一种两端接地开关特性测试仪及其附件的研制

摘要：断路器机械特性测试是变电站日常检修的重要工作之一，定期开展断路器特性检修，对于早期发现断路器缺陷，避免事故进一步扩大来说十分必要且具有重要意义。鉴于此，通过分析目前断路器两端接地状态下测试的方法，结合理论分析、现场实际情况，基于“零接触”的安全测试理念，提出了一种两端接地开关特性测试仪及其附件的研制技术方案及实施路线，采用新型测试仪得到的分合闸时间结果与传统的单端接地测试仪完全一致，保证了测量精度。

关键词：断路器;GIS;两端接地;分合闸时间;速度测量

中图分类号：TM561  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.013

0    引言

断路器（开关）是变电站的重要设备，在系统发生接地或短路故障时，断路器用于开断故障电流，从而最大限度地保证站内设备不受故障电流侵害，减少负荷损失。根据南方电网《电力设备检修试验规程》规定，高压断路器的速度特性、时间参量、分合闸电磁铁的动作电压都属于B类检修，必须按照规定周期开展相关工作，其试验结果是判断断路器能否正常运行的重要数据。但现有的传统断路器机械特性测试仪存在如下问题：

（1）传统的断路器机械特性测试仪工作时，要求断路器断口至少一侧处于开路状态，对于部分高压断路器，由于需要解开一侧的接地线，可能会产生较高的感应电，作业人员工作时存在人身安全风险。

（2）拆除接地引线或安装电流卡钳时，作业人员需登高进行，不但存在高空坠落风险，还存在误入间隔触电的潜在危害。

（3）采用传统的断路器机械特性测试仪测试时，没有专用的二次端子引线接线工具，需拆除原二次端子接线，容易造成误操作，增加安全风险及工作量。

（4）现有的测速传感器无法对动触内嵌式结构的断路器进行动触头分合闸速度测量。

1    断路器两端接地方式测试方法

两端接地开关的测试一直困扰着检修人员，许多研究机构和测试仪器制造厂家也在探索各种新的方法，以实现对两端接地的断路器分合闸时间的准确测试[1]。为此人们提出了很多解决方案，下文针对各种测试方案进行对比分析，以选择合适的测试方法。

1.1    大电流测试法

如图1所示，大电流测试法是在断路器断口两侧加上恒电流，由于地阻Rg与断路器等效电阻Rd的存在，且Rg远大于Rd，A点到B点的电阻在断路器的合、分状态下将发生明显改变，通过采集A、B两点电压大小即可检测断路器的分、合状态。但是这种测试方法所需的设备体积大、能耗高，接线要求严格，同时无法区分合闸电阻动作过程中间量，还容易被高压感应电场干扰，所以一般很少采用。

1.2    电容、电感测试法

电容测试法采用了基于变频谐振的动态电容测试技术，测试原理如图2所示。当断路器处于合闸状态时，改变电源的频率，并采集、计算出各频率下的电流有效值曲线，电流有效值最小时对应的频率即为整个回路的谐振频率，以此频率作为测试电源的频率。当断路器分闸时，动触头和静触头会形成一个电容，破坏原来的谐振状态，使回路电流显著增加。由于电流的变化是显著且快速的，因此测试仪器能够准确地区分出断路器的分、合闸状态。但此方法由于处理电路设计复杂、调试麻烦，较少应用到实际测试仪中。

与电容法一样，如图3所示，电感法也采用高频电流，其中电流钳一般集成到仪器内部，外部采用四线制将高频电流线跨接在断路器两侧：当断路器分开时，回路由大地构成等效电感L1;当断路器闭合时，等效电感由L1和等效电感L2并联组成，由于L2的电感量远小于L1，两者有明显区别，因此可通过测量其电感变化来判断分合状态，判别起来相对简单。但应用这种方法在环路里由于多个接地的影响，特别是应对GIS组合开关时，无法分辨出三相同期，因此具有一定的局限性。

1.3    通流體电磁感应法

通流体电磁感应法以电磁感应为基本原理，如图4所示，将断路器、电缆、地网和两个接地刀闸组成一个通流体，该通流体的闭合和断开依靠断路器的分合闸操作来实现[2]。高频脉冲信号激励钳不停发出高频激励信号，当断路器状态为合闸时，根据电磁感应原理，在图4所示通流体回路中将产生感应电流，则同样钳入回路的高频脉冲信号接收钳将产生感应电动势，因此感应电动势的有无对应着断路器断口的分合状态。由于电磁感应电动势变化时间远大于开关动作时间，因而实现了分合闸状态的检测。此方法技术原理成熟，电路简单，可靠性高，因此本文研制的测试仪选取了该方法。

