引言

斷路器(開關(guān)）是變電站的重要設(shè)備,在系統(tǒng)發(fā)生接地或短路故障時(shí),斷路器用于開斷故障電流,從而最大限度地保證站內(nèi)設(shè)備不受故障電流侵害,減少負(fù)荷損失。根據(jù)南方電網(wǎng)《電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定,高壓斷路器的速度特性、時(shí)間參量、分合閘電磁鐵的動(dòng)作電壓都屬于B類檢修,必須按照規(guī)定周期開展相關(guān)工作,其試驗(yàn)結(jié)果是判斷斷路器能否正常運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的傳統(tǒng)斷路器機(jī)械特性測試儀存在如下問題:

（1）傳統(tǒng)的斷路器機(jī)械特性測試儀工作時(shí),要求斷路器斷口至少一側(cè)處于開路狀態(tài),對(duì)于部分高壓斷路器,由于需要解開一側(cè)的接地線,可能會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電,作業(yè)人員工作時(shí)存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）拆除接地引線或安裝電流卡鉗時(shí),作業(yè)人員需登高進(jìn)行,不但存在高空墜落風(fēng)險(xiǎn),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(jī)械特性測試儀測試時(shí),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(fēng)險(xiǎn)及工作量。

（4）現(xiàn)有的測速傳感器無法對(duì)動(dòng)觸內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的斷路器進(jìn)行動(dòng)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(guān)的測試一直困擾著檢修人員,許多研究機(jī)構(gòu)和測試儀器制造廠家也在探索各種新的方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩端接地的斷路器分合閘時(shí)間的準(zhǔn)確測試。為此人們提出了很多解決方案,下文針對(duì)各種測試方案進(jìn)行對(duì)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(cè)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(yuǎn)大于Rd,A點(diǎn)到B點(diǎn)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(diǎn)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(shè)備體積大、能耗高,接線要求嚴(yán)格,同時(shí)無法區(qū)分合閘電阻動(dòng)作過程中間量,還容易被高壓感應(yīng)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(dòng)態(tài)電容測試技術(shù),測試原理如圖2所示。當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí),改變電源的頻率,并采集、計(jì)算出各頻率下的電流有效值曲線,電流有效值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為整個(gè)回路的諧振頻率,以此頻率作為測試電源的頻率。當(dāng)斷路器分閘時(shí),動(dòng)觸頭和靜觸頭會(huì)形成一個(gè)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(zhǔn)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(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)試麻煩,較少應(yīng)用到實(shí)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(cè):當(dāng)斷路器分開時(shí),回路由大地構(gòu)成等效電感L1:當(dāng)斷路器閉合時(shí),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(yuǎn)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(duì)簡單。但應(yīng)用這種方法在環(huán)路里由于多個(gè)接地的影響,特別是應(yīng)對(duì)GIS組合開關(guān)時(shí),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(yīng)法

通流體電磁感應(yīng)法以電磁感應(yīng)為基本原理,如圖4所示,將斷路器、電纜、地網(wǎng)和兩個(gè)接地刀閘組成一個(gè)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(shí)現(xiàn)[2]。高頻脈沖信號(hào)激勵(lì)鉗不停發(fā)出高頻激勵(lì)信號(hào),當(dāng)斷路器狀態(tài)為合閘時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,在圖4所示通流體回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流,則同樣鉗入回路的高頻脈沖信號(hào)接收鉗將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,因此感應(yīng)電動(dòng)勢的有無對(duì)應(yīng)著斷路器斷口的分合狀態(tài)。由于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢變化時(shí)間遠(yuǎn)大于開關(guān)動(dòng)作時(shí)間,因而實(shí)現(xiàn)了分合閘狀態(tài)的檢測。此方法技術(shù)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(jī)的研制

2.1硬件技術(shù)方案

測試儀主機(jī)以嵌入式工控機(jī)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(shí)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(jìn)口高速熱敏打印機(jī),方便現(xiàn)場打印測試數(shù)據(jù)。機(jī)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(dòng)作電壓值可任意整定,并可做斷路器低電壓動(dòng)作試驗(yàn)。主機(jī)可存儲(chǔ)30000組試驗(yàn)數(shù)據(jù)(可擴(kuò)展存儲(chǔ)卡）,機(jī)內(nèi)有實(shí)時(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、保存,采用2.4GHz無線通信模塊進(jìn)行信號(hào)傳輸,電流鉗無須電纜線,省時(shí)省力,提高了工作效率。測試儀主機(jī)原理如圖5所示。

圖5測試儀主機(jī)原理框圖

2.2高亮度顯示技術(shù)

高壓試驗(yàn)儀器大多數(shù)需要在室外使用,在強(qiáng)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(xué)膠粘結(jié)在液晶屏前表面的偏光片上。由于光學(xué)膠的折射率與玻璃幾乎相同,都為1.50,因此消除了兩個(gè)反射面。而玻璃的外表面鍍了減反層,使其整個(gè)對(duì)外部光的反射率只有0.5%,能夠使液晶屏在各種強(qiáng)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(xì)膩的圖像和文字,顏色顯示生動(dòng)鮮艷,對(duì)比度大大增強(qiáng),發(fā)射光線降低,顯示視角寬廣。

2.3一體化防護(hù)級(jí)機(jī)箱

傳統(tǒng)的測試儀機(jī)箱采用鋁合金板材組裝而成,運(yùn)輸及測試使用時(shí)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(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)便攜性設(shè)計(jì),采用一體成型安全防護(hù)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(hù)等級(jí)達(dá)IP67,便攜易用,如圖6所示。改進(jìn)后的機(jī)箱還具有防潮、防水、防摔功能,更加便攜、耐用,同時(shí)也便于量產(chǎn)、規(guī)模化生產(chǎn)。

