一種采用多電源的滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口同步性檢測裝置

馮 勝，張 敬，章 俊，羅紅俊，孫曉波，唐 雄

(1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400；2.中國長江電力股份有限公司烏東德水力發(fā)電廠，云南 祿勸 651500)

滅磁開關(guān)是發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的重要設(shè)備。在磁場斷路器配合滅磁電阻的放電滅磁方式中，滅磁開關(guān)的建壓能力直接決定了轉(zhuǎn)子電流能否順利轉(zhuǎn)移到非線性滅磁電阻中，關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否順利滅磁[1]。隨著發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增加和勵磁參數(shù)的增大，對勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)弧壓的要求也不斷提高。為滿足大型發(fā)電機(jī)組對滅磁建壓的要求，常常需要在直流滅磁開關(guān)內(nèi)將多個磁場斷路器斷口串聯(lián)使用[2]。

對于多個斷口串聯(lián)的滅磁開關(guān)，理論上其開關(guān)總弧壓等于單個斷口弧壓乘以斷口個數(shù)，實際上由于各斷口之間動作存在時差，疊加的總弧壓將低于理論值，且時差越大，疊加的總弧壓越低[3]。為保證開關(guān)總弧壓滿足滅磁要求，滅磁開關(guān)的各斷口間動作的同步性均應(yīng)符合廠家規(guī)定要求。

傳統(tǒng)的開關(guān)同步性檢測方法是在開關(guān)各斷口的一端施加一個電壓信號，各斷口的另一端接錄波儀或測試儀，通過檢測開關(guān)動作時各斷口另一端的電壓變化來測定各斷口之間的動作時差[4-5]。該方法只能檢測各斷口分別接在不同回路中時動作的同時性。當(dāng)多個斷口串聯(lián)使用時，如仍采用上述方法，當(dāng)一個斷口動作時，其串聯(lián)斷口兩端的電壓也會同時變化，無法測定各斷口之間的動作時差。因此若需準(zhǔn)確測量，常常需要斷開各斷口之間的連接銅排，工作量較大[6]。

針對傳統(tǒng)方法對串聯(lián)多斷口進(jìn)行同步性檢測時的諸多缺點，本文設(shè)計并研制出了一種基于多電源的滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口同步性檢測裝置，并通過試驗結(jié)果證明，該裝置能夠增強串聯(lián)多斷口同步性的測量準(zhǔn)確度，減少維護(hù)人員的工作量，提高工作效率。

1 裝置原理

新型滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口同步性檢測裝置原理，如圖1所示。在滅磁開關(guān)的每個串聯(lián)斷口上均配置一個獨立的電壓源，若被測滅磁開關(guān)FMK有3個斷口串聯(lián)，則設(shè)置3個獨立的電壓源U1、U2、U3，各電壓源的電壓需滿足錄波儀模擬通道電壓輸入范圍[6]。各電壓源之間形成串聯(lián)，數(shù)量可隨著滅磁開關(guān)斷口數(shù)進(jìn)行增減。R1、R2、R3是3個限流電阻，防止滅磁開關(guān)FMK斷口閉合后電壓源U1、U2、U3短路。A1是一臺高精度多通道錄波儀，可利用該錄波儀檢測各斷口動作時的電壓變化情況，并計算出各斷口間的動作時差。且各模擬輸入通道需完全隔離，采樣速度大于20 MS/s。

如圖1所示，當(dāng)FMK端口1,2間的斷口閉合時，錄波儀通道1采集到的電壓由U1變?yōu)?，通道2、通道3采集到的電壓保持不變；當(dāng)FMK端口1,2間的斷口斷開時，錄波儀通道1采集到的電壓由0變?yōu)閁1，通道2、通道3采集到的電壓保持不變[7]。

圖1 串聯(lián)斷口同步性檢測原理圖

同理，錄波儀通道2采集FMK端口3,4間的電壓；錄波儀通道3采集FMK端口5,6間的電壓。各斷口的動作都不會影響其他斷口間的電壓。

若設(shè)置三個電壓源的電壓U1=U2=U3=1 V，則根據(jù)錄波儀記錄的FMK動作時3個通道電壓變化的波形，匯總后波形如圖2所示。若加在3個斷口上的電壓躍變時差趨近于0，則可以證明3個斷口動作同步性好。綜上可以通過比較3個斷口之間的電壓躍變的時差，判斷滅磁開關(guān)串聯(lián)斷口之間動作的同步性。

圖2 各串聯(lián)斷口電壓變化圖

2 裝置設(shè)計

根據(jù)上述原理，研制出的多斷口斷路器動作時序測試裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該樣機(jī)集成了8級串聯(lián)電壓源和相應(yīng)的時序測試儀，可對8個斷口串聯(lián)的開關(guān)進(jìn)行檢測。同時配套高精度多通道錄波儀，可精確記錄每個斷口動作時的電壓變化波形[8]。

