一種采用多電源的滅磁開關串聯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電廠，云南 祿勸 651500)

滅磁開關是發電機勵磁系統中的重要設備。在磁場斷路器配合滅磁電阻的放電滅磁方式中，滅磁開關的建壓能力直接決定了轉子電流能否順利轉移到非線性滅磁電阻中，關系到發電機能否順利滅磁[1]。隨著發電機組單機容量的增加和勵磁參數的增大，對勵磁系統滅磁開關弧壓的要求也不斷提高。為滿足大型發電機組對滅磁建壓的要求，常常需要在直流滅磁開關內將多個磁場斷路器斷口串聯使用[2]。

對于多個斷口串聯的滅磁開關，理論上其開關總弧壓等于單個斷口弧壓乘以斷口個數，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]。為保證開關總弧壓滿足滅磁要求，滅磁開關的各斷口間動作的同步性均應符合廠家規定要求。

傳統的開關同步性檢測方法是在開關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。當多個斷口串聯使用時，如仍采用上述方法，當一個斷口動作時，其串聯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]。

針對傳統方法對串聯多斷口進行同步性檢測時的諸多缺點，本文設計并研制出了一種基于多電源的滅磁開關串聯斷口同步性檢測裝置，并通過試驗結果證明，該裝置能夠增強串聯多斷口同步性的測量準確度，減少維護人員的工作量，提高工作效率。

1 裝置原理

新型滅磁開關串聯斷口同步性檢測裝置原理，如圖1所示。在滅磁開關的每個串聯斷口上均配置一個獨立的電壓源，若被測滅磁開關FMK有3個斷口串聯，則設置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，數量可隨著滅磁開關斷口數進行增減。R1、R2、R3是3個限流電阻，防止滅磁開關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變為0，通道2、通道3采集到的電壓保持不變；當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變為U1，通道2、通道3采集到的電壓保持不變[7]。

圖1 串聯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。

若設置三個電壓源的電壓U1=U2=U3=1 V，則根據錄波儀記錄的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，判斷滅磁開關串聯斷口之間動作的同步性。

圖2 各串聯斷口電壓變化圖

2 裝置設計

根據上述原理，研制出的多斷口斷路器動作時序測試裝置樣機結構，如圖3所示。該樣機集成了8級串聯電壓源和相應的時序測試儀，可對8個斷口串聯的開關進行檢測。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 串聯斷口同步性檢測裝置結構圖

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內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器64 K字節的閃存和20 K字節的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，且保證低功耗應用的要求。

圖4 STM32F103C8T6嵌入式微控制器圖

被測開關每個斷口的動作信號經過光電隔離后從快速I/O口引入，接到外部中斷，邊沿檢測器設置為雙邊沿觸發，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，只需接入開關操作控制命令，并按接線標識將串聯斷口依次接入測試通道，操作開關，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構，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”，選擇對應測試功能，觸摸屏上即可顯示對應斷口的分/合閘動作時間、動作時差、及動作時序。

3 測試結果及其分析

為驗證上述試驗裝置的有效性和準確性，將8個實際滅磁開關中使用的弧斷口用8個同規格型號的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繼電器的動作時序測試結果，各繼電器的合閘時間均在9.83～11.81 ms之間，其中紅色標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，能夠準確和直觀地反映出動作時序關系和動作時差。

圖6 合閘時序表

因此，通過觸摸屏上各串聯斷口的動作時差大小和動作時序大小，可以分辨出各串聯斷口的分合閘時間和動作時差，以便維護人員結合相關規程和標準，進一步采取針對弧斷口的維護措施。

4 結 語

通過為被測滅磁開關的每個串聯斷口提供一個獨立的電壓源，消除了串聯斷口動作電壓相互間的影響，可實現在不斷開各串聯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，試驗結果表明能夠有效檢測各串聯斷口的動作時序。

綜上所述，該裝置可廣泛應用于行業內各電廠滅磁開關的檢測以及其他各類機械式開關的動作同步性檢測。應用該裝置能有效節省大容量機組滅磁開關檢修時間，提高工作效率，同時避免銅排反復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險，提高了設備可靠性，社會效益顯著，且具有一定的商業價值。