高壓直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)裝置

1.系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)GOSUN科技*家中低壓輸配電檢驗(yàn)中心依據(jù)相關(guān)GB/IEC標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)制造，用于進(jìn)行直流1000V，800A及以下開關(guān)電器的電壽命試驗(yàn)，也可用于相應(yīng)開關(guān)電器的機(jī)械壽命試驗(yàn)。系統(tǒng)嚴(yán)格滿足標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓、電流、L/R、試驗(yàn)頻率、接通時間等參數(shù)要求，并可根據(jù)用戶具體需要，提供標(biāo)準(zhǔn)外雙方約定的非標(biāo)定制試驗(yàn)條件。

高壓直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)電源、試驗(yàn)柜、負(fù)載阻抗、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及試品支架成套供貨，可完成直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)全過程，并提供相應(yīng)控制、保護(hù)和數(shù)據(jù)采集軟件供用戶操作使用，可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，并對試驗(yàn)過程中的故障進(jìn)行報(bào)警、保護(hù)及記錄。系統(tǒng)提供斷電保護(hù)功能，對試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時保存，供電恢復(fù)后可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.系統(tǒng)組成

高壓直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)裝置從結(jié)構(gòu)上由電氣主回路、控制與測量以及機(jī)械結(jié)構(gòu)三部分組成。根據(jù)直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)的特點(diǎn)。其中，電氣主回路部分包括進(jìn)線柜、整流裝置、試驗(yàn)柜及負(fù)載阻抗（以及設(shè)備間的母線及電纜連接）；控制與測量部分包括控制柜、控制臺（布置有控制與測量計(jì)算機(jī)及控制軟件）與測量傳感器；本系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單，僅包含由型材結(jié)構(gòu)搭建的試品安裝支架。
 

試驗(yàn)電源自1AC進(jìn)線柜引入，經(jīng)整流變壓器整流后至試驗(yàn)柜，經(jīng)過試驗(yàn)柜換接后連接至負(fù)載阻抗（試品可連接在阻抗前級或后級），從而實(shí)現(xiàn)直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)的整個試驗(yàn)回路?？刂乒耠娫淳?AC進(jìn)線柜引出，經(jīng)過UPS后給整個控制系統(tǒng)供電。

2.1試驗(yàn)電源

對壽命試驗(yàn)而言，試驗(yàn)電源的穩(wěn)定性與可靠性至關(guān)重要。直流電源的產(chǎn)生方式，一般分為IGBT逆變整流，調(diào)壓器+整流變壓器+整流橋，整流變壓器+可控硅幾種方式。IGBT逆變整流控制方式復(fù)雜，對于壽命試驗(yàn)這樣頻繁開斷的系統(tǒng)，在可靠性方面值得探討；調(diào)壓器+整流變壓器+整流橋是傳統(tǒng)的直流電源模式，在可靠性與穩(wěn)定性方面均無問題，但對于本系統(tǒng)而言，要在大電壓范圍（0-1000V）輸出大電流，調(diào)壓器、整流變壓器容量都會變得相當(dāng)大，經(jīng)濟(jì)性很差；整流變壓器+可控硅的方式，通過調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角來確定輸出電壓，工作方式成熟可靠，缺點(diǎn)是在低電壓下，由于導(dǎo)通角過小，輸出波形很差，且如果要在大電壓范圍下穩(wěn)定輸出大電流，變壓器與可控硅容量均需選擇很大，經(jīng)濟(jì)性較差。

經(jīng)過綜合考慮與反復(fù)論證，采用多抽頭整流變壓器+可控硅的方式，通過分段微調(diào)的形式輸出電流。即對常用電壓采用抽頭式輸出，在抽頭間范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)無級調(diào)壓。在有效利用變壓器容量的情況下，輸出連續(xù)可調(diào)的電壓，并在整個電壓范圍內(nèi)，滿足輸出電流的要求。
 

整流變壓器采用多抽頭、雙二次繞組的形式，當(dāng)二次繞組并聯(lián)時，zui大輸出500V，800A電流，當(dāng)二次繞組串聯(lián)時，zui大輸出1000V，400A的電流。變壓器抽頭可輸出110V，220V，400V，800V，1000V（可根據(jù)用戶要求，5組固定輸出抽頭）電壓，通過可控硅，在全電壓范圍內(nèi)無級調(diào)壓。各抽頭間通過接觸器切換與可控硅的連接。

為滿足客戶后期擴(kuò)展需求，電源部分預(yù)留了低壓（60V）2000A電源連接位置，以便設(shè)備擴(kuò)展使用。

2.2 進(jìn)線柜及試驗(yàn)柜

電源進(jìn)線柜與試驗(yàn)柜基于標(biāo)準(zhǔn)的GGD改型配電柜制造，主要實(shí)現(xiàn)電源接入、分配及換接功能。進(jìn)線柜為系統(tǒng)主電源接入柜，主要包含系統(tǒng)總開關(guān)及輔助回路開關(guān)，進(jìn)線柜為上（下）進(jìn)線、上出線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過母排出線連接至整流變壓器，經(jīng)過整流回路后引回到試驗(yàn)柜，試驗(yàn)柜包括出線斷路器及試品換接銅排，換接銅排提供三組不同的端口，可同時對三組試品進(jìn)行試驗(yàn)，并可根據(jù)不同的功能需求，將負(fù)載阻抗串聯(lián)在試品的前級或后級。以下為部分進(jìn)線柜與試驗(yàn)柜實(shí)物照片。進(jìn)線柜與試驗(yàn)柜主要元器件采用施耐德或西門子產(chǎn)品，充分保證系統(tǒng)安全性，柜體結(jié)構(gòu)考慮沖擊負(fù)載的特點(diǎn)，通過增加絕緣夾塊及對母線進(jìn)行特殊處理等措施，確保系統(tǒng)可以*穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3負(fù)載阻抗 
 

