高、低壓開關設備機械特性及機械壽命一體測試儀設計與開發

張雙榮 盛建華 陳振家 陸俊陽 謝 智

（甘肅電器科學研究院）

0 引言

隨著我國輸變電網絡快速擴展，中國電網建設保持高速發展，高、低壓開關設備作為重要的保護和控制電器，其性能的可靠性對電網安全穩定的運行起著重要作用，而斷路器的機械特性參數又是斷路器的重要性能指標[1]。因此，高壓斷路器性能的可靠性直接關系到電力系統的安全運行[2]。根據國家電力監管委員會的長期統計顯示，斷路器發生失效的主要原因是斷路器的機械故障[3-4]，而高壓斷路器動觸頭行程位移檢測作為高壓斷路器狀態檢測的一個重要方面，可以直觀反映斷路器的機械結構運行狀態，即機械特性[5-6]，因此高壓斷路器動觸頭行程位移檢測是斷路器檢測中不可缺少的部分。而由于高、低壓開關在實際工作當中經過長期多次的合分動作，導致開關設備觸頭以及各個運動部件的磨損，會直接影響電網的正常運行及可靠性。

各種型式的高、低壓開關的磨合次數對觸頭磨損程度和機械特性各項數據有著較大影響，為輸配電維保工作提供設備更換周期的參考依據，故迫切需要一種測試儀器能夠在磨合過程中同步采集機械特性數據以及回路電阻的測試設備，得出磨合次數對觸頭磨損程度和機械特性各項數據的影響關系曲線是非常有意義的。

1 一體測試儀設計要求

本測試儀可進行各種型式的高、低壓開關設備的機械特性測量，通過在磨合過程中同步采集機械特性數據以及回路電阻的測試設備，得出磨合次數對觸頭磨損程度和機械特性各項數據的影響關系曲線。一體測試儀的設計要求如下：其試驗參數可隨時調整，試驗數據也可即時測量；機械特性數據以及回路電阻的采集頻率可隨時調整；數據準確；輸出操作電壓DC/AC 0～300V無極可調。

2 測試儀參數確定

參考國內外該類型測試儀以及高、低壓開關設備機械壽命及機械特性試驗測試條件，確定一體測試儀的主要結構為：①合分閘動作控制系統：采用計算機作為上位機控制PLC選擇交流或直流電源并輸出，以及對試品合閘、分閘、儲能二次回路供電的通斷，實現合閘、分閘、儲能的動作控制。②數據采集系統：直線電阻式位移傳感器實時采集動觸頭位置以及換算移動速度；通過斷口信號電位變化狀態來確定觸頭的剛分（剛合）時刻，即斷口的狀態變化時刻就是剛分（剛合）時刻；回路電阻測試儀：在每次合閘動作完成后由計算機控制回路電阻測試儀進行各相回路電阻測量并將阻值上傳至計算機用于統計并繪制曲線。③電源系統：包括三組艾德克斯生產的IT6726H 的直流電源和三組艾德克斯生產的IT7324交流電源組成的電源組，為分閘合閘提供控制電源和儲能電源。

3 組成及工作原理

高、低壓開關設備機械特性及機械壽命一體測試儀主要由計算機、3臺交流電源、3臺直流電源、PLC控制器、數據采集器、3套KTM微型直線電阻式位移傳感器、電位信號傳感器、3套回路電阻測試儀組成。

3.1 系統硬件設計

本測試儀由計算機通過交換機分別連接PLC、數據采集器和回路電阻測試儀完成電源控制、動作控制、機械特性數據的采集以及回路電阻測試的運行和采集。如圖1所示，計算機通過交換機分別與PLC控制器、數據采集系統和回路電阻測試儀連接，首先計算機控制軟件根據試品操作電壓控制PLC控制器選擇直流或交流電源供電，并通過PLC控制繼電器組1內的繼電器進行相應動作，給分閘回路、合閘回路、儲能回路、閉鎖回路供電，使試品按試驗流程執行對應的操作。在每次合閘合分閘過程中，PLC控制器控制繼電器組3接通斷口與電位信號傳感器相通，繼而將斷口的剛分剛合時間點數據通過數據采集器組傳與計算機進行分析，得到合分閘準確時間和速度。

