GIS回路电阻（精选7篇）
GIS回路电阻 篇1
GIS (gas insuiated metal enclosed switchgear) 系指气体绝缘金属封闭开关设备, 它是由断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、电压互感器、电流互感器、套管和母线等元件直接联结在一起的组合电器。由于GIS具有结构紧凑, 占地面积和空间少, 运行安全可靠, 安装、维护工作量小等优点, 近年来得到越来越广泛的应用。开关导电回路电阻是开关预防性试验的主要项目之一, 若GIS设备的接触电阻增大, 增加了设备导体在通电时的损耗, 使接触处的温度升高, 其值的大小将直接影响正常工作时的载流能力, 而测量导电回路电阻可以发现GIS设备导电回路中有无接触不良的缺陷。因此, 为了检查GIS制造、安装、检修质量和运行中的健康水平, 在出厂试验、交接试验和预防性试验中, 都规定了必须测量导电回路的直流电阻。现时用于回路电阻测试的测试仪, 其工作原理是直流压降法。对被测电阻施加直流电流, 所加的测试电流为能自动恒定的100安培直流电流, 其两端的压降经测试仪内部采样换算后, 电阻值直接由数字形式显示。笔者结合自身多年的现场工作经验, 针对出厂、交接验收及现场测量导电回路电阻过程中存在的问题进行分析。
一、测量方法
测量前, 首先将GIS设备的隔离开关分开, 与带点部分保持有明显的断开点;其次, 将开关及开关两侧接地刀闸合上;再次, 将接地刀闸导体引出端与地之间的连接铜排拆除;最后, 将回路电阻测试仪夹分别夹在开关两侧接地刀闸的导体引出端, 分相进行测量。
1.测量图1中的GIS开关回路电阻时, 由于接地刀闸引出导体与GIS设备外壳绝缘, 其等值电路图如图2所示, 测得的Rx为开关、接地刀闸1及接地刀闸2的总电阻。
由于测得的Rx为开关、接地刀闸1及接地刀闸2的总电阻, 对于接地刀闸接地引出方式是经瓷套引出GIS设备, 在预试中, 为了便于我们测量Rx时有依据进行比较, 要求厂家提供测量Rx出厂试验数据及安装施工队提供测量Rx交接试验数据。
2.测量图3中的GIS开关回路电阻时, 由于接地刀闸引出导体与GIS设备外壳没绝缘, 其等值电路图如图4所示, 开关、接地刀闸1及接地刀闸2的总电阻Rx与GIS设备外壳Rw形成并联回路。
对于接地到闸接地引出方式没有经瓷套而直接与GIS设备外壳相连接引出的GIS设备, 由于开关、接地刀闸1及接地刀闸2的总电阻Rx与GIS设备外壳Rw形成并联回路, 在开关两侧接地刀闸的导体引出端测得的回路电阻, 较开关、接地刀闸1及接地刀闸2的总电阻Rx偏少很多。因此, 要求厂家改为经瓷套引出方式, 对于改为经瓷套引出方式的GIS设备, 和图1中测量Rx时一样, 要求厂家提供测量Rx出厂试验数据及安装施工队提供测量Rx交接试验数据。
二、存在问题分析
(一) GIS接地开关导体引出没能与外壳绝缘
GIS回路电阻主要是通过接地开关回路进行测量的。一些GIS设备接地开关的导体引出与GIS设备外壳绝缘, 可以拆除引出导体与地之间的连接铜排, 此种设计方便进行回路电阻测量试验;而有些GIS设备接地开关的导体直接与GIS设备外壳相连接, 没有可拆除的连接铜排, 这种设计对回路电阻测量造成很多不便。在测量该类型GIS设备回路电阻时, 首先要测出GIS外壳的电阻R1, 再测出导体与外壳并联后的电阻值R0, 再计算主回路的电阻R:
在实际测量时很难保证每次测量点是否一致, 且其测量结果会受很多因素影响而很难判断是否合格, 对于三相共壳的GIS设备就更难判断了。以下是某110kV变电站三相共壳GIS间隔 (如图5) 预试时模拟接地开关导体与地之间的连接铜排在拆除及不拆除两种情况下的试验数据。
由以上数据根据公式 (1) 计算出102开关三相并联值为54.67μΩ, 单相值按电阻并联公式计算为164μΩ。
从以上数据可看出, 当接地开关导体没有与外壳绝缘的情况下, 通过计算方法测量的计算值和实测值相比误差太大, 容易出现误判断。
(二) 出厂试验没有按最小区间测量
广东电网公司《关于加强GIS设备监造及安装验收管理的通知》中特别强调生产厂家要对各部分的回路电阻、总体回路电阻, 尤其是母线的导电电阻进行测量。我们在出厂验收时发现有的厂家在出厂试验时能认真执行, 对相关区间、相关单元、总体回路等的主回路电阻都进行测量, 试验数据完备;而有的厂家却只测量相邻间隔间总体的回路电阻, 远远不能达到我们的要求。如出厂时不按最小区间测量, 根本无法准确检验每一部件的安装质量, 因为总回路电阻等效于多个设备的接触电阻串联, 若其中一个接触电阻远大于技术要求值, 另一接触电阻远小于技术管理值, 串联后总电阻值亦可能合格, 总回路电阻的测量值便无法反映各个串联部件的接触状况, 也就无法检验安装质量, 在交接试验和预防性试验时也无法进行数据比较, 无法保证设备的安全运行。
(三) 厂家技术要求值未按型式试验值制定
GIS回路电阻进行出厂试验的目的是检验出厂设备是否与进行型式试验的样品一致, 从而保证长期载流和短时通过极限电流的性能。GB11022规定:对于出厂试验, 主回路每极直流电压降或电阻的测量, 应该尽可能在与相应的型式试验相似的条件 (周围空气温度和测量部位) 下进行, 测得的电阻不应超过1.2 Ru (Ru为型式试验测得的相应电阻) 。这个规定就是要求厂家的出厂技术要求值必须通过型式试验来确定。由于验收人员在验收时只把出厂值和厂家技术要求值作比较, 这就给一些厂家钻了空子, 把技术要求值定得很大, 而规程恰恰没有规定回路电阻值的下限, 致使验收时不能很好地把关。笔者在一个GIS厂家进行出厂验收时就遇到过, 厂家技术要求值为235微欧, 而实际测量值为125微欧, 达不到技术要求值的1.2倍。所以, 回路电阻技术要求值不但要按型式试验值来确定, 还应规定其上限及下限。
(四) 测量人员对试验要求存在错误理解
交接试验标准规定:测量主回路的导电电阻值, 不应超过产品技术条件规定值的1.2倍, 其中产品技术条件规定值, 所指的是技术要求值还是出厂值呢?有相当一部分试验人员会错误地理解为出厂值。如理解为出厂值, 那么标准将会放宽到技术要求值的1.44倍, 对设备缺陷将无法及时发现。其实, GIS回路电阻值在没有超过技术要求值的1.2倍情况下, 都有可能造成导体间接触不良, 何况是1.44倍。如我们在某110k V变电站验收GIS时, 就发现#3间隔整段直阻不平衡为14.3%, 其中C相偏大较多, 后开盖检查, 发现C相螺母存在没有紧固的问题, 处理后直阻正常。因此, 为了保证GIS设备安装质量, 应正确理解规程对GIS回路电阻的要求。
(五) 回路电阻测试方法不正确
第一, 测试电流不满足要求。规程规定应采用直流压降法测量, 测试电流在100A至设备额定电流间选取。由于通过试品的电流比较大, 足以破坏接触表面的金属氧化膜, 从而减少了测量误差, 测得的数据比较准确。如仪器输出的电流太小, 不能有效破坏测量接触点表面的氧化膜, 可能造成较大的测量误差。
第二, 测量接线不正确。GIS的回路电阻值往往都比较小, 为减少接线方式对测量的影响, 电压引线应尽可能接在靠近触头侧, 电流引线分别接在电压引线的外侧, 电压引线和电流引线要确保接触良好, 必要时需用细砂纸将接触面打磨, 以去除表面的氧化层或油漆。
