高压开关机械特性测试仪讲义

-1-高压开关机械特性测试仪讲义高压开关是指能开断、关合、承载运行线路的正常电流，并能在规定时间内承载、关合、开断规定的异常电流（如短路电流）的电器设备。高压开关（也称高压断路器）是指额定电压为3KV及以上主要用于开断或关合电路的高压电器。高压开关的主要功能是：1、在关合状态时应为良好的导体，不仅对正常电流而且对规定的短路电流也应能承受其发热和电动力的作用；2、对地及断口间具有良好的绝缘性能；3、在关合状态的任何时刻，应能在不发生危险过电压的条件下，在尽可能短的时间内开断额定短路电流以下的电流；4、在开断状态的任何时刻，应能在断路器触头不发生熔焊的条件下，在短时间内安全地关合规定的短路电流。由于高压开关在电力系统中担负着控制和保护的双重任务，其性能的优劣直接关系到电力系统的安全运行。所以，高压开关的机械特性参数是判断高压开关性能的重要参数之一，高压开关机械特性参数测量是一项很重要的试验项目，它是保证高压开关的主要参数在正常工作时满足高压开关标准的要求。高压开关机械特性参数测量包括动作时间、速度参量、开关行程、和动作电压等测试项目。第一节测试方法的分类一、高压开关时间参量测试的方法1、用电秒表测量时间电秒表具有测量简单、使用方便等优点。但是电秒表难以准确测-2-量相间或断口间不同期性，所以己逐渐被取代。2、光线示波器测量时间使用光线示波器可以测量高压开关分、合闸时间，同期差及分、合闸电磁铁的动作情况。这种方法具有测量准确、直观，且能同时测量多个时间参量等优点。由于光线示波器时标范围宽、精度高，且能直观反映出断路器在动作过程中有关参量的变化情况，因此，过去一直是测量高压开关机械特性的主要方法。3、高压开关机械特性测试仪这是一类随着电子技术的发展，应用计算机测量技术解决高压开关机械动作各参数的测量仪器，到目前为止高压开关机械特性测试仪已广泛应用于现场试验工作中。二、高压开关速度参量测试的方法高压开关的速度参量以其分、合闸速度来表示。由于高压开关在运动过程中每一时刻的速度是不同的，一般所关心的是刚分、刚合速度和最大速度。根据定义要求，测量高压开关运动特性的方法共分为3类：1、电磁振荡器测速法电磁振荡器测速原理如图1所示。运动纸板通测速杆与动触头连接。当振荡电磁铁线圈子中通入50Hz交流电时，振动笔以100次/s的频率振动，在运动的纸板上绘出周期为0.01s的振荡波形。纸板上波形长度就是触头总行程，行程-3-间对应的周波数，就是触头总运动时间。在触头运动过程中，由于每相邻波峰间时间间隔为0.01s，振动曲线最大波峰间的厘米数就是触头的最大速度值Vmax。刚分（合）点位置的确定如图2所示。图1节电磁振荡器测速原理示意图1-运动纸板；2-振动笔；3-衔铁；4-振动簧片；5-线圈；A-刚分、刚合点在振荡波形图上，首先要分清楚分（合）闸曲线的两个端头中哪一端是分闸位置S1，哪一端是合闸位置S2，然后以合闸位置S2为起始点，向分闸方向量取一段等于断路器超行程值的长度S0，以这一线段终点位置为动静触头刚分（合）时刻。按国家标准规定，取触头分离后（接触前）10ms内的速度为刚分（合）速度，所以视超行程终点落在曲线的什么相位，再取同相位的一个波长，即为所求刚分速度VF或刚合速度VH。-4-图2振荡器测速波形图(a)分闸速度曲线；(b)合闸速度曲线2、转鼓式、电位器式测速法转鼓式测速仪是以连接在动触头系统上的记录笔，沿以恒定角速度转动的转筒上所画的曲线来反映其运动情况的。而电位器式测速仪则是以其滑动触点在电阻杆上的不同位置所反映的电压值来测量断路器的动作状况。这两种测量方法能直观判断高压开关触头在整个运动过程中有无卡涩和缓冲不良等异常现象，能够粗略测出高压开关的固有分、合闸时间，速度测量精度较高。这两种方法较为简单，缺点是较为笨重，功能单一。3、线性传感器测速法这种方法的原理是：用一定分辨率的测量尺和开关的动触头连接，在开关一次分（或合）过程中将动触头的运动转化为测量尺的运动，从而绘制出一幅动触头全运动过程的S-t曲线。利用曲线中的坐-5-标参数，仪器就可以根据速度定义自动计算出对应速度（包括动触头的行程）。