圖1 高、低壓開關設備機械特性及機械壽命一體測試儀控制原理圖

回路電阻的測量由計算機軟件依據試驗流程在每次或每幾次循環的合閘后，由PLC控制繼電器組2的繼電器接通繼而接觸器組接通，繼電器組3斷開，再由計算機控制3臺回路電阻測試儀對每組斷口的回路電阻進行測量，并將當前所測得的回路電阻回傳給計算機用于磨合過程中回路電阻變化曲線的繪制。回路電阻測量完畢后再由PLC控制器控制繼電器組2的繼電器斷開，接觸器組也隨即斷開，繼電器組3接通，再完成之后的分閘動作。

3.2 觸頭速度-時間特性檢測

機械特性的測試方法，首先將各組斷口夾夾于斷口處，用來確定剛分（剛合）時刻，再將3組電阻式位移傳感器的運動桿分別與動觸頭動作桿剛性連接，傳感器座固定牢固，在合分閘動作過程中，動觸頭的移動帶動位移傳感器的運動桿運動，以此便可采集到動觸頭真實的運動信息。

在進行觸頭位移信號檢測的過程中，通過斷口信號電位變化狀態來確定觸頭的剛分（剛合）時刻，即斷口的狀態變化時刻就是剛分（剛合）時刻，考慮到分合閘過程中存在操作機構的振動和電磁器件的干擾，使位移傳感器輸出的非平穩信號存在噪聲，因此需要對采集到的位移信號進行去噪處理[7]，故本文選用文獻[7]中連續可微閾值函數與尺度閾值的小波去噪方法，經小波去噪后的位移信號中相鄰兩個采樣點間觸頭運動的位移與采樣周期的商（即兩個采樣點間觸頭的平均速度）作為前一個采樣點的速度，依次求得相鄰兩個采樣點間觸頭運動的平均速度，即可得到斷路器在分合閘過程中觸頭運動曲線[7]，如圖2所示，再配合斷路器剛分和剛合時間點，便可得到動觸頭的平均速度。

圖2 合分閘運動曲線

3.3 合分閘不同期的檢測

高壓開關的不同期性是指在合分閘的過程中，三相間及或同一相各斷口間的觸頭接觸瞬間的最大時間差異值，當操動機構推動三相動觸頭開始運動，系統實時檢測斷口信號電位變化狀態，記錄各相主回路電位變化的時間點，即為各動觸頭接觸或脫離瞬間的時間點，通過軟件計算，得到三相動觸頭接觸時間的最大差，即可得到合分閘不同期數據。

4 測試儀應用情況

選用某廠家的12kV戶內斷路器進行1000次機械壽命試驗和機械特性的檢測，用于設備驗證，所測得的機械特性數據如下表所示。

表 機械壽命試驗前后機械特性統計表

機械壽命試驗完成后對每個循環所采集到的回路電阻進行統計并繪制如圖3所示的回路電阻變化曲線圖。

圖3 回路電阻變化曲線圖

該一體測試儀運轉平穩，數據采集準確，曲線平滑，界面顯示清晰明了。回路電阻數據統計詳細完整。在進行12kV戶內斷路器1000次機械壽命試驗及試驗前后機械特性的測量性能試驗之后還進行了戶外斷路器、負荷開關、交流接觸器、隔離開關等高、低壓開關設備，試驗結果均達預期。

5 結束語

針對高、低壓開關設備對于其機械特性的測試以及機械壽命試驗的需求，研發了具有高集成度、高性能參數的一體式測試儀，通過多種高低壓開關設備試驗驗證，調試結果表明，性能指標滿足設計要求，整體運行可靠，兼容性較高。該一體測試儀的研制能夠得到各種類型的開關設備其磨合次數對觸頭磨損程度和機械特性各項數據的影響關系曲線，對于提高國家電網網絡運行的可靠性以及輸配電維保工作的合理性和高效性有著重要的意義。