第三, 开关长时间未动作, 触头有氧化膜而造成接触不良。在测量前, 应先将开关在额定操作电压、额定气压 (额定油压) 的状况下电动分、合几次, 以使触头能良好的接触, 从而使测量结果能够反映真实情况。
(六) 测试时接地开关的影响
利用接地开关回路测试GIS回路电阻时存在主要问题是接地开关接触不良。除了我国对接地开关的接触电阻要求不严外, 还由于接地开关不需要经常分合, 在接地开关的接触面容易形成氧化膜, 造成接地开关接触不良, 接触电阻过大, 对GIS回路电阻的测量影响较大。例如在某500k V变电站#3主变变中2203开关回路电阻计入接地开关时测试结果A:330μΩ, B:190μΩ, C:156μΩ。排除接地开关后回路电阻测试结果:A:95μΩB:99μΩC:96μΩ。
在实际工作中, 往往需要通过改变测量点的位置来排除GIS外壳和接地开关的影响。下面以2203开关为例来说明GIS开关回路电阻的试验过程:
步骤一:在试验时将2203C0地刀的接地连接铜排解开, 避免连同GIS设备外壳电阻计入测量结果。分别从2203B0地刀和2203C0地刀输入电流, 电流流过图6中红线标示部分, 在2203B0地刀和2203C0地刀处取电压, 所以测量的回路电阻数值包括了2203开关、2203B0地刀和2203C0地刀的接触电阻。若此时测量结果偏大可按步骤二进行排除。
步骤二:在步骤一的基础上合上22034刀闸、解开220340地刀接地连接铜排, 分别从2203B0地刀和220340地刀输入电流, 电流流过图7中粗黑标示部分, 在2203B0地刀和2203C0地刀处取电压, 所以测量的回路电阻数值就排除了2203C0地刀的影响。通过两次测量结果对比可以计算2203C0地刀的接触电阻, 分析2203B0地刀对测量结果的影响。若此时测量结果仍然偏大可进行步骤三做进一步排除。
步骤三:在步骤二的基础上将II段母线停电, 合上22032刀闸、222甲00地刀 (也可利用相邻备用间隔) , 分别从220340地刀和222甲00地刀输入电流, 电流流过图8中粗黑线标示部分, 在2203B0地刀和2203C0地刀处取电压, 进一步排除了2203B0地刀的影响, 所以测量的回路电阻数值为2203开关的回路电阻。和步骤二的测量结果对比可以计算出2203B0地刀的接触电阻。若此时测量结果仍然偏大, 说明2203开关本身的回路电阻偏大。
三、结论及建议
1.建议在相关的技术协议中要求厂家生产的GIS设备所有接地开关的导体均与外壳绝缘, 以便将测量电源引入主回路, 方便以后对设备的回路电阻进行监测。
2.建议所有GIS断路器的两侧均应设置接地开关, 便于断路器主回路电阻、特性测量及开关检修维护。
3.严格要求厂家出厂试验应对相关区间、相关单元、总体回路等进行主回路电阻的测量, 并应尽可能分段测量, 交接试验同时按运行条件测量断路器的回路电阻, 便于试验数据比对。出厂试验测得的电阻不应超过1.2Ru (Ru是型式试验时测得的相应电阻) , 厂家应同时提供Ru值。
4.建议修改GIS回路电阻标准, 在规定其上限的同时还应规定其下限。
5.采用正确的测试方法, 交接、预试测得的电阻不应超过出厂试验时的最大允许值, 即1.2Ru。
6.建议接地开关的接触电阻要求按照隔离开关的要求执行。
参考文献
[1]李建明, 朱康.高压电气设备试验方法[M].北京:中国电力出版社, 2001.
[2]Q/CSG10007-2004电力设备预防性试验规程[S].
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[5]GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].
[6]DL/T596-1996电力设备预防性试验规程[S].
GIS回路电阻 篇2
随着电力系统的快速发展,电网规模的不断扩大,设备电压等级不断升高,电压安全运行对设备稳定可靠性的要求也越来越高。GIS设备具有占地面积小、抗外力破坏强、维护量少、高稳定性等特点,在新建变电站中得到越来越多的使用,特别是在云南高海拔、强地震、 重覆冰地区,GIS设备已成为新建变电站的首选设备。
在电力系统实际运行中,由于GIS设备在安装和运行过程中,内部导电杆触头插入深度不足[1]、触头压力减小[2]、触头接触面附上氧化膜或者产生毛刺等都可能会导致导电回路电阻增大。回路电阻增大后后导致回路特别是触头发热大大增加,对触头的安全运行比较大。 所以GIS设备的主回路在设备安装后充SF6之前、交接试验、预防性试验时均要进行主回路电阻的测量。测量主回路电阻是检查主回路连接情况,以及隔离开关动、静触头的接触情况的重要手段。主母线或分支母线是封闭在金属管体里的,内部不可见,在进行试验时,不可能打开GIS对导电回路触头进行检查,因此其测量方法与传统的断路器回路电阻测量方法是有区别的。只有测量其导电回路的回路电阻, 才能了解各部件的连接情况是否良好。
目前GIS主回路电阻电阻的测量方法为常规测量法和GIS外壳电流回路法[3,4]。两种方法互有优缺点,适用于不同的测量情况。本文在对比两种常用测量方法的基础上,提出了异相电流回路的测量方法,该方法对在有垂直长段和穿墙长段的出线结构的情况下,测量GIS主回路电阻具有非常明显的优势。
1 GIS主回路电阻常用测量方法
导电回路电阻的测试均基于直流压降法来实现的,规程规定,测试电流不得小于100 A。 有研究者认为用大电流测试更能准确地测得的导电回路电阻和判断导电回路的接触状态[5,6], 目前也有开展基于冲击电流的GIS导电回路电阻的研究[7]。本文的测量研究是基于测量电流为100 A时进行的。
图1为直流压降法电路模型。由恒定电流源经I+、I -两端口对试品输出100 A直流恒定电流,供给被测电阻Rx电流,电流大小由电流表I读出,Rx两端电压降V +、V -两端口取出,由电压表V读出。通过对I、V测量, 可以算出被测电阻的阻值。现在主回路电阻测试仪均为集成化仪器,可直接测出回路电阻值。 回路电阻测试仪的量程一般在1 ~ 9 999 μΩ 之间,回路电阻测试仪的负载能力在外部负载50mΩ 内,能够保证电流恒定。只有测试长度20m以内的GIS母线,才能保证试验电流稳定在100 A。GIS母线长度超过20 m时,随着测试电流线的增长,电阻增大,电阻过多消耗电能, 输出的电流就会降低,使测试电流无法达到额定的数值,测试线不能满足要求。要保证试验电流在100 A,就要使用截面积更大的测试线来降低测试线的电阻,或使用比多股软铜线电阻更小的载流体。有研究表明,如果要保证测试电流不小于100 A,当测量50 m长的GIS主回路电阻,需要70 mm2的电流线;当测量当测量100 m长的GIS主回路电阻,需要140 mm2的电流线[8]。用这么大截面积的导线作为电流线是不现实的。
现场测量GIS主回路电阻时,至少需要将一端的接地开关与设备外壳的接地连接片打开,方法主要有常规测量法和GIS外壳电流回路法。
1.1常规测量法