线性传感器根据采用的介质不同，可分为光电传感器和线性电阻式传感器，二者均可以在一次运动的过程中采样线性的S-t曲线。前者是采用行程变化一定距离，便产生一定数量的光信号脉冲，通过采样和计算光信号脉冲的个数和正反方向，就可以精确采样动触头全运动过程的S-t曲线。后者基本同理，只不过是将行程的变化，转变成电阻的变化并加以测量计算而已。线性传感器根据使用场合的不同，还可分为直线传感器和转角传感器。直线传感器是直接采样直线行程的S-t曲线，一般使用于动触头较容易直接引出，并连接到传感器上的开关类型，一般有油开关和真空开关。后者是采样角度行程的Ф-t曲线，再通过角度和直线的一定换算公式，绘制出S-t曲线，一般使用于动触头为全封闭结构，无法直接测量直线行程，但可以测量角度行程，并可以推算出直线和角度之间近似线性的换算公式的开关类型，一般多为六氟化硫开关。4、万能传感器测速法万能传感器也就是加速度传感器,加速度传感器采集的是动触头运动时的加速度信号，需对其进行一系列数学运算，最终得到所需的时间-行程特性曲线。加速度传感器是安装在操作机构的提升杆或水平拉杆上，它只有运动部分，无静止部分。第二节高压开关机械特性测试仪工作原理对高压开关主要参数进行测量,以往采用继电器组合控制电路和-6-光线示波器,存在精度低,易烧毁继电器的弊病.高压开关机械特性测试仪是新一代操作测量仪器,该类测试仪以性单片机为核心,采用测速器测量速度,霍尔电流传感器测量操作线圈电流,具有操作安全,测量准确,性能稳定的特点。机构组成由单片机、采样/保持电路、定时器、测量速度和电流模拟信号。由定时器测量断口的分合时间。高压开关机械特性测试仪工作原理:先将200V交流电源接入，给主控制器CPU供电，主控制器通电后，控制光屏显示器、直流整流电路、分合闸输出电源、速度控制器和弹跳计数电路及分合闸计数电路，时间基准控制弹跳计数电路及分合闸计数电路，同时将基准时间输入主控制器。电源输出信号采样电路将分合闸输出电源信号送回到主控制器，通过信号采样电路将时间端口信号和外部触发信号送回到主控制器，速度控制器将速度端口信号通过速度采样电路将速度信号送回到主控制器。高压开关机械特性测试仪通用工作原理图见图3。-7-主控制器CPU时间测量通道速度测量通道分合D/A电源调整直流电源电源控制分合控制电压传感器电流传感器分闸控制合闸控制A/DA/D光电隔离系统同步触发分合负图3高压开关机械特性测试仪工作原理图高压开关机械特性测试仪发展到现在基本工作原理与图3所示没有很大的区别。只是在功能上增加了许多，比如有石墨触头等的测试功能。高压开关机械特性测试仪通过操作软件，控制面板显示和面板按键及打印机驱动接口。测试结束通过系统存储器将数据存入存储器,保存采集的数据。第三节开关通用名词解释一、触头开距分位置时，开关一极的各触头之间或其连接的任何导电部分之间的总间隙。二、行程（触头的）-8-分、合操作中，开关动触头起始位置到任一位置的距离。三、超行程合闸操作中，开关触头接触后动触头继续运动的距离。注：对某些结构如对接式触头，为触头接触后产生闭合力的动触头部件继续运动的距离。四、时间行程特性合、分操作中，开关的动触头行程与时间的关系。五、分闸速度开关分（闸）过程中动触头的运动速度。注：实施时常以某尽量小区段的平均值表征。六、触头刚分速度开关分（闸）过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。注：测试有困难时，常以刚分后10ms内的平均值表征。七、合闸速度开关合（闸）过程中，动触头的运动速度。注：实施时常以某尽量小区段的平均值表征。八、触头刚合速度开关合（闸）过程中，动触头与静触头接触瞬间的运动速度。注：测试有困难时，常以刚合前10ms内的平均值表征。九、合（闸）位置（开关装置的）保证开关装置主回路的预定连续性（通电）的位置。十、分（闸）位置（开关装置的）-9-保证开关装置主回路中分闸的触头间具有预定（电气）间隙的位置。十一、合（闸）时间从接到合（闸）指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间的时间间隔。