一種兩端接地開關(guān)特性測試儀及其附件的研制

摘要：斷路器機(jī)械特性測試是變電站日常檢修的重要工作之一，定期開展斷路器特性檢修，對于早期發(fā)現(xiàn)斷路器缺陷，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大來說十分必要且具有重要意義。鑒于此，通過分析目前斷路器兩端接地狀態(tài)下測試的方法，結(jié)合理論分析、現(xiàn)場實(shí)際情況，基于“零接觸”的安全測試?yán)砟睿岢隽艘环N兩端接地開關(guān)特性測試儀及其附件的研制技術(shù)方案及實(shí)施路線，采用新型測試儀得到的分合閘時間結(jié)果與傳統(tǒng)的單端接地測試儀完全一致，保證了測量精度。

關(guān)鍵詞：斷路器;GIS;兩端接地;分合閘時間;速度測量

中圖分類號：TM561? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.013

0? ? 引言

斷路器（開關(guān)）是變電站的重要設(shè)備，在系統(tǒng)發(fā)生接地或短路故障時，斷路器用于開斷故障電流，從而最大限度地保證站內(nèi)設(shè)備不受故障電流侵害，減少負(fù)荷損失。根據(jù)南方電網(wǎng)《電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，高壓斷路器的速度特性、時間參量、分合閘電磁鐵的動作電壓都屬于B類檢修，必須按照規(guī)定周期開展相關(guān)工作，其試驗(yàn)結(jié)果是判斷斷路器能否正常運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的傳統(tǒng)斷路器機(jī)械特性測試儀存在如下問題：

（1）傳統(tǒng)的斷路器機(jī)械特性測試儀工作時，要求斷路器斷口至少一側(cè)處于開路狀態(tài)，對于部分高壓斷路器，由于需要解開一側(cè)的接地線，可能會產(chǎn)生較高的感應(yīng)電，作業(yè)人員工作時存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）拆除接地引線或安裝電流卡鉗時，作業(yè)人員需登高進(jìn)行，不但存在高空墜落風(fēng)險(xiǎn)，還存在誤入間隔觸電的潛在危害。

（3）采用傳統(tǒng)的斷路器機(jī)械特性測試儀測試時，沒有專用的二次端子引線接線工具，需拆除原二次端子接線，容易造成誤操作，增加安全風(fēng)險(xiǎn)及工作量。

（4）現(xiàn)有的測速傳感器無法對動觸內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的斷路器進(jìn)行動觸頭分合閘速度測量。

1? ? 斷路器兩端接地方式測試方法

兩端接地開關(guān)的測試一直困擾著檢修人員，許多研究機(jī)構(gòu)和測試儀器制造廠家也在探索各種新的方法，以實(shí)現(xiàn)對兩端接地的斷路器分合閘時間的準(zhǔn)確測試[1]。為此人們提出了很多解決方案，下文針對各種測試方案進(jìn)行對比分析，以選擇合適的測試方法。

1.1? ? 大電流測試法

如圖1所示，大電流測試法是在斷路器斷口兩側(cè)加上恒電流，由于地阻Rg與斷路器等效電阻Rd的存在，且Rg遠(yuǎn)大于Rd，A點(diǎn)到B點(diǎn)的電阻在斷路器的合、分狀態(tài)下將發(fā)生明顯改變，通過采集A、B兩點(diǎn)電壓大小即可檢測斷路器的分、合狀態(tài)。但是這種測試方法所需的設(shè)備體積大、能耗高，接線要求嚴(yán)格，同時無法區(qū)分合閘電阻動作過程中間量，還容易被高壓感應(yīng)電場干擾，所以一般很少采用。

1.2? ? 電容、電感測試法

電容測試法采用了基于變頻諧振的動態(tài)電容測試技術(shù)，測試原理如圖2所示。當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時，改變電源的頻率，并采集、計(jì)算出各頻率下的電流有效值曲線，電流有效值最小時對應(yīng)的頻率即為整個回路的諧振頻率，以此頻率作為測試電源的頻率。當(dāng)斷路器分閘時，動觸頭和靜觸頭會形成一個電容，破壞原來的諧振狀態(tài)，使回路電流顯著增加。由于電流的變化是顯著且快速的，因此測試儀器能夠準(zhǔn)確地區(qū)分出斷路器的分、合閘狀態(tài)。但此方法由于處理電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)試麻煩，較少應(yīng)用到實(shí)際測試儀中。

