2kV－4kV通斷試驗系統(tǒng)的開發(fā)研制

苗 軍

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

2kV－4kV通斷試驗系統(tǒng)的開發(fā)研制

苗 軍1，2

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

為提高電氣開關(guān)、變壓器等相關(guān)電氣設(shè)備的技術(shù)水平，有效滿足其高可靠性和高智能化的要求，除了對其開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究外，還必需開展大量的試驗研究。目前，2kV－4kV電壓等級煤礦防爆電器產(chǎn)品已在國內(nèi)多個礦業(yè)集團(tuán)內(nèi)得到應(yīng)用，但由于該電壓等級的特殊性，國內(nèi)還沒有針對2kV－4kV礦用隔爆型開關(guān)的閉合、斷開檢驗裝置。為了保證我國煤礦的安全生產(chǎn)及供電系統(tǒng)的安全，研制2kV－4kV礦用隔爆型開關(guān)的閉合、斷開操作檢驗裝置并進(jìn)行相關(guān)檢驗方法的研究，建立2kV－4kV煤礦防爆電器產(chǎn)品的專業(yè)檢測檢驗系統(tǒng)，已迫在眉睫。

短路試驗；2kV－4kV；電源；保護(hù)

1 引言

電器試驗是對電器在正常工作和故障情況下所應(yīng)具備的各種性能的驗證。不同的電器產(chǎn)品試驗要求不同，測試主電源也各有不同。電器試驗一般分為高壓試驗和低壓試驗，低壓試驗電壓一般在2kV以下，而高壓試驗電壓一般在10kV以上，試驗室接入的電源電壓為10kV，配備的實驗室專用的低壓系統(tǒng)試驗變壓器或高壓系統(tǒng)試驗變壓器均為特種變壓器，其價格昂貴，目前均在百萬元以上。現(xiàn)有電器試驗室缺乏對用于礦山等場所電器所需的3kV測試電壓，如果直接配備該項試驗電源裝置，因其價格昂貴，將會極大地增加試驗費用，所以電器試驗室常用電壓為10kV的測試電源系統(tǒng)來替代，在實驗過程中容易造成被測試電器的燒毀，給試驗過程帶來安全隱患，并且增加了試驗成本。為了保證煤礦安全生產(chǎn)及供電系統(tǒng)安全，開發(fā)研制2kV－4kV礦用隔爆型開關(guān)的閉合、斷開操作檢驗裝置及其檢驗方法，建立2kV－4kV煤礦防爆電器產(chǎn)品的專業(yè)檢測檢驗系統(tǒng)，是目前的現(xiàn)實需求，具有非常重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)價值。

2 2kV－4kV通斷試驗系統(tǒng)的工作要求

2.1 電源選擇要求

試驗系統(tǒng)模擬高壓電器可能遇到的短路故障工況，以規(guī)定的功率因數(shù)和頻率，給高壓電器試品施加電壓、電流，考察試品能否可靠地開斷和關(guān)合故障電流以及在試驗過程中電弧、高溫和電動力是否會對試品產(chǎn)生損害等。根據(jù)外施電壓和電流來源，可分為直接試驗法和合成試驗法。前者的電壓和電流來源于同一電源，等價性較好。后者的電壓和電流分別來自不同的兩個電源，適合于電壓等級很高、開斷容量很大的試驗。礦用高壓電器應(yīng)采用直接試驗法，試驗系統(tǒng)的主回路基本構(gòu)成如圖1所示。其中，試驗電源來自發(fā)電機(jī)或電力網(wǎng)。出線保護(hù)開關(guān)的功能是保護(hù)，能夠隔離試驗電源和試驗線路設(shè)備。阻抗的作用是保護(hù)發(fā)電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)試驗電流和功率因數(shù)。陪試開關(guān)為合閘斷路器，其合閘后可為試品提供試驗電流，試驗失敗時也能起保護(hù)作用。沖擊變壓器用于改變電壓等級，可提供工頻恢復(fù)電壓。電阻和電容用于調(diào)節(jié)瞬態(tài)恢復(fù)電壓。

圖1 直接法試驗主回路示意圖

設(shè)計和實現(xiàn)試驗系統(tǒng)功能時，主要技術(shù)難點有以下三個方面：一是試驗電流是試品額定電流的數(shù)十倍甚至上百倍且持續(xù)時間很短，試驗電源應(yīng)能提供足夠大的短路容量；二是試驗主回路阻抗配置要合理，盡可能提高試驗電流上限值；三是實現(xiàn)二次測控回路的信息化和集成化，以確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和有效。技術(shù)重點有以下四個方面：一是在試驗斷口處模擬的參數(shù)指標(biāo)及其變化應(yīng)符合試驗標(biāo)準(zhǔn)，包括試驗電壓、試驗電流及其衰減、功率因數(shù)、頻率跌落和恢復(fù)電壓等；二是要優(yōu)化試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局，以減小主回路線路的阻抗，同時，還要便于試驗阻抗調(diào)節(jié)和試品在不同試驗工序間的運輸轉(zhuǎn)換；三是要具有齊全、完備的繼電保護(hù)功能，在試品驗證失敗或試驗系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠保護(hù)人員和試驗設(shè)備安全；四是要能保證測試結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，以提高試驗系統(tǒng)的綜合技術(shù)水平。