2    测试仪主机的研制

2.1    硬件技术方案

测试仪主机以嵌入式工控机CortexTM-A15作为测量分析系统，采用无线通信模块代替电缆线，实现无线化测试;12.1寸阳光下可视彩色大屏、图形化操作系统、人性化操作界面，简单直观，触摸屏支持中英文输入，便于现场操作人员使用;进口高速热敏打印机，方便现场打印测试数据。机内集成式操作电源，无须现场二次电源，使用方便快捷，可提供DC10～260 V可调电源，电流30 A。分合闸线圈的动作电压值可任意整定，并可做断路器低电压动作试验。主机可存储30 000组试验数据（可扩展存储卡），机内有实时时钟，便于存档。配备U盘接口，可直接把数据保存到U盘，上传到计算机进行分析、保存，采用2.4 GHz无线通信模块进行信号传输，电流钳无须电缆线，省时省力，提高了工作效率。测试仪主机原理如图5所示。

2.2    高亮度显示技术

高压试验仪器大多数需要在室外使用，在强阳光下，目前的测试仪往往无法看清显示屏。本方案采用LED替代CCFL作为背光源灯条，并将玻璃用透明的光学胶粘结在液晶屏前表面的偏光片上。由于光学胶的折射率与玻璃几乎相同，都为1.50，因此消除了两个反射面。而玻璃的外表面镀了减反层，使其整个对外部光的反射率只有0.5%，能够使液晶屏在各种强光线下依然清晰可见，完美地解决了户外显示屏的显示问题，能在阳光下清楚地看到细腻的图像和文字，颜色显示生动鲜艳，对比度大大增强，发射光线降低，显示视角宽广。

2.3    一体化防护级机箱

传统的测试仪机箱采用铝合金板材组装而成，运输及测试使用时需外加收纳箱，无防尘、防潮、防水功能，便携性欠佳。本文研制的仪器通过优化外形结构，实现便携性设计，采用一体成型安全防护箱，新型PP合金树脂材料，专用模具一体注塑，重量轻、体积小，防护等级达IP67，便携易用，如图6所示。改进后的机箱还具有防潮、防水、防摔功能，更加便携、耐用，同时也便于量产、规模化生产。

3    测试附件的研制

任何一个测试仪器，除测试仪主机外，还需要配合必要的测试附件才能较好地完成测试任务，而测试附件功能、性能的好坏，不仅影响测量结果，还对测量过程的可靠性以及是否安全、快捷极其重要。本文针对开关特性测试仪所需的必要附件进行了优化设计，配合测试仪主机使用，具有更快捷、更安全、更可靠的优势，极具推广使用价值。

3.1    分合闸触发激励快速接线夹

目前，高压开关柜二次接线一般采用导轨式接线端子，在开关特性测试作业时，需要在操作控制箱二次回路中接入分合闸线圈激励电源接线。传统的方法是通过拧开端子螺丝增加导线或拆除原导线，容易造成误操作，增加安全风险及工作量。

本文提供了一种无须拆装原端子接线，采用外部并联的方式即可快速接入所需试验导线的工具，不仅能减少接入测试导线所花的时间，还能减少反复拆装导线给接线端子带来的损伤，避免了因拆除导线时误接所造成的安全隐患。其主要结构部件包括弹簧顶针、上夹体、下夹体、压簧、固定杆以及绝缘外壳，如图7所示。其中弹簧顶针头部为可伸缩探头，伸缩探头与压簧连接并安装在管内，管口处卷边将伸缩探头保持在管内，靠弹簧提供接触力使探头与对接导体之间建立电气连接;上夹体头部为外接香蕉头，标准4 mm内径，用于外部电气连接，中部为夹具安装体，尾部为内径3.1 mm的管状体，用于与弹簧顶针焊接连为一体，在中部还设有支撑U形片，用于保护顶针探头不会被对侧夹体压到;下夹体包括三角锯形牙、安装U形片、尾部按压柄，通过压簧、固定杆与上夹体连接组成一个夹具。使用时只需将带伸缩弹簧顶针的上夹体对准螺丝孔下压并夹上边沿即可，在内部压簧的作用力下伸缩探头将与螺丝的头部形成良好的电气连接，经试验验证可满足高压二次测试试验绝大部分场合要求，为开关柜及相关高压二次回路测试提供了便利，避免了拆装原接线造成的风险，节省了测试人员工作时间，减少了工作失误，值得在高压二次测试领域大力推广使用。

3.2    速度传感器安装工具

分合闸速度是高压断路器的重要特性参数之一，它表征断路器的操作机构和传动机构在分合闸过程中的运动特性，但目前在很多应用场合无法安装及使用传感器导致无法进行速度测试。

