低壓熔斷器預熱轉換系統(tǒng)開發(fā)設計

甘肅電器科學研究院 陳澤宇

隨著我國電器技術的光速開展，配電設施的技術更新，低壓交流熔斷器在低電壓配電系統(tǒng)、控制和其余電氣設備中的運用越來越普遍，是最常見的短路和過流保護設備之一。熔斷器是常見過電流保護器，在電流超出規(guī)定值的一定時間后，用本身發(fā)生的熱量熔化保險絲，繼而將電路分斷[1]。低壓熔斷器是電氣設備回路及低壓電氣線路中最常使用的一種過電流保護器，它具有經(jīng)濟、操作方便、適應戶外環(huán)境性強等特點。熔斷器短路電流分斷的過程極為短暫（僅需數(shù)毫秒），通常認為是一種絕熱過程。

在試驗的測試過程中，傳統(tǒng)的做法是在低壓回路中施加測試電流，隨后在低壓系統(tǒng)的負載容量超負荷時切換到高電壓系統(tǒng)，以滿足試驗要求的時間長度。但是這種方法還不夠成熟，在我國此類型試驗的研發(fā)企業(yè)的提升非常緩慢，急需大量的科研人員可以參與其中進行研究討論[2]。本文設計了一種基于PLC+PC的預熱轉換系統(tǒng)，適用于熔斷器的分斷能力試驗，以處理試驗過程中從低壓系統(tǒng)轉向高壓系統(tǒng)的轉換，滿足了分斷能力試驗的時間要求。

1 預熱轉換系統(tǒng)設計

預熱轉換系統(tǒng)使用高速PLC及相干部件，將程序鎖與電鎖相結合。低壓側，調壓器和多磁路變壓器可與恒流源設備銜接，對于高壓側，高壓開路可與低壓開路測試電路連接。其穩(wěn)流模塊作為一個簡單穩(wěn)流器用于溫升、脫扣器整定、整定值測量等[3]。總體而言，這種模式能較好的適用于快速熔斷器開斷能力的測試。如圖1所示。

圖1 預熱轉換系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖

本設計的預熱轉換系統(tǒng)分別是由預熱轉換器、高壓轉換裝置還有低壓大電流裝置三部分組成，以下是這三部分的詳細設計介紹。

1.1 預熱轉換器的設計

首先，將試品在低壓回路中通流，當電流逐漸不穩(wěn)定時（即將熔斷）將試品切換至高壓回路一段時間，隨后試品斷開即可滿足分離容量測試的時間要求。在將低壓電路切換到高壓電路時，需要使用預熱轉換器。預熱轉換器的控制圖如圖2所示。

圖2 預熱轉換器控制圖

預熱轉換器由兩部分構成：控制系統(tǒng)和電熱轉換。控制部分主要由斷路器、接觸器、升流器和調壓器構成。電熱轉換裝置低壓側主要采用帶線圈的儀表監(jiān)控，高壓側主要采用線圈和積分器監(jiān)控。D9QF1斷路器的作用是啟動大容量系統(tǒng)的電源運行。升流器的作用是調整低壓回路的電流。接觸器的作用是防止D9QF1斷路器未及時開斷導致試驗回路受損的保護環(huán)節(jié)，調壓器調節(jié)電壓可以保護低壓系統(tǒng)免受瞬時高壓造成的損壞。

該設備的核心目標是保證隔離開關的隔斷作用，減少高低壓之間的切換間隔。為了快速實現(xiàn)高低壓切換功能，加強了轉換各鏈路中的組件開關和操控速度。

1.2 高低壓轉換裝置的設計

進行分斷能力試驗時，阻抗需要接在試品之前。進行極限分斷能力試驗時，試品前能夠接入的阻抗值不應大于試驗設計回路總阻抗的10%。為了避免高低壓切換時并聯(lián)電抗器間產(chǎn)生環(huán)流，電阻器R0與電抗器L0的電抗值需相等[4]。電阻器與空心電抗器串聯(lián)作為負載，電阻器和電抗器調整電流。