该方法是最常规、最基本的测试方法,有时也称分段测量法,采用电流不小于100 A的回路电阻测试仪对GIS主回路进行分段测量,每次分段长短取决于测量线的长度,各段电阻相加之和就是该段的总电阻。优点是测试中能保证试验电流在100 A,测量数据准确,能够全面掌握主回路各段电阻的分布状况。缺点是需要多次测量,增加了现场的工作量,每次测量的GIS主回路的长度也有限,特别是遇到连续20 m长的区段没有两组接地开关或者超长GIL出线时,使用常规的测试线就根本无法完成测量。在预防性试验中,一般都是非全站同时停电, 部分的接地开关也是不能打开的。所以常规测量法更多用于较短导电回路的测试,以及未充气前的分段测试。
1.2 GIS外壳电流回路法
GIS外壳电流回路法,就是利用GIS设备的自身外壳作为其中一部分电流回路,来减少电流回路电阻的方法。一般500 k V的GIS设备外壳为铝合金材质,各气室筒之间采用多个螺丝及铜牌连接,具有良好的导电性,即使100m长的GIS设备外壳的回路电阻一般也小于1mΩ[3]。因此,利用GIS外壳作为测试载流体, 将常规测试中的正极或负极电流测试线用GIS外壳代替,完全能够满足GIS主回路电阻远距离测试的各项要求。但GIS外壳电流回路法也有缺点,必须保证测量段的GIS外壳段连续, 如果遇到阻断性穿墙套管时,该方法就无能为力了。对于非阻断性GIS外壳不连续的情况, 也可以稍加改进,用不小于25 mm2的软铜线将套管出线杆与GIS短接,但短接线以少大于套管长度为宜,否则会增加电流回路的电阻值。 图2为利用GIS外壳电流回路法测量的典型接线图。
2异相电流回路法
异相电流回路法,即采用另一相GIS主回路导电体作为测量时的电流回路,这是基于前两种方法的基础了提出的一种新的测试方法。 GIS主回路导电体的的回路电阻一般都是微欧级的,将另一相的GIS主回路导体作为负极电流测试线,也是完全能够满足GIS主回路电阻远距离测试的各项要求的。这时需要将被测相末端与另一相的末端用截面积不小于25 mm2的短接线连接起来,如果被测GIS出现套管末端装设有符合条件的三相短路接地线,也可以达到同样的短接效果。部分220 k V GIS母线为三相共管式母线,异相电流回路法时短接两相就更容易了。图3为异相电流回路法测量时的典型接线图。
3测量结果分析
分别采用常规测试法、GIS外壳回路法、 异相电流回路法分别对某500 k V变电站GIS主母线及分支母线的主回路电阻进行了测试,同一温度下的测试结果列于表1。经对三种方法测试数据进行比较,发现无明显差别,测试值在厂家均技术要求值以内,验证了异相电流回路法的合理性及测试数据的可靠性。
表1中总结了三种测量方法的优缺点和各自的适用范围,研究发现,异相电流回路法测量时适用范围广,几乎不受现场条件的限制, 特别是长距离GIS段且不能用外壳回路法测量时,具有非常明显的优势。
4 GIS设备主回路电阻测量
通过大量的现场实测和总结分析,总结出了GIS设备主回路电阻测量的注意事项。
1)主回路电阻测量时注入电流为不小于100 A,必须适用专用的测试线,电流线的截面积至少为25 mm2,使用常规测量法测量大于20m的GIS主回路时,需要的电流线截面积更大。
2)测量接线时,电流线必须夹在电压线的外侧,GIS设备的接地开关的控制电缆为航空插头,需要将航空插头取下,以免控制电缆的屏蔽接地对测量电流形成分流,使测量电流达不到100 A,影响测量结果。
3)出线套管顶部凹槽处有积水时,会对测量结果产生影响,电流夹、电压夹均应与金属裸露良好接触,不应夹在有油漆或脏污的位置。
4)试验结果与出厂值相比较,依据规程规定,一般不应超出产品技术条件规定值的1.2倍, 所以测量点的选择应尽量与出厂试验相一致, 保证数据的纵向可比性,即使某次测量时测量值超标,应用多种方法充分验证,不能轻易下不合格结论。
5)预防性试验时一般GIS设备不可能全部停电,因此在选取测量点拆接地开关连片时, 要仔细核对一次接线图,防止拆除后感应电伤人或对测量结果产生影响。
5结束语
GIS设备在电网中运用日益增多,在交接试验、预防性试验等过程中均需测量主回路电阻,但现场的测量缺乏指导性的测量方法。本文基于大量的现场测试基础上,提出了异相电流回路法的GIS设备主回路电阻测量方法,并总结了常规测量法、GIS外壳回路法、异相电流回路法的方法特点、适用范围、优缺点和注意事项,分析了常见的异常问题和处理方法,对GIS设备主回路电阻测量具有较强的现实指导意义。
参考文献
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[5]肖湘莹,赵彦.金属全封闭开关主母线回路接触电阻的控制措施[J].高压电器,2010,46(9):92-93.
[6]GB/T 11022-2011.高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].
[7]罗容波,等.基于冲击电流的GIS导电杆回路电阻测量方法研究[J].高压电器,2013,49(10):46-50.
塑壳断路器回路电阻的在线检测 篇3
塑壳断路器是低压电器中三大主导产品之一,它应用广泛,需求量大,品种规格多,几乎渗透到所有用电领域,其品质优劣直接影响到各种电器设备的安全运行。如何保证其质量可靠,在生产过程中对产品进行在线自动检测,对参数进行调整、校正,应用现代测试手段来提高塑壳断路器的制造水平和工艺水平,一直是国内低压电器制造业的技术难题。
塑壳断路器结构复杂,制造、装配工艺要求高,厂家一般采用生产流水线装配方式。在线测试系统就是在实际生产条件下,对生产装配过程中的塑壳断路器进行一系列自动测量。
本文主要介绍了生产线中的内阻检测台。
在线检测,要求检测全部自动化,节拍与整线协调一致,且检测值稳定、准确。
设备主要参数:
检测范围:1～100 mΩ(根据产品规格确定)
分辨率:0.01 mΩ
检测精度:0.2%
检测速度:160-200台/h
1 内阻检测简介
1.1 内阻检测的必要性
将塑壳断路器在合闸状态通以额定电流,触头接触电阻与断路器内部导体的电阻之和为塑壳断路器的回路电阻。
断路器导电回路的电阻主要取决于断路器的动、静触头间的接触电阻。接触电阻的存在,增加了导体在通电时的损耗,使接触处的温度升高,其值的大小直接影响正常工作时的载流能力,在一定程度上影响短路电流的切断能力。因此,断路器每相导电回路电阻值是断路器安装、检修和质量验收的一项重要数据。
1.2 采用方法
回路电阻测试台由机械装置、大功率恒流源、电压测量系统和PLC控制系统组成,通过外部电极将断路器各相触头串联,并与大功率恒流源连接组成供电回路,恒流源通过供电回路使断路器各相通过额定电流,电压测量系统的电压采样探针采集断路器各相连接板之间的电压降,并通过高精度隔离变送器将采样电压送入PLC控制系统,控制系统对供电回路电流和电压采样值进行计算得出各相的回路电阻。检测过程由一套PLC控制,可通过网络与上位工控机进行通信,将检测的结果传送至工控机数据库中保存。
1.3 机械结构
采用跨线布置方式,为适应全线节拍,可设置多个检测工位。从输送线送入的断路器经阻挡、定位、固定后,工位上的接触电极与断路器外连接板可靠接触,手柄操作机构将断路器闭合。定位机构要求刚性好、强度高,重复定位误差小。接触电极利用弹簧力与被测工件充分接触。输送线与分料机构可有效地将待测产品分开、送入,节拍清晰。
1.4 流程
断路器经条码扫描后,由输送线送入检测台,两个工位同时测试两台断路器的内阻值。视几极产品不同,接触器KM1、KM2或断开或闭合以便形成回路。然后通大电流,测出每极两端电压,由压差计算出阻值。内阻检测完毕后,断路器下降回到传送线上,如合格,流向下一工位;不在合格范围内的产品,将被分出。
