高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

邵文良

（國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799）

在制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型背景下，高壓電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)迫切需要一種低成本、高效率、精確化的產(chǎn)品質(zhì)量檢測手段。適用于高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗的自動化系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)的幫助下，利用完善的推理機(jī)制對采集到的真實數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，智能判斷高壓電機(jī)及開關(guān)的運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)存在的質(zhì)量缺陷。生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)系統(tǒng)檢測結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品，從而使高壓電機(jī)的質(zhì)量得到可靠保證，維護(hù)了生產(chǎn)企業(yè)的形象與利益。

1 高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計的高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)可支持高壓三相異步電動機(jī)的空載、負(fù)載等全性能試驗，且測量精度不受功率因數(shù)、外部環(huán)境的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)

由圖1 可知，該系統(tǒng)由工控機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、專家系統(tǒng)、主回路系統(tǒng)以及測量子系統(tǒng)5 個模塊組成。其中，工控機(jī)由Cimplicity 組態(tài)軟件負(fù)責(zé)監(jiān)控，可編程邏輯控制器選用VersaMax 型PLC，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS485 接口進(jìn)行通信。測量子系統(tǒng)包含了傳感器、互感器等數(shù)據(jù)測量元件，可實時采集電流、電壓等參數(shù)，并通過RS485 通信接口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。該系統(tǒng)的可視化界面可以動態(tài)展示監(jiān)測結(jié)果，并支持人機(jī)交互。用戶可在屏幕上編輯命令，從工控機(jī)下達(dá)指令給PLC，在PLC 和繼電接觸控制系統(tǒng)的幫助下自動完成高壓電機(jī)及開關(guān)的電氣試驗。專家系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集并分析試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果評價電機(jī)質(zhì)量；若評價結(jié)果為“不合格”，還能自動分析問題成因，為下一步進(jìn)行高壓電機(jī)的檢修提供了指導(dǎo)[1]。

1.2 高壓電氣試驗主回路設(shè)計

1.2.1 高壓電機(jī)加載方案

在高壓電氣試驗中，需要為被測電機(jī)提供一個平滑可調(diào)的大功率負(fù)載。常用的加載方法有直流機(jī)法、高壓機(jī)組回饋法、整流供電機(jī)組法等若干種。

直流機(jī)法是利用一臺與被試樣機(jī)功率相似、轉(zhuǎn)速相同的直流發(fā)電機(jī)作為陪試負(fù)載，兩者之間采用同軸連接，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的電流，進(jìn)而達(dá)到改變試驗樣機(jī)負(fù)載的目的。這種加載方法的優(yōu)勢只在于直流電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定，不受外部環(huán)境影響。但是缺點也比較明顯，如成本較高、安裝不便等。

高壓機(jī)組回饋法是選擇與被試樣機(jī)同型號的同步發(fā)電機(jī)作為陪試負(fù)載，兩者之間也采用同軸連接。用一臺同步發(fā)電機(jī)為被試樣機(jī)供電，另一臺同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過2 臺直流機(jī)變頻輸出給陪試機(jī)，將陪試負(fù)載的能量回饋給電網(wǎng)。通過發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)可改變輸入電壓，通過直流機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)可改變被試樣機(jī)的負(fù)載。該加載方法的優(yōu)勢在于電網(wǎng)消耗少、運(yùn)行成本低、加載速度快。缺點是原電動機(jī)的容量較大，對配電環(huán)境要求較高，不容易啟動。

除了上述2 種加載方案外，像測功機(jī)法、整流供電機(jī)組法等，也是各有利弊。本文在設(shè)計高壓電氣試驗主回路時，利用原有低壓設(shè)備，對加載方法進(jìn)行了改良，提出了一種雙路升壓加載方案。

1.2.2 主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的高壓電氣試驗主回路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中TD 表示原電動機(jī)，ZF 和ZD 為2 臺直流機(jī)，TF 為同步發(fā)電機(jī)，M1 為被試樣機(jī)，M2 為陪試電機(jī)。

圖2 系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，系統(tǒng)主回路采用“雙路升壓”的加載方法，一路向被試樣機(jī)供電，另一路向陪試電機(jī)供電。在進(jìn)行空載試驗時，只有圖2 左側(cè)電路供電；在進(jìn)行負(fù)載試驗時，圖2 左右兩側(cè)電路同時供電。被試電源連接1 臺1 000 kVA 低壓調(diào)節(jié)器，可靈活調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓。TD、ZF、ZD 和TF 共同組成了低壓變頻回饋機(jī)組，經(jīng)過加載、升壓后得到高壓陪試試驗電源。在進(jìn)行高壓電氣試驗時，低壓變頻回饋機(jī)組可以發(fā)揮能量回饋的功能，讓高壓能量在低壓側(cè)實現(xiàn)回饋，從而達(dá)到了電動機(jī)負(fù)載的需求[2]。同時，負(fù)載能量依次經(jīng)過變壓器、低壓變頻機(jī)組后流動到低壓電網(wǎng)中。