在測試過程中，分壓板連接到主電路后，可以在試品前后兩端引出信號，以便于記錄電壓波形，但為了防止觸點斷開時對瞬態(tài)恢復電壓（TRV）的影響，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總電阻應大于25kΩ。并且要確認電弧消失時的過電壓不低于試驗裝置的額定電壓，但不能超過試品額定電壓的1.15倍，若標準中各參數(shù)的允許偏差值未規(guī)定，則時間常數(shù)的允差為0～20%，功率因數(shù)的允差為-20%～0，電流的允差為0～10%[5]。

高壓轉換裝置的設計線路圖如圖3所示。圖中：S為電源，N為電源通信點，R為可調負載電阻器，L為可調負載電抗器，R1為電弧限流電阻器，D為熔絲，P為外殼或測飛弧用鋼板，A為待測電器試樣，B為調整定波電流的臨時連接，O為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，V為電壓表。

圖3 轉換高壓裝置的線路設計圖

1.3 大電流低壓裝置的設計

大電流低壓裝置由多磁路變壓器、自耦式調壓器、選相開關和主回路的其他元件構成，內置交流電源。電流數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CY3000D完成，最大試驗電流輸出瞬時可達200kA以上，長期可達40kA。

2 試驗測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

本設計使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一套高頻、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠滿足大容量試驗室所有數(shù)據(jù)采集的要求。主要用于大容量數(shù)據(jù)采集，達到準確記錄試驗數(shù)據(jù)的目的，并滿足相關標準中對采集系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)由傳感器、采集前端、主機、PC四部分組成，將四部分通過連接組成了本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)硬件組成主要有：前端柜。用于放置數(shù)據(jù)采集前端，采集到的電信號通過前端后轉換為數(shù)字信號，本系統(tǒng)共有2個前端柜；轉換柜。用于放置數(shù)據(jù)采集主機CY3000D及固定采集板以確定采集通道的選擇。本設備共有1個轉換柜；數(shù)據(jù)采集前端。用于轉換采集得到的電信號，通過前端后轉換為數(shù)字信號再通過光纖傳輸至電腦中。本設備共有16個數(shù)采前端；PC（計算機）。用于顯示得到的數(shù)據(jù)和保存波形，并將記錄以紙質形式傳出。

本系統(tǒng)選用的前端分為兩種：電壓前端和電流前端。電壓前端采用了剛性線圈，延長了前端了使用壽命。電流前端采用了加積分器的原理，實現(xiàn)了一次、二次完全隔離，測量范圍大，使用方便。主控單元采用雙端口SRAM（Static RAM靜態(tài)存儲器）高速傳輸接口。在系統(tǒng)內增加了外部數(shù)據(jù)存儲器，對數(shù)據(jù)進行緩沖。存儲器選用靜態(tài)和高速存儲器,需要地址譯碼，才能將數(shù)據(jù)寫入，而先進先出緩沖器讀寫控制簡單，不需要地址譯碼。

系統(tǒng)軟件部分的主要功能是可同時采集最多16路信號，而且各信號之間無相互干擾，采集的數(shù)據(jù)可儲存、調入。試驗相關信息設置（包括試驗參數(shù)、試品型號等信息）做成文件存儲和調用。軟件有在線和離線的數(shù)據(jù)分析功能，分析各采樣通道的統(tǒng)計參數(shù)功能，如最大值、最小值、平均值、峰值、有效值和TRV參數(shù)。為方便查看波形，需提供各種光標顯示方式，如縱坐標，橫坐標和斜光標。通過光標移動，查看某一點的峰值、有效值，兩個光標之間的最小值、最大值、積分、焦耳積分、微分、相角、時間間隔及兩個光標之間電流信號的合閘相角等。本系統(tǒng)適用于額定電壓0～300kV、額定電流0～100KA等級范圍內的短路試驗。框架結構如圖4所示。