如测试结果超过标准值,测试台对超差值进行提示并可将相关数据打印输出,指导操作人员进行调试,直至测试结果合格。
2 确保检测精度采取的措施
2.1 可程控电源
设备采用了以色列LAMBDA的可程控电源作为恒流发生器,这种电源具有精度高、恒压/恒流输出可选择、响应快、输出电流大、体积小的优点,同时还具有RS232/485、模拟量两种控制方式,在实际应用时,我们采用了RS232控制方式,这比模拟量控制方式具有更高的精度。
2.2 减小电极与检测点的接触电阻
首先,按照被测产品的最大级需输入电流值。计算出检测电极最小截面积。其次,检查检测电极与产品接触点面积大小,防止发热。可通过修磨电极接触面平面度、调整被测产品角度等方法,尽量减小接触电阻,并保证测量的一致性。
2.3 探针的位置
通大电流时采集断路器静触头电压的探针,最好放在两端检测电极之间,这样不会受到接触点发热的干扰。
2.4 阻值校正常数
由于检测的系统和环境不同,检测数值会有差别。为了与用户要求数值一致,便于检查,可在计算中加入计算常数。
2.5 校合标准模块
按测量要求做一个或几个阻值固定的模块,用来标定设备的整齐性。可在每天检测之前校合一次,如有干扰尽快排除。
3 结束语
由于塑壳断路器结构紧凑、空间狭小,一般测量探头无法深入,有些参数必须在特定动作中才能测出,在线测试必须达到测量精度高、重复性误差小、测量速度快等要求,才能适应生产线流水节拍等一系列的复杂要求。
本设备研制完成后,能达到断路器生产线要求,实际运行情况表明:该系统设计合理,技术先进,操作方便,测试产品精度高、速度快,能对塑壳断路器产品逐个进行全面在线检测,并对产品不合格项目进行在线调校,极大地提高产品合格率和生产效率,使塑壳断路器整体质量水平和工艺装配水平上了一个新的台阶。
参考文献
[1]成大先．《机械设计手册》[M]．北京：化学工业出版社，2006．
[2]《回路电阻测试仪与直流电阻快速测试仪检定规程》中华人民共和国国家发展和改革委员会．中国电力出版社，2006．
[3]连理枝．《低压断路器及其应用》[M]．北京：中国电力出版社，2006．
GIS回路电阻 篇4
关键词：导电回路电阻,真空开关,测试处理
1 前言
目前, 电力系统中的真空开关已大量使用。和油开关相比, 真空开关具有开断容量大, 灭弧性能好, 机械性能好, 机械寿命长, 运行维护量少, 检修周期长等特点。由于实际开关结构的异同和技术人员对测试数据理解上的差异, 导电回路电阻存在不同的测试位置, 以下对真空开关导电回路电阻测试的位置提出建议。
2 真空开关结构
图1中所示为真空开关主回路结构简图, 导电回路电阻实际测试时就存在1和2 (动触头咬合棘爪) 和3和4 (连接导杆) 两个测试位置。显然, 两个部位涵盖的电阻是不同的。
2.1 测试数据反映的问题
参见图1, 可看出测试位置1和2涵盖了触头接触电阻、动触头至真空泡导电部分回路电阻以及真空泡内的合闸回路电阻三个部分;而测试位置3和4较测试位置1和2少了触头接触电阻的测量。以某水电站10k VⅡ段工作电源进线026真空断路器测试数据为例可见, 两个测试位置的试验数据有明显的差异。
2.2 真空开关常见故障
1) 绝缘故障:主要包括真空泡故障和本体绝缘件击穿等, 真空泡故障常见的是真空泡慢性漏气, 当真空泡的真空度下降到一定程度时, 触头分离时产生大量的电弧造成触头粘连或造成弧光短路, 从而引起电气事故。
2) 机械故障。真空开关机械故障表现形式多样, 一方面是机械部件磨损和损坏, 例如合闸机构传动件磨损、动触头损坏、动静触头错位等;另外就是相关的机械参数调整不当, 例如真空灭弧室动导电杆连接件开距过大, 柜体动触头与静触头过紧或过松等。
由表1与表2可知, 横向比较, C相导电回路电阻约为A、B两相的3倍, 如前文所述, 触头接触电阻、动触头至真空泡导电部分回路电阻以及真空泡内的合闸回路电阻, 三个部位故障均能导致回路电阻超标。结合表2测试数据, 可排除触头接触电阻故障, 推测可能为导电杆与真空泡连接位置接触不良或真空泡内的触头回路电阻超标。对开关导电杆与真空泡连接处螺丝以及软连接的打磨及拧紧处理后回路电阻测试结果正常, 复测试验数据见表3。
2.3 导电回路电阻测试目的
真空开关的预防性试验, 实质就是针对实际运行中可能存在的隐患或故障做定期的检查, 从而保证设备正常运行。
3 实际测试遇到的问题
3.1 主要问题
1) 测试数据常出现较大的分散性。
2) 测试仪器测试时的夹触方式对测试数据有较大影响。
3.2 原因分析
1) 动静触头接触电阻不稳定。在实践中, 影响动静触头接触电阻的因素是多方面的, 主要可分为机械磨损度、相关固件连接松紧度和检修处理中产生的附加电阻等。显然, 日常维护和检修工作都需要抽出柜体使触头分离, 长期操作会造成机械磨损, 会造成触头错位或损坏, 而相关固件连接松紧度, 一方面, 有长期使用及检修中造成的固件松弛。另一方面, 对于动触头咬合棘爪而言, 大修时, 需要检查动触头上的软联结夹片的松紧度。
2) 触头型式多样, 试验仪器夹触困难。测试仪器夹件不能很好的咬合动触头, 仪器测试的触点也不可避免测量了附加电阻, 因此测试位置或咬合度只要有细微变化, 数据就会产生明显的波动。
3.3 改进建议
1) 结合历年测试数据和实际触头状况进行试验, 尽可能保证三相测试部位及触头咬合方式一致, 数据分散时需要进行相关处理进行反复测试, 另外, 回路电阻测试仪采用直流双臂电桥, 实际测试时应注意电压极触头的测试位置以及与被试品的接触情况, 电压极触头要接近需测量的部位两端, 不能碰到电流极触头, 否则会测到电流极触头上通过电流产生的电压降, 造成试验误差。
2) 试验数据分析上, 不刻意追求回路电阻绝对数值, 应注重测试数据相间和纵向比较, 怀疑被试设备缺陷时, 应参考测试位置3-4 (连接导杆) 的测试数据进行综合判断, 建议提供测试部位1-2 (动触头咬合棘爪) 导电回路电阻的出厂数据, 从而为正确判断设备实际状况提供参考。
4 结束语
预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节, 是保证电力系统安全运行的有效手段, 通过上述方法, 保证测试数据的有效性对电力设备的安全运行起着重要作用。
参考文献
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GIS回路电阻 篇5
回路电阻是断路器性能的重要特性参数。若回路电阻增大, 会导致断路器触头电损耗增大, 温度升高。断路器的触头设计都有其热容量的限制, 一旦超过触头所能承受的热容量的范围, 断路器就会处于非常危险的状态, 造成开关故障, 影响系统安全。因此, 定时检测断路器回路电阻是十分重要的[1,2,3,4]。
目前, 普遍采用直流电流进行断路器回路电阻检测。断路器回路电阻阻值很小, 一般为几十到几百微欧。若测量电流较小, 则在断路器上产生的电压降就很小, 这样对测量压降仪器的灵敏度要求就会很高, 而且小电流不能消除触头上的氧化膜, 所以不仅使测量难度增大, 也很难做到精确测量。这就要求使用大电流进行断路器回路电阻检测。一般直流大电流检测装置的体积, 会随着输出电流的提高而显著增大, 对装置元件的散热能力也提出很高的要求。
