高压开关机械特性测试装置的设计技术分析

孙淑庆 罗 洋 尹李健 蔡雨朋 乔玉龙

（1.济南水远智能技术有限公司 2.国网西藏电力有限公司 3.河南诚尔泽电力科技有限公司）

0 引言

高压开关在经过长时间运行之后， 其机械性能可能会有一定的下降， 需要借助专用的高压开关机械特性测试装置， 来对其机械性能加以测试， 以便掌握高压开关的各项参数。如果其机械性能不满足运行要求， 则应及时对高压开关进行维修。通过高压开关机械特性测试装置， 能够对高压开关的分合闸时间、 速度等物理指标进行测试， 实现对高压开关运行状态的综合评估[1］。本文详细对高压开关机械特性测试装置的设计技术进行了分析， 以下进行具体的介绍。

1 高压开关机械特性测试装置的系统结构及原理

在对高压开关机械特性测试装置进行设计之前， 需要明确好高压开关机械特性测试装置的结构和具体的运行原理。

1.1 高压开关机械特性测试装置的结构

在高压开关机械特性测试装置的结构中， 包括了控制电路模块、 人机接口模块、 触头动作模拟器，具体的结构示意图如图1 所示：

图1 高压开关机械特性测试装置的结构

在高压开关机械特性测试装置的控制器中设置好时间和动作方式之后， 以总线通信的方式将数据传输给可编程逻辑器件。当高压开关机械特性测试装置发出测试启动控制信号之后， 该信号经过动作触发隔离单元。可编程逻辑器件接收到启动测试信号之后， 经过计算将控制信号输出给触头动作模拟器， 实现由逻辑控制器件来模拟触头的动作过程[2-3］。同时可编程逻辑器件可以根据接收到的反馈信号， 来进行计时，包括高压开关的分闸时间、 合闸时间以及弹跳时间等。

1.2 高压开关机械特性测试装置的原理

利用高压开关机械特性测试装置， 可以模拟高压开关的合闸操作， 其工作时序如图2所示：

图2 高压开关的合闸工作时序

高压开关的触头在最初始状态时为开路， 两个触头之间为高电平。当测试装置发出开始合闸信号后， 测试装置会发生一个正脉冲， 从上式沿T0开始计时， 当到了T1合闸时间之后， 可编程控制器件发出控制信号给触头模拟动作器， 此时触头A+、 A-导通， 电平为低电平[3-4］。由于触头模拟动作需要花费一定的时间， 故此时时间为T2， 整个高压开关触头合闸所花费的时间为T2-T0。对于高压开关的模拟分闸过程， 和上述合闸过程类似。

此外还需要对高压开关的弹跳时间进行测试， 高压开关的触头在最初始状态时依然为开路， 两个触头之间依然为高电平。当机械性能测试装置发出弹跳测试信号之后， 此时脉冲为抖动信号， 高压开关的两个触头先导通， 之后闭环然后再次导通[5］， 两个触头之间的电平也会经历高电平—低电平—高电平—低电平的过程。整个触头弹跳的时间会以反馈信号的方式传输到测试装置， 从而实现对弹跳时间参数的测量。

2 高压开关机械特性测试装置的关键电路设计

在上述高压开关机械特性测试装置的结构中， 涉及到多项关键电路模块， 包括了高压开关触头动作模拟电路、 触发动作隔离模块、 逻辑控制模块等， 这些也是高压开关机械特性测试装置中的核心模块， 以下以高压开关触头动作模拟电路设计为例进行具体分析。

为了测量到高压开关分闸时间、 合闸时间以及弹跳时间， 需要对高低电平的变化情况进行检测。在高压开关机械特性测试装置中， 可以采取型号为AQⅤ221的光继电器来实现， 通过继电器的通断， 来模拟触头之间高低电平的变化[6-7］， 电路结构如图3所示。AQⅤ221光继电器在实际应用中， 具有动作速度快、 导通之后的电阻小等优点， 同时不会产生机械振动， 时间测量精度较高， 用于对触头间的电平变化情况进行测量较为合适。

图3 高压开关触头动作模拟电路

在上图高压开关触头动作模拟电路中， CPLD为可编程逻辑器件， P1为光继电器， P2为光耦合器，CPLD_A为触发合闸控制信号， CPLD_FA为触发合闸反馈信号。当CPLD_A 处于低电平时， 此时光继电器开路， 高压开关机械特性测试装置的两个触头之间为高电平。当CPLD_A 处于高电平时， 此时光继电器处于短路状态， 并且光耦合器P2导通， 高压开关机械特性测试装置的两个触头之间为低电平， 这样就能够实现对高压开关触头动作的可靠模拟。在高压开关触头动作模拟电路中采用到的光耦合器， 其导通时间很短， 故不会对高压开关分闸时间、 合闸时间以及弹跳时间等产生测量误差[8］， 并且还能够起到一定的电气隔离作用。

3 高压开关机械特性测试装置的应用

高压开关机械特性测试装置在实际应用中， 需要定义好分闸时间、 合闸时间以及弹跳时间等参数的计算方法， 表达式如式 （1） 所示：

式中，TX为测试装置的测量结果；TS为测试装置中ms仪的显示结果；ω1为测量重复性所带来的误差；ω2为测试装置分辨率所带来的误差。对于测量重复性所带来的误差， 主要是对高压开关在相同条件下进行多次重复测量， 每一次所测量得到的时间参数会有一定的误差。以高压开关合闸时间测量为例， 下表为对某变电站高压开关进行十次测量所得到的合闸时间。

表1 高压开关的合闸时间测量数据

根据上述测量数据， 可以计算出高压开关合闸时间标准差：

对于高压开关机械特性测试装置分辨率所带来的误差， 测试装置的分辨率为0.01ms， 覆盖因子取此时测试装置分辨率所带来的误差ω2计算如式 （3）所示。

将该高压开关机械特性测试装置在某电力企业变电一次检修班组中应用， 取得了较好的效果。由于该高压开关机械特性测试装置没有采用传统的电磁继电器，而是采用了光继电器， 故对高压开关机械特性参数测量的准确性大大提升， 同时在实际操作使用中较为方便，具有较高的实际应用价值。

4 结束语

对高压开关加强机械性能测试， 对于了解高压开关的运行状态、 及时发现高压开关所存在的缺陷具有重要的意义。本文系统介绍了高压开关机械特性测试装置的设计技术， 并且介绍了机械特性参数的测量方法。本文所分析的高压开关机械特性测试装置， 可以在实际的电力生产中加以推广应用， 更好地保障电力的安全可靠生产。