圖6一體防護(hù)箱

3測試附件的研制

任何一個(gè)測試儀器,除測試儀主機(jī)外,還需要配合必要的測試附件才能較好地完成測試任務(wù),而測試附件功能、性能的好壞,不僅影響測量結(jié)果,還對(duì)測量過程的可靠性以及是否安全、快捷極其重要。本文針對(duì)開關(guān)特性測試儀所需的必要附件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),配合測試儀主機(jī)使用,具有更快捷、更安全、更可靠的優(yōu)勢,極具推廣使用價(jià)值。

3.1分合閘觸發(fā)激勵(lì)快速接線夾

目前,高壓開關(guān)柜二次接線一般采用導(dǎo)軌式接線端子,在開關(guān)特性測試作業(yè)時(shí),需要在操作控制箱二次回路中接入分合閘線圈激勵(lì)電源接線。傳統(tǒng)的方法是通過擰開端子螺絲增加導(dǎo)線或拆除原導(dǎo)線,容易造成誤操作,增加安全風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)導(dǎo)線的工具,不僅能減少接入測試導(dǎo)線所花的時(shí)間,還能減少反復(fù)拆裝導(dǎo)線給接線端子帶來的損傷,避免了因拆除導(dǎo)線時(shí)誤接所造成的安全隱患。其主要結(jié)構(gòu)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(duì)接導(dǎo)體之間建立電氣連接:上夾體頭部為外接香蕉頭,標(biāo)準(zhǔn)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(shè)有支撐U形片,用于保護(hù)頂針探頭不會(huì)被對(duì)側(cè)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(gè)夾具。使用時(shí)只需將帶伸縮彈簧頂針的上夾體對(duì)準(zhǔn)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(yàn)驗(yàn)證可滿足高壓二次測試試驗(yàn)絕大部分場合要求,為開關(guān)柜及相關(guān)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(fēng)險(xiǎn),節(jié)省了測試人員工作時(shí)間,減少了工作失誤,值得在高壓二次測試領(lǐng)域大力推廣使用。

圖7分合閘觸發(fā)激勵(lì)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(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在分合閘過程中的運(yùn)動(dòng)特性,但目前在很多應(yīng)用場合無法安裝及使用傳感器導(dǎo)致無法進(jìn)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(guān)動(dòng)軸的軸向運(yùn)動(dòng)通過連桿引到外面進(jìn)行測試,結(jié)合拉桿式傳感器,即可獲得測試結(jié)果。如圖8所示,其結(jié)構(gòu)包括傳感器支座、動(dòng)軸連接桿、夾緊螺桿、拉桿位置傳感器等。傳感器支座兩邊設(shè)有可滑動(dòng)的槽口,中間折彎突起,中部帶傳感器安裝卡口,可適應(yīng)不同尺寸的斷路器:動(dòng)軸連接桿頭部為U形結(jié)構(gòu),一端面帶有螺母,通過與螺桿配合和斷路器動(dòng)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(dāng)斷路器動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)連接桿一起上下運(yùn)動(dòng),由于連接桿又與傳感器端部相連,所以傳感器拉軸的運(yùn)動(dòng)如實(shí)反映了斷路器動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了斷路器分合閘時(shí)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的測量。該設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)的傳感器,適用于市場上通用的開關(guān)特性測試儀,能夠大大提高開關(guān)特性測試儀的通用性,值得大力推廣使用。

圖8測速附件應(yīng)用效果圖

3.3電流鉗安裝工具

使用兩端接地開關(guān)特性測試儀需要安裝電磁感應(yīng)電流鉗到斷路器兩側(cè)的高壓電纜上,一般采用高空作業(yè)的方式進(jìn)行安裝,在高空作業(yè)時(shí)變電站斷路器上沒有相應(yīng)的防墜落安全帶懸掛點(diǎn),給作業(yè)人員帶來了安全隱患,增加了工作難度及準(zhǔn)備時(shí)間,在實(shí)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(xiàng)工作變得更加簡單、安全。如圖9所示,其結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)有止動(dòng)按扭,按下按鈕后可卡住拉繩,松開手輪則能轉(zhuǎn)動(dòng),側(cè)面設(shè)有手柄,用于轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí),只需將電流鉗一側(cè)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(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)按鈕,鉗口在彈簧作用下將自動(dòng)閉合,測試完成后,按相同的方法即可輕松取下電流鉗。整個(gè)過程由原來的多人協(xié)作變成可單人完成,無須進(jìn)行任何高空作業(yè),使用及安裝省時(shí)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(yīng)用場合大力推廣。

圖9電流鉗安裝工具原理圖

4應(yīng)用效果分析

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

5結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)特性測試儀在測試作業(yè)過程中存在安全風(fēng)險(xiǎn),配套附件效率低、不適用等問題,基于"零接觸"高壓試驗(yàn)理念,本文研制了一種安全性強(qiáng)、實(shí)用性高、通用性好的兩端接地開關(guān)特性測試儀及其附件,包括無線測試主機(jī)、專用的電流鉗安裝工具、新型二次端子試驗(yàn)線連接夾、設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)測試儀和作業(yè)人員與設(shè)備的安全隔離,能夠完成兩端接地時(shí)分合閘時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)多方使用驗(yàn)證,相比傳統(tǒng)測試儀,其在效率、安全性、準(zhǔn)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。