为了解决这一问题, 本文提出了一种采用冲击大电流检测回路电阻的方法。该方法测量电流峰值达1 000 A以上, 可以有效提高测量回路电阻的精度, 并结合实验和仿真对这一方法进行研究。
1 基于超级电容器的冲击大电流测量方法
本文采用电压比法进行断路器回路电阻测量。测量原理如图1所示, 测量回路电阻电压UR和标准电阻上的电压Ur。由欧姆定律可得到回路电阻值为R=URr/Ur, 其中r是阻值已知的标准电阻。
为了实现冲击大电流检测方法, 本文提出采用超级电容器作为冲击电流检测电路电源。
超级电容器顾名思义就是超大容量电容器, 也称为双电层电容器, 为被动式静电双层储能器件。超大容量电容器是由表面多孔活性炭和有机电解液组成, 外部通过氩弧焊方法焊接外壳密封, 并且通过电极与外部环境联接。超级电容器的容量最大可达1 000 F, 使用寿命可以长达500 000次, 且充电速度快, 大电流放电能力强, 是理想的冲击电流发生电源。
2 测量方法实验研究
为了研究超级电容器作为冲击电流发生电源、电压比法作为测量原理的测量模型的可行性, 利用两个分流器分别作为标准电阻和断路器回路电阻进行试验研究, 模拟实验电路如图2所示。其中BN-CDJ33V25A作为超级电容器的充电器, 最大充电电压为33 V, 最大充电电流为25 A;SCPM321546超级电容器模块作为电源, 该模块内阻为10 mΩ, 电容器容量为54 F, 最大额定电压为32 V (电压可在范围内任意调整) ;继电器SSR-10DD控制超级电容器充电;晶闸管MTC200控制超级电容器放电;分流器1 (75 mV/750 A) 作为标准电阻;分流器2 (75 mV/1 000 A) 用作模拟断路器回路电阻。
1) 冲击大电流检测方法的实现
图3为实验测得两分流器电压波形图, 当充电电压为8 V时测得两分流器电压波形图, 由图3可知其呈现为冲击波形, 由于分流器为纯电阻, 由欧姆定律可知电压波形与电流波形一致, 故回路电流波形亦为冲击波形。
表1为当电容器冲击电压变化时, 回路电流峰值。由表可知, 当充电电压达到12 V时, 主回路电流就已经达到了千安级, 试验证明利用超级电容器作为电源, 可以实现冲击大电流检测的目的。
2) 采用冲击大电流测量回路电阻的精度验证
利用分流器1作为标准电阻, 分流器2模拟断路器回路电阻。充电电压用V0表示, 分流器1测量电压峰值用V1表示, 分流器2测量电压用V2表示, 实验结果如表2所示。由表2中数据可知, 分流器2的测量相对误差非常小, 可见采用冲击大电流测量微欧级的小电阻, 其测量精度非常高。
然而, 实际测量电路中并不仅仅只有电阻。多断口断路器为了使断口的电压分布均匀, 以充分发挥每个灭弧室的作用, 每个灭弧室均并联一个均压电容。由于均压电容与断路器回路电阻为并联关系, 若电容上电流过大, 会导致标准电阻与回路电阻间电流不相等, 导致测量不准确。
由于断路器一般都比较高, 实际检测装置的电流引线都较长, 电压检测线与回路电流引线上都会存在电感, 而实际采集时电压检测线与回路电流引线一般都是挂在断路器两端, 呈平行布置, 这样回路电流引线与电压测试线间会存在互感, 使实际采集到的电压为回路电阻电压与互感电压之和, 这将使测量值偏大。
这些测量回路参数都可能对回路电阻的精确测量产生影响, 本文将利用EMTP-ATP仿真软件对这些回路参数的影响进行仿真研究。
3 冲击大电流测量方法仿真模型
超级电容器等效电路如图4所示。
R1是等效串联电阻, C是理想电容, R2表征超级电容器的漏电流效应, 是影响超级电容器长期储能的参数。R2通常很大, 可以达到数十千欧, 漏电流很小可以忽略不计, 视为开路, 因此在仿真研究时超级电容器采用图5所示模型。
GB/T 787-1996《断路器电容器》中规定断路器并联电容器的电容在下列数值中选取:1 000, 1 500, 1 800, 2 000, 2 500, 3 000, 4 000, 5 000 p F。
圆直导线电感计算公式为:
公式 (1) 中lw为导线长度;rw为导线截面半径;μ0为真空磁导率, μ0=4π×10-7H/m。
断路器测量装置引线采用规格为50 mm2, 长度取为20 m, 根据公式可计算得引线电感为24.6μH。
根据电压比法, 标准电阻与回路电阻呈串联关系, 超级电容器在电路中作为电源, 标准电阻与回路电阻串联, 均压电容与回路电阻并联, 引线电感与回路电阻串联。
如图6所示, 为单断口断路器回路电阻检测仿真电路, 其中C1为超级电容器等效电容, 取为54 F, R3为超级电容器等效内阻, 取为10 mΩ, K为时控开关, t=0.008 ms时闭合, R4为标准电阻, 取为100μΩ, L为检测装置引线电感, 取为24.6μH, R5为断路器回路电阻, 取为100μΩ。
目前, 多断口断路器主要为双断口断路器, 双断口断路器回路电阻检测仿真电路如图7所示, 其中C1、R3、K、R4、L与图6所示仿真电路相同, R6、R7为各断路器断口回路电阻, 均取为50μΩ, C2、C3为断路器均压电容。
4 均压电容对冲击大电流测量断路器回路电阻的影响
电压比法的前提是标准电阻与回路电阻上电流相等, 由于均压电容与回路电阻并联后再与标准电阻串联, 标准电阻上的电流实际为均压电容电流与回路电阻电流之和, 若均压电容电流过大, 则会使回路电阻检测不准确。因此有必要对均压电流的影响进行仿真分析。
当超级电容器充电电压设为15 V时, 均压电容上波形如图8所示, 均压电容电流峰值为30 nA, 而由上述仿真结果可知, 回路峰值高达1 442 A, 可见均压电容上电流可忽略不计。表3为当均压电容变化时标准电阻、回路电阻和均压电容上的电流, 可见由于均压电容上电流非常小为纳安级, 标准电阻与回路电阻上的电流可视为相等, 因此当电路中有均压电容时, 均压电容对于回路电阻的检测没有影响[5,6]。分别对图6和图7两种断路器回路电阻检测电路进行仿真, 发现当均压电容取0~5 000 p F之间的值时回路电流波形相同。又由表3可知, 均压电容值与测量回路电流峰值没有关系。仿真也表明有无均压电容并不改变测量电流波形。
5 引线电感对冲击大电流测量断路器回路电流及回路电阻的影响
由上文分析可知, 不论是无均压电容的单断口断路器回路电阻测量电路还是有均压电容的多断口断路器回路电阻测量电路, 均可用图7所示的仿真模型进行仿真计算, 故研究引线电感时采用该仿真模型。
1) 引线电感对回路电流的影响
改变仿真电路中的串联电感, 可得到放电电流波形数据如表4所示。由表4中可以看出当引线电感L达1 000μH时, 检测回路放电电流峰值可达到千安级。当L=200μH时, 回路电流波形如图9所示, 可见回路电流波形亦为冲击大电流波形。而当引线长度达100 m时, 引线电感才155μH, 可见引线电感不影响冲击大电流的产生。
2) 引线电感对于断路器回路电阻检测的影响
断路器回路电阻检测, 普遍采用四端子法进行检测, 接线如图10所示, 其中电流线为主放电回路接线, 电压线是检测断路器电压的信号线。这样接线是为了消除接线处接触电阻的影响。由于断路器一般都很高, 所以电流线和电压线都悬挂在断路器断口两端, 电流线与电压线基本呈平行紧贴状态。电流线与电压线之间存在互感。
