基于地震考核试验的水电站高压开关柜干扰信号分析

周 磊

(新疆阿拉尔市新城建筑有限责任水利分公司 新疆 阿拉尔 843300)

电气监测作为电气设备考核的一项非常重要内容，其主要工作为观察电气测点信号，判断电气设备各电气连接点是否可靠，电气开关、二次回路、交流真空接触器等工作状态是否正常，在地震荷载作用下各连接点及电气触点的接触电阻有无变化等。通过观测回路工作电压与电流的变化情况，可直观了解电气设备在动荷载作用下的工作性能。

1 水电站高压开关柜的监测

在早期的水电站设备抗震试验研究中，部分电气监测点采用将白炽灯串入电气触点回路，在接入220V交流电压的情况下，通过观察灯泡点亮状态的变化来确定电气触点是否有误，这就要求在试验时要派若干个人用肉眼分别去观测各灯泡亮度的变化。这样的方法由于人眼的滞后效应及识别能力的限制，加上如果电气监测点数量多，将很难全面观察研究对象的触点瞬间变化情况。而在电气设备中，大于一定时间间隔（如20ms）的瞬间开路是不允许的，这一要求人的肉眼就更难判断了。为了全面了解触点的瞬间变化情况，采用计算机对电气触点进行实时监测。通过计算机对信号的高精度采样，可了解整个抗震考核试验过程中的电气触点的状态，从而对研究对象的电气性能作出客观评价。水电站高压开关柜的电气监测是将高压开关柜的A、B、C三相主回路及A相互感器次级回路分别加入直流电压，并接至计算机采集系统，通常采样时间间隔为1/800s，在振动情况下记录相应测点的数据。

2 水电站高压开关柜的抗震可靠性分析

电气元件的抗震可靠性是电气设备质量指标的主要组成部分，一个产品的质量再高，如果它的抗震可靠性不高，由它生产的电气设备的质量也就不高，甚至其中某一个产品的抗震可靠性问题会导致整个产品的抗震可靠性下降，甚至无法工作。尤其对继电器、交流接触器类以电磁为主要控制电路的开关柜，电气触点特别容易受振动的影响，电气元件越多，其抗震可靠性就越差。电气元件或电气设备的抗震可靠性主要指在规定的条件下，地震发生时在规定的时间内完成规定的功能的能力。

因为电气设备由许多电气单元和连接线路组成，由于受电气设备抗震考核试验中采样点及人力、物力的限制，不可能对结构内的每个电气单元都作电气监测。这就导致样机一部分二次回路的故障未被监测。而设备又不能带荷工作，因而这些故障现象无法反映出来，使得电气监测出现盲区和不全面性，无法为产品的设计提供准确的数据。而某一地震荷载下研究对象的抗震可靠性分析正好可以弥补试验的不足，整体抗震可靠性分析的基础就是内部每一个电气单元的可靠性数据。

把电气开关柜看成是由电气网络组成的网络体，它的抗震可靠性不仅与柜体中每个网络中电气元件抗震可靠性有关，而且还受网络结构的影响。所以在分析研究对象抗震可靠性时，首先必须确认地震荷载的大小，然后将设备内的电气连接进行网络化。对于本三相电气开关柜，将三个主回路作为电气网络的输出端，两个控制信号的发出端作为网络的输入端，这样电气开关柜就是一个具有三个电气网络输出端、两个电气网络输入端的网络结构，经此处理后，实际的系统原理图就被简化成多输入三输出的逻辑方块图，根据需要将电路中的电气元件作串联处理。由于每条串联网络通路中的电气元件都是相互关联的，任何一个电气元件最先出故障都会导致该串联网络的不正常，所以该串联网络的可靠性取决于通路中可靠性最低的电气单元。

对于水电站复杂的电气开关柜内网络系统的可靠性分析，可以采用最小路集法。这种方法就是首先统计网络系统所有的最小路集，如L1(x),L2(x),......,Lk(x)。对于串联系统来说，这些路集的结构函数表示为：

上式中A、B、C分别表示三相主回路的输出端，L表示两个控制信号的输入端。

相应的系统可靠度为：

式中,函数E为数学期望,

3 高压开关柜开关动作引发的干扰信号分析

开关柜在地震考核试验时，需进行开闭闸动作，柜内的交流接触器在通电或断电动作时，产生较大的作用力，对被测试构件带来附加振动。同时通断电的瞬间也会产生很大的交变磁场，该磁场会在测量回路中产生感应电压，这两种方式都会在加速度和应变时程曲线上引起较大的尖峰脉冲信号。如果是由结构的振动引起的，且振动量级较大，会对其它的电气元件的正常工作产生不利影响，甚至会导致其它元器件误动作。如果干扰信号是由电磁辐射引起的，则不必考虑其影响。为判断干扰信号的性质，需对检测点的脉动信号做进一步分析。

例如，某项试验的电气监测曲线，在曲线的上升段前沿，有一个电压跳变信号，其幅度为1.1V，从第一个图很难发现其产生的原因，将该图展开后，该跳变的信号发生在21.1548s，而触点动作发生的时刻在21.1764s，两者之间的时间差为21.6ms，根据生产单位提供的该产品技术参数,产品从回路控制到交流真空接触器动作的延迟时间约为20ms，由此断定此处的脉冲信号是由电磁线圈的电磁辐射引起的。再如，某交流真空接触器底座后中部（A3）加速度时程曲线，曲线上的脉冲信号幅度的大小换算成加速度值将达到17。该信号如果是由于交流真空接触器的开闭动作引起的，有可能对结构造成不良影响，在结构设计时就要考虑必要的减震与隔振措施。在交流真空接触器动作的瞬间，底座上的加速度时程曲线上有一个较大的脉冲响应信号，该响应信号的起点与交流真空接触器动作的电气监测信号的起点重合，说明该加速度测点上的脉冲响应信号是由交流真空接触器动作时的撞击引起的，而不是由控制信号的电磁辐射引起的，干扰信号的加速度峰值量级20余倍于地震考核响应最大量级。因此，在交流真空接触器的设计与安装时应考虑这样的影响，建议采取相应的减震措施以减轻交流真空接触器动作对结构的影响。

根据有关技术要求，在一次回路或二次回路误动作时间大于10ms（具体要求视使用情况而定）时，系统将被判为该地震考核量级下不合格。根据哈里·奈奎斯特（Harry Nyquist）采样定律，为保证信号被不失真地还原，计算机系统的采样频率必须大于两倍的信号最高频率。本次研究中，为满足电气触点信号采样要求，必须使采样频率大于200Hz，实际上试验所采用的信号采样频率为800Hz，已大于所需要的采用频率，因此，极大地保证了电气触点信号的准确捕捉。

4 结论

电气监测是电气设备考核的一项非常重要内容，通过观测回路工作电压与电流的变化情况，可直观了解电气设备在动荷载作用下的工作性能。本文研究结果表明，要满足电气触点信号采样要求，必须使采样频率大于200Hz。本次试验所采用的信号采样频率为800Hz，大于所需要的采用频率，保证了电气触点信号的准确捕捉。陕西水利

[1]陈淮，李杰.高压电气设备抗震可靠性分析方法[J].哈尔滨：世界地震工程.2000，16(2)：19～23

[2]江建华，廖松涛，李杰.高压电气设备的抗震可靠度分析[J].工程抗震.2002.12：37～42