2.2 系統(tǒng)整體要求

根據(jù)以上分析，結(jié)合相同的過流過壓保護(hù)以及控制連鎖，得出2kV－4kV通斷試驗一次系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 2kV－4kV通斷試驗一次系統(tǒng)圖

3 通斷試驗系統(tǒng)的控制、保護(hù)及測量

在通斷試驗系統(tǒng)中設(shè)置電源管理與分配功能，以實現(xiàn)發(fā)電機(jī)電源、網(wǎng)絡(luò)電源和各種高低壓電源的管理。整個試驗室主要包括低壓試驗系統(tǒng)、中壓試驗系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。二次系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對以上各個系統(tǒng)中的10kV電源、輔機(jī)、試驗變壓器、高低壓斷路器和隔離開關(guān)、電壓和線路轉(zhuǎn)換裝置及試品等的控制、測量和保護(hù)。

低壓試驗二次系統(tǒng)分為控制保護(hù)和數(shù)據(jù)采集兩個部分。低壓試驗控制系統(tǒng)主要包括低壓試驗控制臺、低壓變壓器保護(hù)屏、試品電源控制柜、遠(yuǎn)程I/O控制箱、試驗狀態(tài)單線模擬屏等。在低壓試驗控制室布置低壓試驗控制臺和低壓試驗系統(tǒng)單線模擬屏。在各個通斷試驗小室、通斷試驗區(qū)、10kV開關(guān)柜室和低壓試驗變壓器室，根據(jù)試驗工藝要求和設(shè)備分布情況，分別布置相應(yīng)的試品電源控制柜和遠(yuǎn)程I/O控制箱。在試驗現(xiàn)場布置有若干個狀態(tài)指示報警柱燈、門位置檢測開關(guān)、現(xiàn)場急停按鈕盒等。控制臺上布置有2臺上位監(jiān)控計算機(jī)，用于完成低壓試驗系統(tǒng)線路準(zhǔn)備及試驗時序功能。低壓變壓器保護(hù)屏上布置有低壓試驗變壓器的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，實現(xiàn)試驗變壓器速斷和過流保護(hù)，能對變壓器瓦斯、溫度、油位等非電量故障信號做出跳閘與報警控制。

中壓試驗二次系統(tǒng)包括控制保護(hù)和數(shù)據(jù)采集兩個部分。中壓試驗控制保護(hù)系統(tǒng)主要包括中壓試驗控制臺、中壓變壓器保護(hù)屏、中壓試驗試品電源控制柜與接線箱、遠(yuǎn)程I/O控制箱和模擬屏等。中壓試驗控制室布置中壓試驗控制臺、中壓變壓器保護(hù)屏和一個單線模擬屏。熔斷器試驗設(shè)備間設(shè)置試品電源控制柜及其輔助電源柜（大電流電源）。各試品室分別設(shè)置相應(yīng)的試品電源接線箱。10kV開關(guān)室和開關(guān)電抗器室分別設(shè)置相應(yīng)的遠(yuǎn)程I/O控制箱，在試驗現(xiàn)場還設(shè)有若干狀態(tài)指示和報警柱燈、門位置檢測開關(guān)、現(xiàn)場急停按鈕盒等。

中壓試驗控制臺上設(shè)置2臺上位監(jiān)控計算機(jī)。其中1臺計算機(jī)用于實現(xiàn)對整個試驗系統(tǒng)的電源和線路的監(jiān)控；另1臺計算機(jī)連接專用時序控制器（cy3200），實現(xiàn)試驗時序控制。

中壓變壓器保護(hù)屏布置中壓試驗變壓器的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，微機(jī)綜保裝置實現(xiàn)試驗變壓器的速斷、過流保護(hù)及變壓器瓦斯、溫度、油位等非電量故障的跳閘與報警。

由于本系統(tǒng)是將中低壓試驗系統(tǒng)有機(jī)地集成為一體實施試驗，各個試驗系統(tǒng)原有的保護(hù)功能不變，2kV－4kV電壓特性要求的最大出力只有50kA，原有保護(hù)系統(tǒng)不能適用，所以開發(fā)了2kV－4kV短路試驗系統(tǒng)專用的基于Rogowski線圈的微機(jī)保護(hù)裝置，采用了基于Rogowski軟線圈的硬積分器，這樣將采集到的信號直接變成了電壓信號，使得電器試驗回路安裝更加簡便，裝置原理更加簡化，極大地增加了系統(tǒng)的可靠性。