由于电压检测线为信号线, 电流可以视作为零, 所以电压检测线对电流线的互感对于回路电流的检测没有影响。而电流线中流过千安级的电流, 并且该电流为冲击电流, 电流时刻在变化, 因此电流线对电压线的互感将使电压检测线测得的电压值改变[7]。
电流线对电压线的互感, 可以通过计算互感系数的方法得到。设电流回路编号为1, 电流为I, 磁通为Φ11, 电感为L, 电压检测回路编号为2, 电流回路1的电流I, 其所产生并与回路2所交磁通为Φ21。由于电流线与电压线呈平行紧挨状态, 因此Φ11=Φ21, 故互感M=Φ21/I=Φ11/I=L, 所以, 电压检测线检测到的电压值为回路电阻电压和电感电压之和。
仿真时采用常用的引线尺寸, 即长20 m, 截面积50 mm2。则通过公式1的计算可知引线电感L=24.6μH。
图11是断路器电压测试线实际测得电压波形, 也就是断路器回路电阻与引线电感电压之和。图12为回路电阻上电压波形。对比两个图发现因为引线电感的影响, 实际检测的电压波形将严重失真, 若不消除引线电感的影响, 测得的回路电阻值将不准确。因此, 有必要研究消除引线电感影响的措施。
消除引线电感影响的措施:
(1) 图13为检测回路的电流波形, 当t=21.2 ms时电流达到峰值, 此时电流变化率di/dt=0。由于电感电压满足u=L×di/dt, 其中, L为电感值, u为电感电压, i为回路电流。则电感的压降在电流达到峰值处为0。则该时刻测得断路器两端的电压就是断路器接触电阻r上的电压。
仿真计算亦表明, 当t=21.2 m s时, 电感上电压为0, 测试电压线测得电压值为回路电阻电压值, 此时回路电阻电压UR=0.144 2 V, 标准电阻电压Ur=0.144 2 V, 而标准电阻阻值r=100μΩ, 则根据电压比法R=URr/Ur, 得回路电阻R=100μΩ与预设值相同, 回路电阻阻值得到精确测量。可见若要得到准确测量断路器回路电阻, 只需要采集检测回路电流达到峰值时电压线测得的电压值即可, 而标准电阻上电压波形达到峰值时刻即为检测回路电流达到峰值时刻。
(2) 在实际测量时, 由于现场强电磁干扰, 以及其他未知因素的影响, 单个采集点可能存在较大误差, 应多采集若干点进行计算再取平均值。观察图11波形, 发现电压信号线实际检测得到的电压波形变化范围非常大, 最大达电源充电电压15 V, 若采用电压传感器进行数据采集, 要求电压传感器输入范围很大, 而电压传感器的测量精度为测量范围乘以一个系数, 这样就会使电压传感器测量精度较低, 影响测量结果。
若要彻底消除引线电感的影响, 可采用屏蔽线消除互感的影响, 以及消除现场的电磁干扰, 避免干扰信号进入测量线[8,9]。
6 结语
为了精确测量断路器回路电阻, 本文提出了一种冲击大电流检测方法, 并通过模拟实验和仿真计算, 验证了该测量方法的可行性与测量的精确性, 分析了实际测量时回路参数对于该测量方法的影响, 得到如下结论:
(1) 本文提出了基于超级电容器产生千安级冲击大电流, 用于测量断路器回路电阻的方法。该方法测量精度非常高。
(2) 多断口断路器均压电容上的电流值非常小, 为纳安级, 而检测回路电流为千安级, 因此均压电容对于检测回路的影响可忽略不计。均压电容并不影响测量电路电流波形与电流峰值。
(3) 引线电感不会影响测量电路冲击大电流的产生, 但会使实际检测得到的断路器电压为引线电感电压与回路电阻电压值和, 导致测量结果偏大。当回路电流达到峰值时, 此时的测量值为真实回路电阻电压值, 可以通过这样的方法进行回路电阻测量, 也可以通过采用屏蔽导线的方法消除引线电感的影响。
摘要：提出了一种峰值达1000A以上的冲击大电流检测回路电阻的方法, 该方法能够精确地测量断路器的回路电阻。通过实验室的模拟试验, 研究了基于超级电容器产生千安级冲击大电流的实现方法, 并验证了微欧级小电阻的测量精度, 通过EMTP-ATP仿真分析计算可知, 均压电容和引线电感对测试的最终结果无影响。
关键词：断路器,回路电阻,冲击大电流,均压电容,引线电感
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GIS回路电阻 篇6
在机场助航灯光系统中,几乎所有的灯具都安装在户外,灯具的供电电缆也大都采用野外地埋的方式,相应的对电缆接头的绝缘处理一般是使用环氧树脂或热缩管等材料加强很薄弱的接头处的绝缘,但是由于温度、湿度、霉菌等环境因素的影响都会使电缆的绝缘性变差,如果长时间不对绝缘变差的地方进行技术处理,就很可能出现电缆芯对地短路的情况。在一点接地的时候,调光器的输出与地不构成回路,对灯光还没有太大的影响,但是如果出现了两点或多点接地的情况,就会使接地两点之间电路短路,从而造成几个甚至大面积灯泡不亮的情况,这就不同程度地影响了飞机飞行、着陆的安全。
为了解决这个问题,机场的维修人员大都采取定期检测的方法,即每隔一段时间用兆欧表测量回路的绝缘电阻,这种方法实时性很差,误差也较大,而且浪费大量的人力,如果不能频繁测量就很难及时了解回路的绝缘情况。由于在运行过程中灯光回路电缆上有几千伏的高压,因为耐压的问题,用普通的兆欧表不能实现在线测量,针对以上一系列问题,经过研究和实验,完成了绝缘电阻检测硬件电路的设计。解决了机场助航灯光系统中绝缘电阻在线测量的问题。
1 绝缘电阻测量原理
普通电阻的测量通常有低压下测量和高压下测量2种方式。而绝缘电阻的测量根据其耐压要求,所施加的测量电压都是直流高电压,因此绝缘电阻检测电路中应该具有直流高电压产生电路,本文所研究的助航灯回路绝缘电阻检测需要的高电压为900 V左右。绝缘电阻测量原理如图1所示。
在测量电阻Rx时,需直流高压稳压电源输出一个直流高压,随着Rx的变化,R1、R2分得电压Ui、Uv,通过采集量转换电路后,将标准的采集量送入到调光器监控单元中,便可以得到被测电阻Rx的阻值。
2 总体设计思路
绝缘电阻检测硬件电路由直流高电压测量电路和采集量转换电路构成,如图2所示。
直流高电压测量电路产生恒定的直流高电压,用于测量助航灯回路和大地之间的绝缘电阻,然后经采集量转换电路,将采集的电压转换为标准的4～20 mA的电流,送入助航灯光调光器监控系统中。
2.1 直流高电压测量电路设计
绝缘电阻的测量根据其耐压要求,所施加的测量电压都是直流高压,因此绝缘电阻测试电路中应该具有直流高压产生电路。直流电压测量电路首先将220 V交流电压通过升压变压器转换成660 V左右的高压交流电,然后经过桥式整流、电容滤波,将电压转换为900 V左右的直流电压,将该高电压一端接在助航灯回路上,另一端与大地相连,来测量助航灯回路和大地之间的电阻,电路图见图3。
通过测量R2两端的电压Uv,R1两端电压Ui,来计算绝缘电阻Rx。
假定R2和R3串联电路两端电压为U,流过R1电流为I,则R2两端电压;绝缘电阻上电流;总电阻;所以
2.2 采集量转换电路设计
采集量转换电路主要采用运算放大器和线性光耦组成。采集量转换电路是将测量的电压Uv、Ui转换为标准的4～20 m A电流,送到助航灯光调光器监控系统中。这部分电路由电压转换电路和电压/电流隔离转换电路来实现。
2.2.1 电压转换电路
由于Uv转换电路与在Ui转换电路原理一样,在这里介绍Uv转换电路即可。电压转换电路见图4。