圖4 框架結構圖

采集系統(tǒng)電流傳感器的選擇：線圈及積分器。優(yōu)點是，一次、二次實現(xiàn)隔離，量程廣，切換監(jiān)測點便捷。但其缺點是，無法保證非周期分量準確性，該因素將直接導致開斷電流非周期性分量誤差及峰值誤差，即功率因數(shù)誤差。

采集系統(tǒng)電壓傳感器的選擇：阻容分壓器。不能兼作沖擊電壓發(fā)生器的負荷（調波）電容使用，它只供作為測量電壓的轉換裝置之用。低阻尼電容分壓器的串聯(lián)電阻的阻尼很小，它不會影響試驗回路產(chǎn)生標準波。

本采集系統(tǒng)具有如下特點：顯示操作單元上位機顯示，全中文菜單，界面清晰直觀，操作簡單方便；主控單元選用了功能強勁的CY3000D數(shù)據(jù)光纖測試系統(tǒng)，可同時采集16路通道；可程控采樣頻率達到1kHz/CH-500kHz/CH；可程控記錄長度1kB～1024kB；實現(xiàn)光電隔離，既能保障系統(tǒng)和工作人員的安全，也能保證采集的不失真性；響應速度快，既可以傳輸直流信號，又可以傳輸高頻脈沖信號；單向傳輸信號，寄生電容反饋小；無觸點，壽命長。

3 設計裝置的分斷能力試驗驗證

為了驗證本設計具有良好的分斷能力，計劃進行以下試驗。西門子s7-300PLC、中山市鴻智電氣有限公司12kV高壓斷路器、江西明正變電設備有限公司Gn19-12kV隔離斷路器、蘇州安泰變壓器有限公司多相干式雙繞組多勵磁變壓器。ADD-0305-205直流恒流源、天水長城成套開關股份有限公司、蘇州合展電氣有限公司柱式點動調壓器、江蘇雷宇有限公司CY3000D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為本次試驗選用的重要部件。

Ubc是試驗電源電壓，Ub是試品熔斷后的恢復電壓，Ic是預熱轉換后采集系統(tǒng)獲得的電流數(shù)據(jù)。電流可根據(jù)測試要求進行調整，并通過低壓側電流由可編程控制器增加壓力進行操作。將試驗電流調整完畢后，安裝試驗試品。通過PC啟動預熱轉換程序，并實現(xiàn)監(jiān)控、操作功能。操作流程為先給操作斷路器發(fā)出關合指令，到達預設時間后斷路器開斷，隨后關合高壓斷路器，直至試品熔斷。圖5為熔斷器分斷試驗示波圖。

圖5 熔斷器分斷試驗示波圖

熔斷器測試結果為：熔絲的過電壓未超過規(guī)定值；熔斷體未損壞到危及操作者及更換困難的程度；）試驗后，絕緣電阻=10.6MΩ；無持續(xù)燃弧、飛弧或危及周圍的任何火焰噴出；分斷能力測試時間為67s。經(jīng)測試，本文設計的試驗系統(tǒng)符合GB/T 13539標準，試驗測試過程為67s，滿足了熔斷器的實際測試需要，達到了本文預期的預熱轉換系統(tǒng)的設計要求。

綜上，本文設計的預熱轉換系統(tǒng)，能夠改善熔斷器分斷能力，在進行試驗時符合GB13539標準要求。本設計將數(shù)據(jù)采集、預熱轉換器、高低壓轉換裝置和低壓大電流裝置整合起來，充分滿足了預熱轉換試驗對于試驗時間長、高低壓切換的試驗要求，實現(xiàn)主回路和預熱回路之間的快速切換，提高了試驗成功率，減少了試驗的重復次數(shù)，符合我國節(jié)能環(huán)保的政策要求，提升了試驗室的經(jīng)濟效益，因此該系統(tǒng)具有進一步研究分析方法應用的價值。