與電容法一樣，如圖3所示，電感法也采用高頻電流，其中電流鉗一般集成到儀器內(nèi)部，外部采用四線制將高頻電流線跨接在斷路器兩側(cè)：當(dāng)斷路器分開時，回路由大地構(gòu)成等效電感L1;當(dāng)斷路器閉合時，等效電感由L1和等效電感L2并聯(lián)組成，由于L2的電感量遠(yuǎn)小于L1，兩者有明顯區(qū)別，因此可通過測量其電感變化來判斷分合狀態(tài)，判別起來相對簡單。但應(yīng)用這種方法在環(huán)路里由于多個接地的影響，特別是應(yīng)對GIS組合開關(guān)時，無法分辨出三相同期，因此具有一定的局限性。

1.3? ? 通流體電磁感應(yīng)法

通流體電磁感應(yīng)法以電磁感應(yīng)為基本原理，如圖4所示，將斷路器、電纜、地網(wǎng)和兩個接地刀閘組成一個通流體，該通流體的閉合和斷開依靠斷路器的分合閘操作來實(shí)現(xiàn)[2]。高頻脈沖信號激勵鉗不停發(fā)出高頻激勵信號，當(dāng)斷路器狀態(tài)為合閘時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在圖4所示通流體回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，則同樣鉗入回路的高頻脈沖信號接收鉗將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此感應(yīng)電動勢的有無對應(yīng)著斷路器斷口的分合狀態(tài)。由于電磁感應(yīng)電動勢變化時間遠(yuǎn)大于開關(guān)動作時間，因而實(shí)現(xiàn)了分合閘狀態(tài)的檢測。此方法技術(shù)原理成熟，電路簡單，可靠性高，因此本文研制的測試儀選取了該方法。

2? ? 測試儀主機(jī)的研制

2.1? ? 硬件技術(shù)方案

測試儀主機(jī)以嵌入式工控機(jī)CortexTM-A15作為測量分析系統(tǒng)，采用無線通信模塊代替電纜線，實(shí)現(xiàn)無線化測試;12.1寸陽光下可視彩色大屏、圖形化操作系統(tǒng)、人性化操作界面，簡單直觀，觸摸屏支持中英文輸入，便于現(xiàn)場操作人員使用;進(jìn)口高速熱敏打印機(jī)，方便現(xiàn)場打印測試數(shù)據(jù)。機(jī)內(nèi)集成式操作電源，無須現(xiàn)場二次電源，使用方便快捷，可提供DC10～260 V可調(diào)電源，電流30 A。分合閘線圈的動作電壓值可任意整定，并可做斷路器低電壓動作試驗(yàn)。主機(jī)可存儲30 000組試驗(yàn)數(shù)據(jù)（可擴(kuò)展存儲卡），機(jī)內(nèi)有實(shí)時時鐘，便于存檔。配備U盤接口，可直接把數(shù)據(jù)保存到U盤，上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、保存，采用2.4 GHz無線通信模塊進(jìn)行信號傳輸，電流鉗無須電纜線，省時省力，提高了工作效率。測試儀主機(jī)原理如圖5所示。

2.2? ? 高亮度顯示技術(shù)

高壓試驗(yàn)儀器大多數(shù)需要在室外使用，在強(qiáng)陽光下，目前的測試儀往往無法看清顯示屏。本方案采用LED替代CCFL作為背光源燈條，并將玻璃用透明的光學(xué)膠粘結(jié)在液晶屏前表面的偏光片上。由于光學(xué)膠的折射率與玻璃幾乎相同，都為1.50，因此消除了兩個反射面。而玻璃的外表面鍍了減反層，使其整個對外部光的反射率只有0.5%，能夠使液晶屏在各種強(qiáng)光線下依然清晰可見，完美地解決了戶外顯示屏的顯示問題，能在陽光下清楚地看到細(xì)膩的圖像和文字，顏色顯示生動鮮艷，對比度大大增強(qiáng)，發(fā)射光線降低，顯示視角寬廣。

2.3? ? 一體化防護(hù)級機(jī)箱

傳統(tǒng)的測試儀機(jī)箱采用鋁合金板材組裝而成，運(yùn)輸及測試使用時需外加收納箱，無防塵、防潮、防水功能，便攜性欠佳。本文研制的儀器通過優(yōu)化外形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)便攜性設(shè)計(jì)，采用一體成型安全防護(hù)箱，新型PP合金樹脂材料，專用模具一體注塑，重量輕、體積小，防護(hù)等級達(dá)IP67，便攜易用，如圖6所示。改進(jìn)后的機(jī)箱還具有防潮、防水、防摔功能，更加便攜、耐用，同時也便于量產(chǎn)、規(guī)模化生產(chǎn)。