本文提供了一种简便的测速工具及测试方法，具体为通过一套辅助工具，将开关动轴的轴向运动通过连杆引到外面进行测试，结合拉杆式传感器，即可获得测试结果。如图8所示，其结构包括传感器支座、动轴连接杆、夹紧螺杆、拉杆位置传感器等。传感器支座两边设有可滑动的槽口，中间折弯突起，中部带传感器安装卡口，可适应不同尺寸的断路器;动轴连接杆头部为U形结构，一端面带有螺母，通过与螺杆配合和断路器动轴相接，尾部为带槽口的连接杆，与拉杆传感器端部相连接。当断路器动轴运动时，带动连接杆一起上下运动，由于连接杆又与传感器端部相连，所以传感器拉轴的运动如实反映了断路器动轴的运动状态，实现了断路器分合闸时动触头运动状态参数的测量。该设计使用标准的传感器，适用于市场上通用的开关特性测试仪，能够大大提高开关特性测试仪的通用性，值得大力推广使用。

3.3    电流钳安装工具

使用两端接地开关特性测试仪需要安装电磁感应电流钳到断路器两侧的高压电缆上，一般采用高空作业的方式进行安装，在高空作业时变电站断路器上没有相应的防坠落安全带悬挂点，给作业人员带来了安全隐患，增加了工作难度及准备时间，在实际的作业中非常不便利。

本文提供了一种可以直接在地面上使用的电流钳安装工具，可通过绝缘杆将电流钳钳入高压电缆，无须采用高空作业方式，使得此项工作变得更加简单、安全。如图9所示，其结构包括绝缘杆、收线轮、滑轮、梅花螺杆、蚕丝绝缘拉绳、电流钳连接头等。其中绝缘杆为环氧树脂杆，两头设有连接螺纹，可由多节杆通过螺纹连接起来;收线轮用于回收及放开拉绳，内部设有止动按扭，按下按钮后可卡住拉绳，松开手轮则能转动，侧面设有手柄，用于转动回收拉绳;滑轮由支撑底座、轴承组成，用于改变拉绳方向，减少摩擦力，便于用拉绳将电流钳拉开;梅花螺杆用于固定电流钳，拧入、拧出即可固定电流钳在支座上。使用时，只需将电流钳一侧手柄插入连接头的方孔内，并将梅花螺杆旋入，电流钳的另一端有拉绳相连，转动收线轮收线把手，即可将电流钳钳口撑开，撑开后按下收线轮的止动按钮，电流钳将保持在开口状态，便可举起并将钳口钳入高压线缆，最后松开止动按钮，钳口在弹簧作用下将自动闭合，测试完成后，按相同的方法即可轻松取下电流钳。整个过程由原来的多人协作变成可单人完成，无须进行任何高空作业，使用及安装省时省力，大大提高了工作效率，保障了工作人员的人身安全，且制造成本低廉，又十分便携，值得在本应用场合大力推广。

4    应用效果分析

表1为分别采用传统测试仪和本项目测试仪对一台六氟化硫断路器进行测试后得到的结果，表2为分别采用传统测试仪和本项目测试仪对一台GIS断路器进行测试后得到的结果。通过对比可以看到，本项目测试仪与传统测试仪得到的结果一致性较好。

5    结语

针对传统的断路器开关特性测试仪在测试作业过程中存在安全风险，配套附件效率低、不适用等问题，基于“零接触”高压试验理念，本文研制了一种安全性强、实用性高、通用性好的两端接地开关特性测试仪及其附件，包括无线测试主机、专用的电流钳安装工具、新型二次端子试验线连接夹、设计精巧的速度测试安装附件，在保证与传统测试仪测量精度相同的前提下，成功实现测试仪和作业人员与设备的安全隔离，能够完成两端接地时分合闸时间的测试，解决了测速传感器无法安装、二次端子排无法稳固快捷连接等问题，避免了登高作业带来的人身安全风险。经多方使用验证，相比传统测试仪，其在效率、安全性、准确性、便携性等多方面均具有较大优势，在现场测试使用中取得了良好的效果。

[参考文献]

[1] 张益舟，程佳路，汪亮，等.两端接地断路器分、合闸时间测试方法研究[J].高压电器，2019，55（10）：59-64.

[2] 郝建成，李斌，韦德福.断路器两端接地时分、合闸时间的测试方法[J].高压电器，2015，51（5）：95-98.

收稿日期：2021-11-15

作者简介：王啸峰（1974—），男，江苏常州人，自動控制工程硕士，变电检修高级技师，电气高级工程师，珠海供电局检修二班技术员，主要从事变电一次设备检修专业工作。