熔斷器預熱轉換裝置的設計及其分斷能力驗證

牛小東 謝曉斌 謝曉玲 宋勝鵬

摘要：針對在大容量試驗室進行熔斷器分斷能力試驗測試過程中，因設備因素的限制存在試驗時間不能滿足分斷能力測試要求的缺陷，該文設計預熱轉換裝置中的低壓大電流裝置、轉換高壓裝置、預熱轉換器3個重要部分，提出運用PLC+PC的自動控制方法監控和操作預熱轉換過程。測試結果表明：設計裝置使得熔斷器分斷能力試驗過程為40s，控制在30-45s內，滿足分斷能力測試的要求，并且實現全程自動控制，降低試驗設備被燒毀的風險，提高試驗成功率，降低試驗成本。

關鍵詞：熔斷器;預熱轉換裝置;分斷能力測試;測試儀器設計

中圖分類號：TM563 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0116-05

收稿日期：2017-08-15;

收到修改稿日期：2018-06-12

作者簡介：牛小東（1985-），男，甘肅天水市人，高級工程師，碩士，研究方向為電氣設計和檢驗檢測技術研究。

0 引言

熔斷器是一種電流超過規定值一定時間后，以其自身產生的熱量使熔體熔化，進而使電路斷開的電流保護器[1]。熔斷器廣泛應用于低壓配電系統、控制系統等用電設備領域，是應用最普遍的短路和過電流保護器件之一。隨著電力系統的不斷升級，普通熔斷器在大電流、大電壓的運行條件下，分斷能力會變弱而起不到保護作用，考察熔斷器的分斷能力對于判定熔斷器的性能優劣具有重要意義[2-3]。分斷能力試驗的時間通常需要30～45s，而對于進行分斷試驗的大容量試驗室來說，基于對回路承擔大電流穩定性的考量，試驗時間往往限制在10S以內，遠遠不能滿足分斷能力試驗的30～45s的試驗要求[4]。在實際試驗過程中，常規的做法是在低電壓系統中施加試驗電流，在快到超過低電壓系統負載能力時再轉入高壓系統繼續試驗，以滿足試驗時間的長度需求[5-6]。然而，這種試驗方法尚不成熟，在國內，此類型試驗項目的研究長期處于停滯狀態，急需有更多的學者參與其中進行研究與探討[7]。

本文基于單片機+個人計算機（PLC+PC）的聯合應用模式，設計了一種適用于熔斷器分斷能力試驗的預熱轉換裝置，以解決在試驗過程中的低電壓系統向高壓系統切換的控制問題，滿足分斷能力試驗的時間需求。經測試，該預熱轉換裝置符合IEC60269與GB13539的要求，在降低試驗主回路的容量要求，提高試驗成功率，避免試品浪費等方面具有較高的經濟效益。

1 預熱轉換裝置的設計

本文設計的預熱轉換裝置采用高速PLC及相關元件，采取電氣閉鎖與程序閉鎖相結合的方式。對于低壓側而言，既可以接入調壓器與多磁路變壓器，也可以接入恒流源裝置;對于高壓側而言，既可以接入高壓開斷試驗回路，也可以接入低壓開斷試驗回路。這種接入方式能較好適用于熔斷器分斷能力的測試，其穩流部分作為單一穩流器用于溫升、脫扣器整定、動作值測量等[8]。預熱轉換裝置結構框架圖如圖I所示。

本設計中的預熱轉換裝置主要由低壓大電流裝置、轉換高壓裝置、預熱轉換器3個部分組成，以下將對這3個部分的設計進行詳細闡述。

1.1 低壓大電流裝置的設計

低壓大電流裝置內置交流電源，采用自耦調壓器、多磁路變壓器、選相開關等構成主回路。低壓電流的數據采集由電氣試驗數據采集系統通過所述分流器完成，最大試驗電流輸出瞬時可達120kA以上，長期可達12kA。