3? ? 測試附件的研制

任何一個測試儀器，除測試儀主機(jī)外，還需要配合必要的測試附件才能較好地完成測試任務(wù)，而測試附件功能、性能的好壞，不僅影響測量結(jié)果，還對測量過程的可靠性以及是否安全、快捷極其重要。本文針對開關(guān)特性測試儀所需的必要附件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，配合測試儀主機(jī)使用，具有更快捷、更安全、更可靠的優(yōu)勢，極具推廣使用價值。

3.1? ? 分合閘觸發(fā)激勵快速接線夾

目前，高壓開關(guān)柜二次接線一般采用導(dǎo)軌式接線端子，在開關(guān)特性測試作業(yè)時，需要在操作控制箱二次回路中接入分合閘線圈激勵電源接線。傳統(tǒng)的方法是通過擰開端子螺絲增加導(dǎo)線或拆除原導(dǎo)線，容易造成誤操作，增加安全風(fēng)險(xiǎn)及工作量。

本文提供了一種無須拆裝原端子接線，采用外部并聯(lián)的方式即可快速接入所需試驗(yàn)導(dǎo)線的工具，不僅能減少接入測試導(dǎo)線所花的時間，還能減少反復(fù)拆裝導(dǎo)線給接線端子帶來的損傷，避免了因拆除導(dǎo)線時誤接所造成的安全隱患。其主要結(jié)構(gòu)部件包括彈簧頂針、上夾體、下夾體、壓簧、固定桿以及絕緣外殼，如圖7所示。其中彈簧頂針頭部為可伸縮探頭，伸縮探頭與壓簧連接并安裝在管內(nèi)，管口處卷邊將伸縮探頭保持在管內(nèi)，靠彈簧提供接觸力使探頭與對接導(dǎo)體之間建立電氣連接;上夾體頭部為外接香蕉頭，標(biāo)準(zhǔn)4 mm內(nèi)徑，用于外部電氣連接，中部為夾具安裝體，尾部為內(nèi)徑3.1 mm的管狀體，用于與彈簧頂針焊接連為一體，在中部還設(shè)有支撐U形片，用于保護(hù)頂針探頭不會被對側(cè)夾體壓到;下夾體包括三角鋸形牙、安裝U形片、尾部按壓柄，通過壓簧、固定桿與上夾體連接組成一個夾具。使用時只需將帶伸縮彈簧頂針的上夾體對準(zhǔn)螺絲孔下壓并夾上邊沿即可，在內(nèi)部壓簧的作用力下伸縮探頭將與螺絲的頭部形成良好的電氣連接，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可滿足高壓二次測試試驗(yàn)絕大部分場合要求，為開關(guān)柜及相關(guān)高壓二次回路測試提供了便利，避免了拆裝原接線造成的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了測試人員工作時間，減少了工作失誤，值得在高壓二次測試領(lǐng)域大力推廣使用。

3.2? ? 速度傳感器安裝工具

分合閘速度是高壓斷路器的重要特性參數(shù)之一，它表征斷路器的操作機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)在分合閘過程中的運(yùn)動特性，但目前在很多應(yīng)用場合無法安裝及使用傳感器導(dǎo)致無法進(jìn)行速度測試。

本文提供了一種簡便的測速工具及測試方法，具體為通過一套輔助工具，將開關(guān)動軸的軸向運(yùn)動通過連桿引到外面進(jìn)行測試，結(jié)合拉桿式傳感器，即可獲得測試結(jié)果。如圖8所示，其結(jié)構(gòu)包括傳感器支座、動軸連接桿、夾緊螺桿、拉桿位置傳感器等。傳感器支座兩邊設(shè)有可滑動的槽口，中間折彎突起，中部帶傳感器安裝卡口，可適應(yīng)不同尺寸的斷路器;動軸連接桿頭部為U形結(jié)構(gòu)，一端面帶有螺母，通過與螺桿配合和斷路器動軸相接，尾部為帶槽口的連接桿，與拉桿傳感器端部相連接。當(dāng)斷路器動軸運(yùn)動時，帶動連接桿一起上下運(yùn)動，由于連接桿又與傳感器端部相連，所以傳感器拉軸的運(yùn)動如實(shí)反映了斷路器動軸的運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了斷路器分合閘時動觸頭運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)的測量。該設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，適用于市場上通用的開關(guān)特性測試儀，能夠大大提高開關(guān)特性測試儀的通用性，值得大力推廣使用。