首先通过电压跟随器将采集到的电压送到下一个运算放大器中,当运算放大器工作在放大状态下时,分析计算输出电压与输入电压关系:输出电压选定可得
此时,根据检测出的电压Uv的范围,将电压调整为:0.1～0.7 V。
2.2.2电压/电流隔离转换电路
在这部分电路中,为了隔离测量电路与控制电路,采用了性价比较高的线性光耦隔离转换电路,由于线性光耦输入端和输出端是通过光耦进行耦合的,并且芯片本身的电气隔离性能可靠,所以不仅能够对直流电压进行高精度检测,也不会将高电压侧的电磁干扰耦合到控制电路中,从而实现直流电压侧和控制电路的高强度电气隔离[1]。
图5是电压/电流隔离转换电路,将采集到的电压Uv转换为4～20 m A的电流。
电路中采用HCNR201型线性光耦,它包括一个高性能的发光二极管LED和两个同种工艺制成的具有严格比例关系的光电二极管[2]。LED是隔离信号的输入端,当有电流流过时就会发光,两个光敏二极管在有光照射时就会产生光电流,光敏二极管感应出的电流正比于LED的光电流。
在该电路中发光二极管LED与两个光电二极管在一个线性光耦芯片内,运放的输入端输出端分别接有PD1和LED,并构成反馈电路。假设运放的反向输入端电势不变,若同向端电势升高,经运算放大器放大,输出端电势明显增加,输出端所接三极管基极电势也会明显增加,这样流过发光二极管LED上的光电流就会减少,发光强度也会减弱。而流过光电二极管PD1的光电流取决于线性光耦芯片内的LED光照强弱。LED发光减弱,流过PD1和PD2的电流就会变小(IPD1=IPD2)。而为了使输出电流不变,所以R20上的电压就会增加,假定运放同向端电势不变,反向电势会减少。这样,运放两端形成负反馈,两个输入端相当于“虚短”,电压为零,假设输出电流为I0流过PD2两端电流为:IPD2=(-I0)×R20/(R19+R20)。假设输入电压为:U0=IPD1R21;又IPD1=IPD2;综合可得:。
从而可以看出输出和输入是成正比关系的,由于U0的范围已经通过上一部分计算出来,则I0可以计算出范围。通过设定R19=25Ω、R20=10kΩ、R21=10 kΩ,来确定U0、I0的比例。则该比例值为0.000 1。得出I0在4～12 m A之间,符合要求。
3 测试结果
将I0送入到助航灯光调光器监控系统中,测试结果如表1所示。
经过测试,误差在允许范围内,达到了满意的效果。从而可以判断助航灯回路的绝缘性、安全性是否良好,便于及时发现问题。
4 结语
本文所设计的助航灯回路绝缘电阻检测硬件电路,在实验室的助航灯光调光器监控系统中进行了测试,能够快速、准确的完成测量。
摘要：针对机场助航灯回路的安全性问题,设计了机场助航灯回路绝缘电阻检测硬件电路。介绍了绝缘电阻检测的原理,给出了直流高电压测量电路和采集量转换电路两个主要的硬件电路设计方法,测试结果表明,该电路能快速准确地完成测量,误差在允许范围内,达到了满意的效果。
关键词：机场助航灯回路,绝缘电阻检测,硬件电路设计
参考文献
[1]郑良广,倪喜军,闫安心,等.基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法[J].电工电气,2009(11):53-55.
GIS回路电阻 篇7
关键词：千安级冲击电流,超级电容器,GIS,导电连接件,测量,回路电阻
0 引言
气体绝缘组合电器(GIS)由于具有体积小、占地面积少和维护方便等优点,在电力系统中得到了广泛应用。但每年因GIS故障而导致的电网事故,给国民经济造成了严重的损失。2010年4月,佛山供电局辖区世龙站发生单相短路故障,导致GIS触头烧蚀;2010年6月丹桂站母线发生三相短路,电弧导致母线烧蚀。事后调查发现,投运前采用传统回路电阻测量方法测量的回路电阻数据合格,但是在投运后事故仍然发生[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。因此,精确测量GIS触头的回路电阻,将有利于降低GIS故障的发生概率,对电力系统安全运行尤为重要。
目前,回路电阻测量主要难在测量电流较小导致无法准确测量GIS触头的接触电阻,而提高测量电流将导致设备过重,不便于现场试验。常用的直流电流源回路电阻测量仪,虽然电流稳定、便于测量,但只能输出100 ~ 600 A的电流,要产生更大的电流,设备成本和重量都将大幅增加,导致其便携性差,不利于现场检修试验的开展。基于电容电感组成二阶振荡电路[11]的测量方法,虽可通过采样电流峰值附近的信号消除电感对测量结果造成的影响,但是其产生的电流峰值也仅为100 A,而且持续时间较短,对消除触头的表面膜不利。工频交流电流源进行接触电阻的测量时,感应电压会影响测量的准确性。采用电解电容作为电源时,需要大量的电容串并联才能输出大电流,仍不能解决体积和重量的问题。
上述测量方法都有一定的局限性,因此本文提出采用基于超级电容器的冲击电流源,对接触电阻进行测量。超级电容器具有特大电容量、内阻小、充放电速率高、安全系数高和长期使用免维护等优良特性,能够满足现场产生千安级电流的要求且方便携带[12,13,14,15,16,17,18]。
1 回路电阻测量原理
本文构建的基于超级电容器的测量回路,如图1所示。图中,C为超级电容器的电容,C = 165 F;r为超级电容器的内阻,r=6.3 mΩ;VD0为晶闸管;R0为分流器,R0= 75μΩ;L1和R1分别为测量引线的电感和电阻;L和R分别为被测GIS的电感和电阻。
首先将超级电容器充电到所需电压,触发VD0导通后,电容C经主放电回路放电,测量回路将产生幅值为千安级的冲击电流;将测量得到的分流器两端的压降转换为电流信号、GIS触头两端的压降作为电压信号,可计算得到接触电阻的大小。图2为充电电压为10 V时放电电流幅值和被测元件的端电压幅值。
被测元件的压降u(t)与回路作用电流i(t)的关系为:
其中,R和L分别为某一时刻被测元件的电阻和电感。
图1所示的测量回路中,回路电感主要是被测对象的连线电感,测量的前几毫秒,测量端的电压接近电容器的充电电压,此时电感的压降远大于接触电阻的压降;而当电流达到最大值时,di(t) / dt接近为0,此时测量端的压降信号为纯电阻压降,该电阻的大小将主要反映导电杆触头接触状况。根据式(1)进行推导,得到接触电阻的计算表达式为:
其中,m为采样点;Δt为采样间隔;L可通过不同幅值电流的测量结果计算得到;u(m)和i(m)可通过测量得到;Δt为采样频率的倒数。
2 系统主要硬件设计
2.1 系统硬件整体设计
基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统主要由工控机、充电模块、主放电回路、电压隔离传感器以及数字信号处理模块等组成。图3为系统硬件原理框图。
如图3所示,工控机通过串口控制充电电压与充电电流后发出充电指令,充电模块对超级电容器充电;充电完毕后,充电回路自动断开;工控机发出触发指令,晶闸管导通,超级电容器对回路放电;电压与电流信号通过电压隔离传感器进行放大;放大后的信号进入数字信号处理模块,并将接收到的信号进行模数转换后送入工控机进行数据处理,存储结果并生成报表。
2.2 超级电容器
超级电容器是构成系统电源的核心部件,是一种介于电池与普通电容之间的无源器件,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性,并且重复使用寿命长,放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流,从而为设备提供电源。