注1：合（闸）时间包括开关合闸所必需的并与开关组成一整体的任何辅助设备的动作时间。注2：对装有并联电阻的断路器，需把与并联电阻串联的触头都接触瞬间前的合闸时间和主触头都接触瞬间前的合（闸）时间作出区别，除非另有说明，合（闸）时间就是指直到主触头都接触瞬间的时间。十二、分-合时间（自动重合时）重合操作时，从所有极的弧触头都分离瞬间起到所有极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。十三、无电流时间（自动重合时）自动重合闸中，开关分操作时，从各极均熄弧起到随后重新合时任意一极首先通过电流时的时间间隔。注1：对装有并联电阻的断路器，需对下列情况作出区别：即不包括从主电弧熄灭瞬间起到电阻电流电弧熄灭瞬间的时间间隔，也不包括从建立电阻电流瞬间起到建立全电流瞬间的时间间隔的无电流时间。包括上述一种或两种时间间隔的无电流时间。注2：无电流时间可以由于预击穿时间和燃弧时间的变化而不同。-10-十四、重合闸时间重合闸操作中，从接到分闸指令瞬间起到所有极的动静触头都重新接触瞬间的时间间隔。十五、合-分时间；金属短接时间在合操作中，从所有极各触头都接触瞬间起到随后的分操作时在所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔。注：除非另有说明，即认为与开关装在一起的分闸脱扣器是在首合极中各触头都接触瞬间通电。这种情况下的合、分时间是最短的合、分时间。十六、分闸时间（开关的）从开关分闸操作起始瞬间（即接到分闸指令瞬间）起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。注：对装有并联电阻的断路器，需把直到弧触头都分离瞬间的分闸时间和直到带并联电阻的串联触头都分离瞬间的分闸时间作出区别。除非另有说明，分闸时间就是指直到主触头都分离瞬间的时间。十七、开关合（闸）同期性开关合时各极间及（或）同一极各断口间的触头接触瞬间的最大时间差异。十八、开关分（闸）同期性开关分时各极间及（或）同一极各断口间的触头分离瞬间的最大时间差异。十九、时间-电流特性-11-在规定操作条件下，表示时间（例如动作时间）作为预期电流的函数的曲线。二十、弹跳次数开关动触头与静触头在分(合)闸操作中，分开(合上)的次数。二十一、弹跳时间开关动触头与静触头在分(合)闸操作中，从第一次分开(合上)开始到最后稳定地分开(合上)为止的时间。二十二、分(合)闸平均速度开关分(合)闸操作中，动触头在整个运动中的行程与时间的比值。注：对于装有分闸缓冲的真空断路器，分闸平均速度是指开关分闸操作中，动触头在被缓冲前的行程中与该段行程中所用时间的比值。第四节高压开关机械特性测试仪技术条件一、技术参数仪器的测量时间、测量行程和测量速度应满足如下要求：a)测量时间：不小于开关分、合闸时间，分辨率：0.01ms；b)测量行程：由不同传感器确定（不小于开关行程的120%）；c)测量速度：真空开关不小于2m/s，非真空开关不小于15m/s。二、误差仪器的测量误差应满足如下要求：a)时间测量误差：1)200ms以内±0.1ms+1个字；-12-2)200ms以上±2%。a)同期性时间测量误差：测试仪同期性时间不大于±0.1ms；b)行程测量误差：1)对于真空开关±0.5mm；2)对于非真空开关±2mm。c)速度测量误差：1)0～2m/s以内±0.1m/s；2)2m/s以上±0.2m/s。注：速度误差计算见7.3.3的公式（4）和公式（6）。三、使用环境条件a)供电电源：AC220V±22V；50Hz±1Hz；b)温度：0℃～40℃；c)相对湿度：≤85％。四、外观要求仪器表面应光洁平整，不应有凹、凸痕及划伤、裂缝、变形现象。涂层不应起泡、脱落。字迹应清晰、明了。金属零件不应有锈蚀及机械损伤，接插件牢固可靠，开关、按钮均应动作灵活。仪器应有明显的接地标识。仪器附件应完备，传感器附件应有安装说明。五、安全要求1.绝缘电阻测试仪电源部分和机壳之间的绝缘电阻应不小于2MΩ。-13-2.