3.3? ? 電流鉗安裝工具

使用兩端接地開關(guān)特性測試儀需要安裝電磁感應(yīng)電流鉗到斷路器兩側(cè)的高壓電纜上，一般采用高空作業(yè)的方式進(jìn)行安裝，在高空作業(yè)時變電站斷路器上沒有相應(yīng)的防墜落安全帶懸掛點(diǎn)，給作業(yè)人員帶來了安全隱患，增加了工作難度及準(zhǔn)備時間，在實(shí)際的作業(yè)中非常不便利。

本文提供了一種可以直接在地面上使用的電流鉗安裝工具，可通過絕緣桿將電流鉗鉗入高壓電纜，無須采用高空作業(yè)方式，使得此項(xiàng)工作變得更加簡單、安全。如圖9所示，其結(jié)構(gòu)包括絕緣桿、收線輪、滑輪、梅花螺桿、蠶絲絕緣拉繩、電流鉗連接頭等。其中絕緣桿為環(huán)氧樹脂桿，兩頭設(shè)有連接螺紋，可由多節(jié)桿通過螺紋連接起來;收線輪用于回收及放開拉繩，內(nèi)部設(shè)有止動按扭，按下按鈕后可卡住拉繩，松開手輪則能轉(zhuǎn)動，側(cè)面設(shè)有手柄，用于轉(zhuǎn)動回收拉繩;滑輪由支撐底座、軸承組成，用于改變拉繩方向，減少摩擦力，便于用拉繩將電流鉗拉開;梅花螺桿用于固定電流鉗，擰入、擰出即可固定電流鉗在支座上。使用時，只需將電流鉗一側(cè)手柄插入連接頭的方孔內(nèi)，并將梅花螺桿旋入，電流鉗的另一端有拉繩相連，轉(zhuǎn)動收線輪收線把手，即可將電流鉗鉗口撐開，撐開后按下收線輪的止動按鈕，電流鉗將保持在開口狀態(tài)，便可舉起并將鉗口鉗入高壓線纜，最后松開止動按鈕，鉗口在彈簧作用下將自動閉合，測試完成后，按相同的方法即可輕松取下電流鉗。整個過程由原來的多人協(xié)作變成可單人完成，無須進(jìn)行任何高空作業(yè)，使用及安裝省時省力，大大提高了工作效率，保障了工作人員的人身安全，且制造成本低廉，又十分便攜，值得在本應(yīng)用場合大力推廣。

4? ? 應(yīng)用效果分析

表1為分別采用傳統(tǒng)測試儀和本項(xiàng)目測試儀對一臺六氟化硫斷路器進(jìn)行測試后得到的結(jié)果，表2為分別采用傳統(tǒng)測試儀和本項(xiàng)目測試儀對一臺GIS斷路器進(jìn)行測試后得到的結(jié)果。通過對比可以看到，本項(xiàng)目測試儀與傳統(tǒng)測試儀得到的結(jié)果一致性較好。

5? ? 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)特性測試儀在測試作業(yè)過程中存在安全風(fēng)險(xiǎn)，配套附件效率低、不適用等問題，基于“零接觸”高壓試驗(yàn)理念，本文研制了一種安全性強(qiáng)、實(shí)用性高、通用性好的兩端接地開關(guān)特性測試儀及其附件，包括無線測試主機(jī)、專用的電流鉗安裝工具、新型二次端子試驗(yàn)線連接夾、設(shè)計(jì)精巧的速度測試安裝附件，在保證與傳統(tǒng)測試儀測量精度相同的前提下，成功實(shí)現(xiàn)測試儀和作業(yè)人員與設(shè)備的安全隔離，能夠完成兩端接地時分合閘時間的測試，解決了測速傳感器無法安裝、二次端子排無法穩(wěn)固快捷連接等問題，避免了登高作業(yè)帶來的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)多方使用驗(yàn)證，相比傳統(tǒng)測試儀，其在效率、安全性、準(zhǔn)確性、便攜性等多方面均具有較大優(yōu)勢，在現(xiàn)場測試使用中取得了良好的效果。

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收稿日期：2021-11-15

作者簡介：王嘯峰（1974—），男，江蘇常州人，自動控制工程碩士，變電檢修高級技師，電氣高級工程師，珠海供電局檢修二班技術(shù)員，主要從事變電一次設(shè)備檢修專業(yè)工作。