高、低压开关设备机械特性及机械寿命一体测试仪设计与开发

张双荣 盛建华 陈振家 陆俊阳 谢 智

（甘肃电器科学研究院）

0 引言

随着我国输变电网络快速扩展，中国电网建设保持高速发展，高、低压开关设备作为重要的保护和控制电器，其性能的可靠性对电网安全稳定的运行起着重要作用，而断路器的机械特性参数又是断路器的重要性能指标[1]。因此，高压断路器性能的可靠性直接关系到电力系统的安全运行[2]。根据国家电力监管委员会的长期统计显示，断路器发生失效的主要原因是断路器的机械故障[3-4]，而高压断路器动触头行程位移检测作为高压断路器状态检测的一个重要方面，可以直观反映断路器的机械结构运行状态，即机械特性[5-6]，因此高压断路器动触头行程位移检测是断路器检测中不可缺少的部分。而由于高、低压开关在实际工作当中经过长期多次的合分动作，导致开关设备触头以及各个运动部件的磨损，会直接影响电网的正常运行及可靠性。

各种型式的高、低压开关的磨合次数对触头磨损程度和机械特性各项数据有着较大影响，为输配电维保工作提供设备更换周期的参考依据，故迫切需要一种测试仪器能够在磨合过程中同步采集机械特性数据以及回路电阻的测试设备，得出磨合次数对触头磨损程度和机械特性各项数据的影响关系曲线是非常有意义的。

1 一体测试仪设计要求

本测试仪可进行各种型式的高、低压开关设备的机械特性测量，通过在磨合过程中同步采集机械特性数据以及回路电阻的测试设备，得出磨合次数对触头磨损程度和机械特性各项数据的影响关系曲线。一体测试仪的设计要求如下：其试验参数可随时调整，试验数据也可即时测量；机械特性数据以及回路电阻的采集频率可随时调整；数据准确；输出操作电压DC/AC 0～300V无极可调。

2 测试仪参数确定

参考国内外该类型测试仪以及高、低压开关设备机械寿命及机械特性试验测试条件，确定一体测试仪的主要结构为：①合分闸动作控制系统：采用计算机作为上位机控制PLC选择交流或直流电源并输出，以及对试品合闸、分闸、储能二次回路供电的通断，实现合闸、分闸、储能的动作控制。②数据采集系统：直线电阻式位移传感器实时采集动触头位置以及换算移动速度；通过断口信号电位变化状态来确定触头的刚分（刚合）时刻，即断口的状态变化时刻就是刚分（刚合）时刻；回路电阻测试仪：在每次合闸动作完成后由计算机控制回路电阻测试仪进行各相回路电阻测量并将阻值上传至计算机用于统计并绘制曲线。③电源系统：包括三组艾德克斯生产的IT6726H 的直流电源和三组艾德克斯生产的IT7324交流电源组成的电源组，为分闸合闸提供控制电源和储能电源。

3 组成及工作原理

高、低压开关设备机械特性及机械寿命一体测试仪主要由计算机、3台交流电源、3台直流电源、PLC控制器、数据采集器、3套KTM微型直线电阻式位移传感器、电位信号传感器、3套回路电阻测试仪组成。

3.1 系统硬件设计

本测试仪由计算机通过交换机分别连接PLC、数据采集器和回路电阻测试仪完成电源控制、动作控制、机械特性数据的采集以及回路电阻测试的运行和采集。如图1所示，计算机通过交换机分别与PLC控制器、数据采集系统和回路电阻测试仪连接，首先计算机控制软件根据试品操作电压控制PLC控制器选择直流或交流电源供电，并通过PLC控制继电器组1内的继电器进行相应动作，给分闸回路、合闸回路、储能回路、闭锁回路供电，使试品按试验流程执行对应的操作。在每次合闸合分闸过程中，PLC控制器控制继电器组3接通断口与电位信号传感器相通，继而将断口的刚分刚合时间点数据通过数据采集器组传与计算机进行分析，得到合分闸准确时间和速度。

图1 高、低压开关设备机械特性及机械寿命一体测试仪控制原理图

回路电阻的测量由计算机软件依据试验流程在每次或每几次循环的合闸后，由PLC控制继电器组2的继电器接通继而接触器组接通，继电器组3断开，再由计算机控制3台回路电阻测试仪对每组断口的回路电阻进行测量，并将当前所测得的回路电阻回传给计算机用于磨合过程中回路电阻变化曲线的绘制。回路电阻测量完毕后再由PLC控制器控制继电器组2的继电器断开，接触器组也随即断开，继电器组3接通，再完成之后的分闸动作。

3.2 触头速度-时间特性检测

机械特性的测试方法，首先将各组断口夹夹于断口处，用来确定刚分（刚合）时刻，再将3组电阻式位移传感器的运动杆分别与动触头动作杆刚性连接，传感器座固定牢固，在合分闸动作过程中，动触头的移动带动位移传感器的运动杆运动，以此便可采集到动触头真实的运动信息。

在进行触头位移信号检测的过程中，通过断口信号电位变化状态来确定触头的刚分（刚合）时刻，即断口的状态变化时刻就是刚分（刚合）时刻，考虑到分合闸过程中存在操作机构的振动和电磁器件的干扰，使位移传感器输出的非平稳信号存在噪声，因此需要对采集到的位移信号进行去噪处理[7]，故本文选用文献[7]中连续可微阈值函数与尺度阈值的小波去噪方法，经小波去噪后的位移信号中相邻两个采样点间触头运动的位移与采样周期的商（即两个采样点间触头的平均速度）作为前一个采样点的速度，依次求得相邻两个采样点间触头运动的平均速度，即可得到断路器在分合闸过程中触头运动曲线[7]，如图2所示，再配合断路器刚分和刚合时间点，便可得到动触头的平均速度。

图2 合分闸运动曲线

3.3 合分闸不同期的检测

高压开关的不同期性是指在合分闸的过程中，三相间及或同一相各断口间的触头接触瞬间的最大时间差异值，当操动机构推动三相动触头开始运动，系统实时检测断口信号电位变化状态，记录各相主回路电位变化的时间点，即为各动触头接触或脱离瞬间的时间点，通过软件计算，得到三相动触头接触时间的最大差，即可得到合分闸不同期数据。

4 测试仪应用情况

选用某厂家的12kV户内断路器进行1000次机械寿命试验和机械特性的检测，用于设备验证，所测得的机械特性数据如下表所示。

表 机械寿命试验前后机械特性统计表

机械寿命试验完成后对每个循环所采集到的回路电阻进行统计并绘制如图3所示的回路电阻变化曲线图。

图3 回路电阻变化曲线图

该一体测试仪运转平稳，数据采集准确，曲线平滑，界面显示清晰明了。回路电阻数据统计详细完整。在进行12kV户内断路器1000次机械寿命试验及试验前后机械特性的测量性能试验之后还进行了户外断路器、负荷开关、交流接触器、隔离开关等高、低压开关设备，试验结果均达预期。

5 结束语

针对高、低压开关设备对于其机械特性的测试以及机械寿命试验的需求，研发了具有高集成度、高性能参数的一体式测试仪，通过多种高低压开关设备试验验证，调试结果表明，性能指标满足设计要求，整体运行可靠，兼容性较高。该一体测试仪的研制能够得到各种类型的开关设备其磨合次数对触头磨损程度和机械特性各项数据的影响关系曲线，对于提高国家电网网络运行的可靠性以及输配电维保工作的合理性和高效性有着重要的意义。