一種兩端接地開關特性測試儀及其附件的研制

引言

斷路器(開關）是變電站的重要設備,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)設備不受故障電流侵害,減少負荷損失。根據(jù)南方電網(wǎng)《電力設備檢修試驗規(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)定周期開展相關工作,其試驗結果是判斷斷路器能否正常運行的重要數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的傳統(tǒng)斷路器機械特性測試儀存在如下問題:

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

（2）拆除接地引線或安裝電流卡鉗時,作業(yè)人員需登高進行,不但存在高空墜落風險,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,增加安全風險及工作量。

（4）現(xiàn)有的測速傳感器無法對動觸內(nèi)嵌式結構的斷路器進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

兩端接地開關的測試一直困擾著檢修人員,許多研究機構和測試儀器制造廠家也在探索各種新的方法,以實現(xiàn)對兩端接地的斷路器分合閘時間的準確測試。為此人們提出了很多解決方案,下文針對各種測試方案進行對比分析,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遠大于Rd,A點到B點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、C兩點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備體積大、能耗高,接線要求嚴格,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,測試原理如圖2所示。當斷路器處于合閘狀態(tài)時,改變電源的頻率,并采集、計算出各頻率下的電流有效值曲線,電流有效值最小時對應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計復雜、調(diào)試麻煩,較少應用到實際測試儀中。

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:當斷路器分開時,回路由大地構成等效電感L1:當斷路器閉合時,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。但應用這種方法在環(huán)路里由于多個接地的影響,特別是應對GIS組合開關時,無法分辨出三相同期,因此具有一定的局限性。

1.3通流體電磁感應法

通流體電磁感應法以電磁感應為基本原理,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現(xiàn)[2]。高頻脈沖信號激勵鉗不停發(fā)出高頻激勵信號,當斷路器狀態(tài)為合閘時,根據(jù)電磁感應原理,在圖4所示通流體回路中將產(chǎn)生感應電流,則同樣鉗入回路的高頻脈沖信號接收鉗將產(chǎn)生感應電動勢,因此感應電動勢的有無對應著斷路器斷口的分合狀態(tài)。由于電磁感應電動勢變化時間遠大于開關動作時間,因而實現(xiàn)了分合閘狀態(tài)的檢測。此方法技術原理成熟,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測試儀主機的研制

2.1硬件技術方案

測試儀主機以嵌入式工控機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:進口高速熱敏打印機,方便現(xiàn)場打印測試數(shù)據(jù)。機內(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DC10～260V可調(diào)電源,電流30A。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。主機可存儲30000組試驗數(shù)據(jù)(可擴展存儲卡）,機內(nèi)有實時時鐘,便于存檔。配備U盤接口,可直接把數(shù)據(jù)保存到U盤,上傳到計算機進行分析、保存,采用2.4GHz無線通信模塊進行信號傳輸,電流鉗無須電纜線,省時省力,提高了工作效率。測試儀主機原理如圖5所示。

圖5測試儀主機原理框圖

2.2高亮度顯示技術

高壓試驗儀器大多數(shù)需要在室外使用,在強陽光下,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膠粘結在液晶屏前表面的偏光片上。由于光學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膩的圖像和文字,顏色顯示生動鮮艷,對比度大大增強,發(fā)射光線降低,顯示視角寬廣。

2.3一體化防護級機箱

傳統(tǒng)的測試儀機箱采用鋁合金板材組裝而成,運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)化外形結構,實現(xiàn)便攜性設計,采用一體成型安全防護箱,新型PP合金樹脂材料,專用模具一體注塑,重量輕、體積小,防護等級達IP67,便攜易用,如圖6所示。改進后的機箱還具有防潮、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)。

圖6一體防護箱

3測試附件的研制

任何一個測試儀器,除測試儀主機外,還需要配合必要的測試附件才能較好地完成測試任務,而測試附件功能、性能的好壞,不僅影響測量結果,還對測量過程的可靠性以及是否安全、快捷極其重要。本文針對開關特性測試儀所需的必要附件進行了優(yōu)化設計,配合測試儀主機使用,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,高壓開關柜二次接線一般采用導軌式接線端子,在開關特性測試作業(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線或拆除原導線,容易造成誤操作,增加安全風險及工作量。

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導線的工具,不僅能減少接入測試導線所花的時間,還能減少反復拆裝導線給接線端子帶來的損傷,避免了因拆除導線時誤接所造成的安全隱患。其主要結構部件包括彈簧頂針、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體之間建立電氣連接:上夾體頭部為外接香蕉頭,標準4mm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3.1mm的管狀體,用于與彈簧頂針焊接連為一體,在中部還設有支撐U形片,用于保護頂針探頭不會被對側夾體壓到: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)試驗驗證可滿足高壓二次測試試驗絕大部分場合要求,為開關柜及相關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險,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域大力推廣使用。

圖7分合閘觸發(fā)激勵快速接線工具

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構和傳動機構在分合閘過程中的運動特性,但目前在很多應用場合無法安裝及使用傳感器導致無法進行速度測試。

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,將開關動軸的軸向運動通過連桿引到外面進行測試,結合拉桿式傳感器,即可獲得測試結果。如圖8所示,其結構包括傳感器支座、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,可適應不同尺寸的斷路器:動軸連接桿頭部為U形結構,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。當斷路器動軸運動時,帶動連接桿一起上下運動,由于連接桿又與傳感器端部相連,所以傳感器拉軸的運動如實反映了斷路器動軸的運動狀態(tài),實現(xiàn)了斷路器分合閘時動觸頭運動狀態(tài)參數(shù)的測量。該設計使用標準的傳感器,適用于市場上通用的開關特性測試儀,能夠大大提高開關特性測試儀的通用性,值得大力推廣使用。

圖8測速附件應用效果圖

3.3電流鉗安裝工具

使用兩端接地開關特性測試儀需要安裝電磁感應電流鉗到斷路器兩側的高壓電纜上,一般采用高空作業(yè)的方式進行安裝,在高空作業(yè)時變電站斷路器上沒有相應的防墜落安全帶懸掛點,給作業(yè)人員帶來了安全隱患,增加了工作難度及準備時間,在實際的作業(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,使得此項工作變得更加簡單、安全。如圖9所示,其結構包括絕緣桿、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)部設有止動按扭,按下按鈕后可卡住拉繩,松開手輪則能轉動,側面設有手柄,用于轉動回收拉繩: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,值得在本應用場合大力推廣。

圖9電流鉗安裝工具原理圖

4應用效果分析

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

5結語

針對傳統(tǒng)的斷路器開關特性測試儀在測試作業(yè)過程中存在安全風險,配套附件效率低、不適用等問題,基于"零接觸"高壓試驗理念,本文研制了一種安全性強、實用性高、通用性好的兩端接地開關特性測試儀及其附件,包括無線測試主機、專用的電流鉗安裝工具、新型二次端子試驗線連接夾、設計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,成功實現(xiàn)測試儀和作業(yè)人員與設備的安全隔離,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)帶來的人身安全風險。經(jīng)多方使用驗證,相比傳統(tǒng)測試儀,其在效率、安全性、準確性、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。