的作用實現(xiàn)預燃弧擊穿，最后判斷有沒有預擊穿的電流存在，其中判斷的方式是通過使用羅可夫斯基線圈檢測。如果存在該電流，應當立即將預擊穿電流的指令直接發(fā)送至系統(tǒng)控制器。

3.2 控制策略

對電壓關合試驗施加外部電壓作用，使得試品開關出現(xiàn)了預燃弧擊穿。在同關合條件相匹配的基礎上，盡快利用電流源主控開關發(fā)出導通，以便試品開關能夠在電壓源作用下迅速轉為電流源作用，工作過程中的電流轉移過程非常關鍵。在對在相位控制的過程當中，系統(tǒng)會實時進行監(jiān)控，從而發(fā)現(xiàn)外施電壓是否存在較大變化。如果其波形超過零點，將自動操控定時器開啟定時，同時也需監(jiān)控試品開關的開合狀態(tài)，并等待合閘指令，此時系統(tǒng)將發(fā)出th信號。如果出現(xiàn)th信號與外施電壓波形過零點的差值比（1/外施電壓頻率）大的情況，定時器將歸零并重新開始計時。反之，如果出現(xiàn)th信號與外施電壓波形過零點的差值比（1/ 外施電壓頻率）小的情況時，將延期輸出試品開關相控合閘的指令。

4 結語

文章以系統(tǒng)的結構與功能視角為切入點，在明確系統(tǒng)加載方案優(yōu)缺點的基礎上，進一步完善落實主回路結構設計和試驗擴容，并構建參數(shù)測量系統(tǒng)，通過利用智能化設備和技術完成高壓電機及電氣開關試驗自動化測試系統(tǒng)。文章通過對高壓電機以及電氣開關試驗的控制進行研究分析，有效明確了開關在電氣試驗過程中使用的控制方法，從而確保了自動化控制開關關合的實現(xiàn)，提高了電力設備的運行穩(wěn)定性，也有助于加快電力企業(yè)的發(fā)展，能夠降低其產品成本，并且提高產品質量。

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