4 通斷試驗系統(tǒng)的電壓故障保護(hù)設(shè)計

通斷試驗系統(tǒng)的電壓故障可分為暫態(tài)過電壓故障和穩(wěn)態(tài)電壓故障兩類，其中穩(wěn)態(tài)電壓故障又分為穩(wěn)態(tài)過電壓故障和穩(wěn)態(tài)欠電壓故障兩種。

4.1 暫態(tài)電壓故障保護(hù)

暫態(tài)過電壓主要是指操作過電壓，其包括截流過電壓、多次重燃過電壓和三相同時斷開過電壓三種。真空斷路器在開斷交流小電流時，由于滅弧室本身的原因，當(dāng)電流從峰值下降未到達(dá)自然零點時，電弧熄滅，電流被突然中斷，電感負(fù)載上的剩余電磁能量就會產(chǎn)生過電壓，我們稱之為截流過電壓。多次重燃過電壓真空斷路器在開斷較大的感性電流（如電動機(jī)啟動電流等）時，即使截流過電壓無問題，也常常會發(fā)生過電壓危害，擊穿電機(jī)匝間絕緣，這主要是由于真空斷路器多次重燃產(chǎn)生的過電壓引起的，稱之為多次重燃過電壓。真空接觸器首相斷開熄弧產(chǎn)生的高頻電流在中性點疊加于其它未斷開的兩相工頻電流上，造成其它兩相電弧電流強(qiáng)制過零，使得未開斷的兩相隨之同時開斷，此兩相被截斷的工頻電流往往比首相截流值大，類似于較大水平的截流現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了比首相開斷截流過電壓更高的操作過電壓。不同原因產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，其共同特點是持續(xù)時間短，電壓峰值大，振蕩頻率高，相間過電壓大于對地過電壓。為了避免高電壓擊穿用電設(shè)備絕緣，必須采用抑制和保護(hù)措施以限制暫態(tài)過電壓。

4.2 穩(wěn)態(tài)電壓故障保護(hù)

過電壓是指電壓幅值超過了額定工作電壓的1.15倍。電動機(jī)長期工作于過電壓狀態(tài)里，會影響供電線路及電動機(jī)的絕緣水平，可使絕緣老化，甚至發(fā)生絕緣擊穿。

本系統(tǒng)采用壓敏電阻來限制其穩(wěn)態(tài)過電壓，其壓敏電阻具有通流能力強(qiáng)、非線性系數(shù)高、漏電電流小、無續(xù)流、伏安曲線對稱、響應(yīng)速度快、受環(huán)境溫度影響小、可靠性高等優(yōu)點。壓敏電阻的阻值隨電壓變化而變化，當(dāng)其兩端電壓小于擊穿電壓時，阻值很大，呈開路狀態(tài)；當(dāng)其兩端電壓大于擊穿電壓時，阻值急劇下降，呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)。合理利用壓敏電阻的非線性特性就可以實現(xiàn)暫態(tài)過電壓保護(hù)。但由于壓敏電阻是純阻性元件，所以只能限制過電壓幅值，而不能改善過電壓波形，所以用壓敏電阻與阻容吸收相結(jié)合的方式來實現(xiàn)暫態(tài)過電壓保護(hù)。RC裝置是一種有效的限制開關(guān)操作過電壓的設(shè)備，它不但可以降低來波的幅值，也可降低來波的陡度。其過電壓保護(hù)原理如圖3所示。

圖3 過電壓保護(hù)原理圖

5 結(jié)束語

通過實際應(yīng)用和現(xiàn)場測試，本文所開發(fā)研制的上述2kV－4kV通斷試驗系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定，能夠保證我國煤礦生產(chǎn)安全和供電系統(tǒng)安全，具有較好的推廣應(yīng)用價值和市場前景。

［1］李景祿.實用配電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］平邵勛.電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓保護(hù)及實例分析［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］李潤先.中壓電力系統(tǒng)接地實用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［4］支元彥，楊國平，等.限制弧光接地過電壓及提高小電流接地選線率的新技術(shù)［J］.電器開關(guān)，2006.

［5］田銘興，等.變壓器式可控電抗器的限流電抗器計算和仿真［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2004.

Development of 2kV－4kV on－off testing system

MIAO Jun1，2
（1.Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；2.Key Laboratory of High－low Voltage Electrical Apparatus Inspection Technology，Tianshui 741018，China）

In order to improve the technical level of the electrical switches，the transformers and the other relevant electrical equipments，it is necessary to carry out the scientific and rigorous research and a large number of experimental studies.At present，though the 2kV－4kV voltage－level coal－mine explosion－proof electrical products have been using by many domestic mining groups，there is no corresponding coal－mine flameproof on－off testing device due to its particular voltage level.In order to ensure the safety of the coal mine productions and the safety of the power supply systems，it is imminent to develop the 2kV－4kV coal－mine flameproof on－off testing system.

short－circuit test；2kV－4kV；power supply；protection

TM83

A

1005—7277（2017）03—0013—04

苗 軍（1968－），男，本科學(xué)歷，工程師，主要研究方向為電氣技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用及電氣檢測工作。

2016－12－01