圖2為低壓大電流裝置電流放大部分的電路圖。由電路圖可知Q1和Q4構成三極管組合放大電路，所以Q4集電極的電流得到兩次放大。但Q6和Q7集電極和基極的電壓相同，所以Q6和Q7不能導通，電流只能由Q8和Q9構成回路。而Q8和Q9與C4構成負反饋電路，當輸出電流很大時，C4充滿電后，Q8導通，接著Q9導通，使得大量電流流入電源負端，輸出電流減小;當輸出電流較小時，Q8不通，電流經Q2、Q3、Q10、Q11組成的多級復合放大電路放大完成后，流向輸出端，提高輸出電流，因此該電路能保持輸出電流穩定。

1.2 轉換高壓裝置的設計

轉換高壓裝置的線路設計圖如圖3所示。采用電阻器串聯空心式電抗器作為負載，通過電阻器與電抗器對電流進行調節。進行極限通斷能力試驗時，阻抗需接在被試電器之前;進行臨界通斷能力試驗時，被試電器之前接入的阻抗值不得大于試驗電路總阻抗值的10%。為了避免瞬變過程中兩并聯電抗器產生環流，電抗器L與電阻器R的電抗值需相等[9]。試驗過程中，低感分流器接入主電路后可在被試電器觸頭兩端引出信號來拍攝電壓波形，但是為了避免對觸頭分斷過程中暫態恢復電壓的影響，該測量電路的總電阻值應大于20kΩ。此外，試驗電源應保證在電弧熄滅瞬間的恢復電壓不低于被試電器的額定電壓值，在電源容量不足或電源內阻抗過大時允許將電源空載電壓提高，但不得超過被試電器額定電壓的115%;如測試技術條件或測試標準中未規定各參數的允許偏差，則時間常數的允差為0～20%，功率因數的允差為-20%～0，電流的允差為0-10%[10]。

1.3 預熱轉換器的設計

先將熔斷器置于低壓回路，到了一定時間后再將熔斷器轉入高壓回路就能夠滿足分斷能力測試的時間要求，低壓回路向高壓回路的切換需要預熱轉換器進行電熱的轉換，預熱轉換器原理圖如圖4所示。

預熱轉換器分為電熱轉換和控制兩部分，電熱轉換低壓側采用的是分流器進行表計監測，高壓側采用的是線圈+積分器的組合來擴大測量監測范圍?？刂撇糠钟筛邏嚎刂茢嗦菲?、低壓電流調節器、低壓調壓器構成。高壓控制斷路器負責隔離開關分閘后啟動大容量系統通電運行，低壓電流調節器對低壓系統的電流進行自動調節，低壓調壓器對低壓系統提供免于瞬時高電壓造成的損壞的保護。

該裝置的核心要求就是要絕對保證隔離開關的隔離作用和縮短高壓與低壓轉換之間的時間。隔離作用通過選擇與高壓側相匹配的隔離開關實現，而縮短高壓與低壓轉換之間的時間則需要在轉換的各個環節上提高元器件開關及控制速度。

2 熔斷器預熱轉換裝置的PLC+PC控制

本試驗中的預熱轉換裝置采用基于SERCOS接口的PLC+PC控制系統，該控制系統如圖5所示。在進行相關實驗時，首先由工控機判斷出各個繼電器的狀態以及各個行程開關的位置，然后再將信息傳送給軟CNC和軟PLC，軟CNC再進行分析、譯碼，然后將各個信息（M、S、T信息）交由軟PLC進行控制，最后將低壓大電流裝置的相關數據、轉換高壓裝置的相關數據、轉換器裝置的相關數據通過PLC-SERCOS-Ⅲ數據采集卡傳送給PLC、工控機，并且在觸摸屏上顯示相關數據，觸摸屏安裝的是WindowsXP系統。也可以由工控機和PLCCPU下達指令，并通過PLC-SERCOS-Ⅲ數據采集卡將指令傳送到低壓大電流裝置、轉換高壓裝置、轉換器裝置，從而控制來驅動熔斷器部件動作。3設計裝置的熔斷器分斷能力驗證