超级电容器的电容量(C)、超级电容器的内阻(r)以及充电电压(Uc)是影响放电电流波形以及幅值的主要因素。通过ATP仿真计算,得到不同因素对测量回路放电电流的影响。表1—3分别为不同条件下,回路中的放电电流峰值。由表1—3可知:当超级电容器内阻和充电电压一定时,电容量越大,放电电流的峰值就越大;当超级电容器电容量和充电电压一定时,内阻越小,放电电流的峰值就越大;当超级电容器电容量和内阻一定时,充电电压越大,放电电流的峰值就越大。因此,选取超级电容器的原则是电容量要大且内阻要小,并可以通过增加充电电压提高放电电流的峰值[19,20,21,22,23,24,25]。
在充分考虑现场测量要求以及便携性的基础上,本文采用电容量为165 F、内阻为6.3 mΩ的超级电容器,其质量为13 kg。在一般现场试验条件下,该超级电容器能满足产生千安级峰值电流的要求。
2.3 数据采集
基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统,选用适当量程和高响应速度的电压隔离传感器保证数模转换的精度,提高数据采集卡的利用率,同时也实现强、弱电的隔离。利用差分通道采集经电压隔离传感器放大过的2路信号,并将信号接地连接到低电压输入端,以避免共模电压引起的接地环路噪声。数字信号处理模块采用16位的数模转换器,其采样频率为250 k Hz,并采取“先采集、先存储、后处理”的模式,保证了回路电阻测量系统抗干扰和高速采样的特点。
3 系统软件设计
基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统的软件部分采用Labview图形化编程语言开发,系统主要功能模块包括:充 / 放电控制、数据采集控制、数字滤波、数值计算、数据显示、数据存储和生成报表等,程序流程如图4所示。
试验时将测量的数据存入数据库,存储内容包括变电站名称、被测对象名称、试验时间、回路电流波形、电压波形以及回路电阻值,用户可根据现场实际情况设置测量参数。软件集成了试验对象的历史数据,用户可根据年、季度、月份、日等选项查询数据,以便用户直观了解GIS触头的历史测量数据,方便安全维护。
4 实验室调试
以100μΩ分流器模拟被测导电连接件,试验目的在于评估基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统的测量准确性及稳定性。另外,在充电电压为30 V时,测量不同阻值的标准电阻,验证测量系统在不同测量范围内的测量准确性,为测量装置的主要技术指标的提出提供依据。在不同的充电电压下,分别进行5组试验,放电电流峰值、回路电阻值以及测量相对误差如表4所示。测量系统对60 ~1500μΩ标准电阻的测量结果及相对误差如表5所示。
表4的试验数据表明:基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统的放电电流峰值,随着充电电压的增加而增大,当充电电压大于等于15 V时,放电电流峰值超过了千安级;测量数据的分散性较小,说明系统的稳定性良好。由于本系统计算回路电阻时选择的是当电流达到最大值的时刻,此时di(t) / dt接近为0,而不是完全等于0,因此测量结果有一定的误差。但是根据测量结果,在不同充电电压下,测量结果的相对误差均在1% 以内,测量精度较高。
由表5数据可知,在测量范围为60~1500μΩ、充电电压为30 V时,测量结果的相对误差均在0.5%以内。而GIS触头的回路电阻范围也正是位于此区间(几十至几百微欧),因此,该测量系统能够满足工程实际需要。
5 现场试验
5.1 试验布置
针对某在建500 k V变电站的GIS进行现场试验,试验回路包括母线侧接地刀闸、断路器、电流互感器、线路刀闸和线路接地刀闸。试验中,还将可调节插入深度的弹簧触头与新建的GIS间隔串联构造故障状态,并对GIS间隔的接触状态进行评估。故障状态示意图如图5所示。被测的GIS间隔总长为18.5 m,测量引线共10 m,对B相进行测量,其回路电阻允许的管理值范围为225~345μΩ。
为了验证基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统测量的有效性,将本文系统测量结果与常规直流回路电阻测试仪测量结果进行对比。
5.2 测量结果及分析
5.2.1 GIS 间隔测量结果
针对某在建500 k V变电站内多间隔GIS设备进行现场试验,对比测量结果见表6。采用常规直流测试仪进行测量时,随着直流电流从100 A增至600 A,回路电阻逐渐增大;采用本文测量系统进行测量时,随着作用电流幅值达到千安级,回路电阻基本趋于稳定。利用管理值判断可知,2种测量系统测得的结果均在允许范围之内,表明GIS触头接触状态良好。
由表6可知,GIS触头接触状态良好时,采用常规直流测试仪测量的结果较分散,而采用本文测量系统测量的结果稳定性高,回路电阻值基本不变。这是因为当GIS触头正常连接时,接触面处的接触点数足够多,其呈现的回路电阻很小,在通过额定及以下电流时,接触斑点处的温升不超过允许值,回路电阻变化不大。其次基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统能产生千安级的作用电流,在复杂电磁环境下利用千安级的作用电流测量,抗干扰能力较强。
5.2.2 GIS 间隔与触头串联测量结果
将上述多间隔GIS设备与可构造故障的弹簧触头串联进行现场试验。弹簧触头的接触压力主要体现在主触头里镶嵌的2根弹簧上,由弹簧触头的结构尺寸可知,当插入深度为33 ~ 63 mm(63 mm时为完全插入)时,2根弹簧都作用在右侧触头上,接触压力不变;当插入深度小于33 mm时,只有1根弹簧作用在右侧触头上,接触电阻会有明显的变化;当插入深度小于21 mm时,触头不与弹簧接触,接触电阻会明显增大。测量结果对比如表7所示。
当该GIS间隔与弹簧触头串联时,由于串联连接处的连接电阻较大,导致测量时总的回路电阻阻值较大;当触头插入深度为28mm时,由于常规直流测试仪的功率较小,不能够产生600 A的放电电流。
当GIS间隔与接触良好的触头连接时,采用常规直流测试仪测量的回路电阻随着直流电流幅值的增加逐渐增大,测量结果分散;采用本文测量系统,随着作用电流幅值达到千安级,回路电阻的测量结果基本稳定。
当GIS间隔与故障触头连接时,随着作用电流幅值的增加,回路电阻逐渐增大。相对常规直流测试仪,采用本文测量系统测量的回路电阻变化明显,特别当触头插入深度为28 mm时,测量值明显增大,反映了触头存在故障。这是因为当GIS触头连接出现故障时,接触处的接触点数会大幅度下降,其呈现的回路电阻将增大;当连接处通过的电流较大而接近额定电流时,由于局部温度升高会导致接触点变软,失去导电性能,甚至导致接触处的接触斑点熔融,GIS触头的回路电阻变化明显。
6 结论
a. 本文研制了以超级电容器为核心的回路电阻测量系统的充电模块和基于千安级冲击电流的回路电阻测量系统。
b. 试验结果表明 ,该测量系统能够产生千安级的冲击电流,测量稳定性高,测量结果准确,相对误差在1% 以内。