圖3 串聯(lián)斷口同步性檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

時序測試裝置采用ST公司STM32F103C8T6嵌入式微控制器，如圖4所示。該微控制器基于高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器64 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRAM，2個10通道12位同步ADC，3個同步的16位定時器和1個16位PWM定時器[6]。其中32路快速I/O口可映像到16路外部中斷，事件控制器包含19個邊沿檢測器，用于產(chǎn)生中斷/事件請求。無論是上升沿，下降沿還是雙邊沿，每個中斷線都可以獨立地配置它的觸發(fā)事件，能夠單獨地被屏蔽。另外還有9個通信口，支持2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN。工作溫度范圍-40℃至+85℃，供電電壓2.0 V至3.6 V，且保證低功耗應(yīng)用的要求。

圖4 STM32F103C8T6嵌入式微控制器圖

被測開關(guān)每個斷口的動作信號經(jīng)過光電隔離后從快速I/O口引入，接到外部中斷，邊沿檢測器設(shè)置為雙邊沿觸發(fā)，能夠檢測斷口的分合動作。定時器測量斷口動作時間，計算出各斷口間的動作時差。

試驗時，只需接入開關(guān)操作控制命令，并按接線標(biāo)識將串聯(lián)斷口依次接入測試通道，操作開關(guān)，觸摸屏界面上就會自動顯示各斷口的動作時差[9]。

如配套錄波儀使用，只需要將錄波儀的各個電壓采樣通道并聯(lián)在該裝置的測試通道上，便可以正常使用。

如圖5所示，研制的多斷口斷路器動作時序測試裝置采用便攜式箱式結(jié)構(gòu)，便于攜帶和使用。接線全部采用插接式試驗線，可快速完成試驗接線。界面采用液晶觸摸屏，畫面簡潔，操作簡單。

測試斷路器分/合閘動作時序時，需將斷路器斷口信號接入斷口狀態(tài)接入口，將斷路器的分/合閘控制命令信號接入斷路器控制命令接入口。接通電源后，手動操作觸摸屏上軟按鍵“分閘測試”/“合閘測試”，選擇對應(yīng)測試功能，觸摸屏上即可顯示對應(yīng)斷口的分/合閘動作時間、動作時差、及動作時序。

3 測試結(jié)果及其分析

為驗證上述試驗裝置的有效性和準(zhǔn)確性，將8個實際滅磁開關(guān)中使用的弧斷口用8個同規(guī)格型號的DC220 V繼電器代替，按照圖1所示接線方法接入到圖5所示的串聯(lián)斷口同步性檢測裝置的面板中，并通過外接電源信號來模擬分合的開入信號。

如圖6所示，為合閘試驗時八個串聯(lián)繼電器的動作時序測試結(jié)果，各繼電器的合閘時間均在9.83～11.81 ms之間，其中紅色標(biāo)出的是最后動作的繼電器，動作時差為0.00 ms的是最先動作的繼電器，并以此為基準(zhǔn)判定各繼電器的動作時差。由各繼電器的動作時差大小可以看出，最先動作的繼電器和最后動作的繼電器之間相差1.98 ms，能夠準(zhǔn)確和直觀地反映出動作時序關(guān)系和動作時差。

圖6 合閘時序表

因此，通過觸摸屏上各串聯(lián)斷口的動作時差大小和動作時序大小，可以分辨出各串聯(lián)斷口的分合閘時間和動作時差，以便維護(hù)人員結(jié)合相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步采取針對弧斷口的維護(hù)措施。

4 結(jié) 語

通過為被測滅磁開關(guān)的每個串聯(lián)斷口提供一個獨立的電壓源，消除了串聯(lián)斷口動作電壓相互間的影響，可實現(xiàn)在不斷開各串聯(lián)斷口之間連接銅排的情況下，檢測各斷口的同步性。且基于上述原理利用STM32F103C8T6嵌入式微控制器研制出了多斷口斷路器動作時序測試裝置樣機(jī)，試驗結(jié)果表明能夠有效檢測各串聯(lián)斷口的動作時序。

綜上所述，該裝置可廣泛應(yīng)用于行業(yè)內(nèi)各電廠滅磁開關(guān)的檢測以及其他各類機(jī)械式開關(guān)的動作同步性檢測。應(yīng)用該裝置能有效節(jié)省大容量機(jī)組滅磁開關(guān)檢修時間，提高工作效率，同時避免銅排反復(fù)安裝拆卸過程中損壞滅磁回路，降低了檢修過程中的安全風(fēng)險，提高了設(shè)備可靠性，社會效益顯著，且具有一定的商業(yè)價值。