為了驗證本裝置具有很好的熔斷器分斷能力，進行如下試驗。本次試驗選購的重要器件有：西門子s7-200PLC，天津四方恒業電氣設備有限公司;ZW32-12高壓斷路器，上海勇高電氣制造有限公司;GN19-12kV隔離斷路器，深圳威川電氣成套設備有限公司;干式多相雙繞組多磁路變壓器，四川省格輝陽電氣有限責任公司;ADD-0305-205直流恒流源，武漢艾德杰電子有限責任公司;TSGC2三相接觸式自耦調壓器，上海匯光電氣有限公司;MCS分流器（體積25cm×15cm×5cm），北京美亞先科技有限公司;CKGKL空心式電抗器，上海谷明電氣有限公司;IGYX12P1783/L傳感器，買道傳感科技（上海）有限公司。

熔斷器分斷能力試驗電路圖如圖6所示，可根據試驗要求調節電流，由可編程控制器通過低壓側電流升壓操作。調節好大容量試驗回路電流后安裝好試品（熔斷器），通過監控/操作計算機啟動預熱轉換程序，閉合隔離斷路器，當達到設定時間時分斷隔離斷路器，再閉合高壓斷路器直至試品（熔斷器）熔斷。U₁是電源電壓，U₂是分斷試驗后熔斷體的恢復電壓，U₃是監測電路中分流器的電壓信號。在熔斷體分斷試驗中，U₁、U₂、U₃通過數字功率計測試，可以直接讀取電壓、電流等相關數值。并根據表1在觸摸屏中設計相應的參數。

熔斷器經測試的測試結果為：

1）熔斷前沒有持續燃弧、飛弧或危及周圍的任何火焰噴出。

2）熔斷后熔斷器的零部件（除預定需更換的部件）沒有發生妨礙它們繼續工作的損壞。

3）試驗后，絕緣電阻=70kΩ。

4）熔斷體熔斷時出現的電弧電壓沒有超過規定值。

5）熔斷器分斷能力試驗用時為40s。

本文設計的熔斷器符合GB13539標準[11]，熔斷器分斷能力試驗過程為40s，滿足了高壓熔斷器的實際試驗需要，達到了本文預期熔斷器設計目的。

4 結束語

本文對熔斷器中預熱轉換裝置的3個主要部分：低壓大電流裝置、轉換高壓裝置、轉換預熱器進行設計，以期滿足大容量試驗室熔斷器分斷能力試驗時間的需求（30～45s）。經分斷能力測試，本文設計的轉換預熱裝置，能夠使該熔斷器在正常運行時符合GB13539標準，降低了試驗主回路的容量要求，并且提高了試驗的成功率，避免了多次試驗造成的樣品浪費，節約了成本，提升了經濟效益，使得該裝置具有進一步研究應用的價值。

參考文獻

[1]錢紅，張紅.熔斷器分斷能力的試驗裝置[J].電子元器件應用，2001，3（11）：25-26，41.

[2]戴超，莊勁武，楊鋒，等.高壓混合型限流熔斷器用電弧觸發器的弧前特性[J].高電壓技術，2010，36（2）：350-355.

[3]陳搏，莊勁武，肖翼洋，等.10kV/2kA混合型限流熔斷器用電弧觸發器的分析與設計[J].高電壓技術，2012，38（8）：1948-1955.

[4]韋強.短路電流訓算及斷路器分斷能力的選擇[J].電世界，2003（6）：12-14.

[5]項建新，齊忠毅.同步控制斷路器系統在低壓電器試驗站的應用[J].低壓電器，2008（3）：58-62.

[6]陸輝.低壓斷路器分斷能力校驗的簡化方法[J].電氣應用，2013（18）：57-59.

[7]丁永生.論低壓開關設備內斷路器分斷能力的合理選用[J].機電信息，2009（24）：44-46.

[8]趙亞明，王晶.PC+PLC在超高壓大容量試驗室的應用[J].自動化與儀表，2003（6）：45-47.

[9]賈永岐，劉偉，張明莉.復合變比TA高壓智能轉換裝置的降損應用[J].華東電力，2011（4）：24-25.

[10]陳搏，莊勁武，王晨，等.直流熔斷器短路分斷試驗的等效方法研究[J].電力系統保護與控制，2013（11）：93-98.

[11]區潔珍，馬啟田，張濤.熔斷器分斷能力驗證方法分析[J].江西化工，2016（3）：101-103.

（編輯：商丹丹）