本文基于雙路升壓加載方法設(shè)計的系統(tǒng)主回路，具有以下技術(shù)優(yōu)勢。①總投資較低。試驗過程中只需要從電網(wǎng)中吸收少量電能，之后可以通過能量回饋的方式滿足整個高壓電氣試驗，節(jié)約了試驗運(yùn)行成本；②可控性強(qiáng)，可做到勻速升壓、穩(wěn)定加載，不會對高壓電氣試驗系統(tǒng)中的各類電氣設(shè)備產(chǎn)生沖擊破壞。缺點是原低壓機(jī)組的容量（320 kW）無法滿足高壓電機(jī)（500 kW）的運(yùn)行要求，必須要進(jìn)行擴(kuò)容。

1.2.3 試驗擴(kuò)容及完善

為提高系統(tǒng)容量并保證電源品質(zhì)穩(wěn)定，需要進(jìn)行擴(kuò)容。常用的擴(kuò)容方法有恒速變頻法、降壓法、疊頻法等幾種。本文以疊頻法為例，介紹擴(kuò)容實現(xiàn)方法。在疊頻試驗中，將2 種或2 種以上不同頻率的電源，疊加在被試樣機(jī)的兩端，在電磁效應(yīng)下會在兩端分別產(chǎn)生一個磁場，2 個磁場的矢量之和組成1 個氣隙磁場。在氣隙磁場的作用下，被試樣機(jī)的轉(zhuǎn)子做周期性的加速或減速。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于磁場轉(zhuǎn)速時，做加速運(yùn)動；反之做減速運(yùn)動。調(diào)節(jié)副電源頻率為額定頻率的80%，改變副電源的電壓。副電源電壓與疊頻變壓器的輸出電壓成正比，副電源電壓升高，疊頻變壓器的輸出電壓增加，從而解決機(jī)組回饋容量不足的問題。疊頻擴(kuò)容原理如圖3 所示。

圖3 疊頻法原理

1.3 高壓電氣試驗測量子系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的測量子系統(tǒng)中，主要功能部件包括電量互感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等精密儀器，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取高壓電氣試驗過程中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等信號。所得數(shù)據(jù)經(jīng)RS485 接口統(tǒng)一上傳至上位機(jī)，并在人機(jī)交互界面上實時顯示，測量子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示。

圖4 測量系統(tǒng)框圖

電參數(shù)（包括電壓、電流、頻率等參數(shù)）測量所用儀器為青智儀器生產(chǎn)的8967C 型高精度多位數(shù)字電參數(shù)測量表，測量所得信號數(shù)字為真有效值，可測量波形畸變失真信號，即便是在外界有較強(qiáng)磁場干擾的情況下也能保證測量結(jié)果的精確性[3]。另外，該數(shù)字儀表帶有BCD 碼輸出，可利用IEEE485 標(biāo)準(zhǔn)接口直接與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

1.4 高壓電氣開關(guān)試驗結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓電氣開關(guān)的關(guān)合試驗回路有2 種基本類型，分別是并聯(lián)型和串聯(lián)型。本文研究的是并聯(lián)型回路，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。圖中電流源和電壓源采用并聯(lián)方式連接，QFa表示斷路器，QFt為輔助斷路器，Lc和Lv表示電流、電壓回路的電抗器，Rv和R0為可調(diào)阻值不同的2 個調(diào)頻電阻，C0為調(diào)頻電容，T1和T2表示變壓器。

圖5 基于變壓器電源的合成關(guān)合試驗回路

高壓電氣開關(guān)試驗開始前，應(yīng)保證試驗回路中QFa為合閘狀態(tài)，QFt為分閘狀態(tài)。試驗開始后，向QFt下達(dá)合閘指令，前端觸頭相互靠近，當(dāng)距離足夠近時，在電壓源的作用下出現(xiàn)預(yù)燃弧擊穿現(xiàn)象。此時，試驗回路中的羅氏線圈可以檢測到預(yù)擊穿電流，并生成報告指令發(fā)送給控制器。當(dāng)上位機(jī)檢測到預(yù)擊穿電流后，同時判斷電壓源和電流源的相位容差是否滿足要求。若滿足該要求，則上位機(jī)發(fā)送指令讓電流源的主控開關(guān)閉合，完成對高壓電器開關(guān)的自動控制。

2 高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

2.1 空載試驗的數(shù)據(jù)處理

高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)可以從試驗中采集大量的原始數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上觀察、分析這些原始數(shù)據(jù)，從一個個離散的數(shù)據(jù)點中尋找軌跡規(guī)律，并建立一個近似函數(shù)去逼近真實函數(shù)。讓所得函數(shù)曲線能夠最大程度上反映原始數(shù)據(jù)的基本趨勢，得到特性曲線，求取額定參數(shù)。根據(jù)計算出來的額定參數(shù)，調(diào)節(jié)高壓電機(jī)的實際參數(shù)，保證高壓電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行工況[4]。高壓電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)等多種，不同運(yùn)行狀態(tài)下的特性曲線有明顯差異，本文以空載狀態(tài)為例，探究數(shù)據(jù)處理方法。

處理空載試驗數(shù)據(jù)目的主要有二。其一是將所有測點進(jìn)行曲線擬合，求出空載特性曲線I=f（U）和P=f（U），這里U 表示空載時外加電源的電壓；其二是計算電機(jī)在額定負(fù)載下的鐵耗（包括渦流損耗Pi、磁滯損耗Pj兩種）、機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)子損耗。空載損耗（P）的計算公式為

式中：PFe表示鐵耗；Pm表示機(jī)械損耗；Pc表示轉(zhuǎn)子損耗。由于高壓電機(jī)在空載時，轉(zhuǎn)差極小，此時的轉(zhuǎn)子損耗可以忽略不計，因此空載損耗只與鐵耗與機(jī)械損耗有關(guān)。高壓電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速相對恒定，這時機(jī)械損耗等于常數(shù)；而鐵耗與端電壓（U0）的平方呈正相關(guān)，即

可得空載損耗P 的特性曲線如圖6 所示。

圖6 空載損耗曲線

2.2 高壓電氣開關(guān)試驗控制策略的實現(xiàn)

在高壓電氣開關(guān)試驗中，開關(guān)在受到外部高電壓后產(chǎn)生預(yù)擊穿燃弧，電流源主控開關(guān)在滿足關(guān)合條件后導(dǎo)通，使原本處于斷開狀態(tài)的開關(guān)重新閉合。本文在設(shè)計高壓電氣開關(guān)試驗控制策略時，除了設(shè)置被試樣品開關(guān)與電流源主控開關(guān)外，還增加了輔助開關(guān)，其作用是保證電壓源到電流源的切換時間控制在240 s 內(nèi)[5]。本文以斷路器在外施電壓峰值關(guān)合時為例，結(jié)合相位控制時序圖（圖7），概述外施電壓關(guān)合相位的控制策略。

圖7 最大預(yù)燃弧條件下的關(guān)合時序控制示意圖

圖7 中，T 為外施電壓周期。處理器可動態(tài)監(jiān)測外施電壓的變化情況，當(dāng)檢測到tzero（外施電壓波形過零點）時定時器啟動，并等待接收開關(guān)隨機(jī)合閘指令，即圖7 中的th信號。如果滿足th-tzero≥1/f（f 為外施電壓頻率），此時定時器復(fù)位，并將tzero作為起點，重新計時；如果滿足th-tzero＜1/f，則處理器等待tc+td時刻后，發(fā)送一個延遲的開關(guān)相控合閘指令，即圖7 中的tm時刻。此時時間來到tprk，觸頭間隙發(fā)生預(yù)擊穿燃弧，電流源主控開關(guān)閉合，電流源接入回路，完成開關(guān)的精確控制。

3 結(jié)束語

本文以高壓電機(jī)和開關(guān)試驗作為研究對象，探究了高壓電機(jī)及開關(guān)電氣試驗自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能實現(xiàn)。該系統(tǒng)可通過參數(shù)測量的方式，獲取高壓電機(jī)及開關(guān)試驗中的各項關(guān)鍵參數(shù)，在保證參數(shù)精確的基礎(chǔ)上展開分析，進(jìn)行質(zhì)量判斷和缺陷診斷。根據(jù)診斷結(jié)果提出改進(jìn)建議，使被試樣機(jī)趨于完善，對提高產(chǎn)品質(zhì)量起到了積極幫助。