直流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)用的負(fù)載阻抗設(shè)備包括電阻器和電感器兩部分，它們與交流開關(guān)電器電壽命試驗(yàn)負(fù)載阻抗設(shè)備（包括電阻器和電抗器）相類似。負(fù)載感抗設(shè)備的電阻器和電感器是用以模擬實(shí)際直流電路接通和分?jǐn)鄷r電路中的電阻和電感。
 

在試驗(yàn)電路中，電阻器用以調(diào)節(jié)試驗(yàn)電流的大小，而電感器用以調(diào)節(jié)試驗(yàn)電路的時間常數(shù)，二者都設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)的。為了調(diào)節(jié)方便，可調(diào)電阻器是由不同電阻元件按照2n進(jìn)位制組合而成，同樣，可調(diào)電感器也是有不同電感元件按照2n進(jìn)位制組合而成的。

電阻元件采用電阻溫度系數(shù)和電阻率高的合金材料如康銅或鐵鉻鋁合金制造，并按照低電感方式繞制，以保證在試驗(yàn)過程中電阻值不會因通電發(fā)熱而改變并保證電阻元件的固有時間常數(shù)（或電感值）甚小。電感元件采用無鐵芯（或稱空芯電感器）的結(jié)構(gòu)，采用線式或箔式的方式繞制而成。阻抗及相應(yīng)刀開關(guān)設(shè)計(jì)選型均考慮到試驗(yàn)系統(tǒng)的需要，在絕緣距離、結(jié)構(gòu)、發(fā)熱、短路能力各方面均可滿足系統(tǒng)要求。以下為部分負(fù)載阻抗實(shí)物照片。

為滿足用戶后期擴(kuò)展需求，阻抗額定試驗(yàn)電流設(shè)計(jì)為2000A。

2.4控制與測量系統(tǒng)

控制與測量系統(tǒng)主要包括控制柜及控制臺。其中，控制系統(tǒng)主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC（包括可擴(kuò)展模塊及模擬量模塊）、中間繼電器、試品控制電源、控制回路接線板等部分組成。

控制系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)手動和自動兩種操作模式。手動操作模式主要用于調(diào)試狀態(tài)下對回路和試品的測試操作。自動操作模式可根據(jù)不同的試品要求進(jìn)行測試，操作人員可設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)、頻率、接通時間、試驗(yàn)時序等參數(shù)，系統(tǒng)自動按照設(shè)置完成整個試驗(yàn)過程，并對主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)及故障狀態(tài)等進(jìn)行記錄及保護(hù)。例如，當(dāng)“實(shí)際電流接通或斷開時間” ＞“超時保護(hù)時間”+“設(shè)定的接通或斷開時間”時，即判斷為觸頭粘連或線圈燒毀無法正常操作，系統(tǒng)需自動切斷主回路和控制回路電源，停止測試，保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障。

控制系統(tǒng)軟件采用進(jìn)口的組態(tài)軟件（WinCC或Intouch）設(shè)計(jì)而成，主要功能包括：試驗(yàn)過程可視化監(jiān)視，可以實(shí)時查看試驗(yàn)情況；手動操作保護(hù)斷路器及試品；在允許范圍內(nèi)，自動穩(wěn)定輸出控制電壓；根據(jù)設(shè)置的試品數(shù)量、試驗(yàn)頻率等參數(shù)完成試驗(yàn)時序；故障時自動切除電源，停止試驗(yàn)，并發(fā)出報(bào)警；記錄試驗(yàn)過程中主要參數(shù)及故障信息，試驗(yàn)因故障停止或控制回路失電時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過PLC記錄并保持，以便用戶記錄。
 

控制系統(tǒng)為試品提供控制回路電源，電源容量和電壓等級可根據(jù)用戶要求定制，提供交流0-420V，直流0-250V范圍內(nèi)的可調(diào)控制電源，電源功率5kVA。通過控制柜面板上的安全插接端子，實(shí)現(xiàn)快速接線。

測量系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)和傳感器兩部分組成，傳感器為精密霍爾電壓傳感器和電流傳感器，傳感器測量數(shù)據(jù)經(jīng)過高速高精度數(shù)據(jù)采集卡上傳*位計(jì)算機(jī)，并對電壓、電流、時間常數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成電壓、電流波形圖，并可根據(jù)用戶要求生成試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動歸檔保存，便于用戶查閱。

2.5試品支架

試品支架主要用于進(jìn)行試品的安裝與接線，對于小試品的壽命試驗(yàn)設(shè)備，也可以采用將試品固定在試品柜上（參見試品柜照片）。對于規(guī)格較大的試品（>160A），通常采用獨(dú)立的試品支架安裝。試品支架采用標(biāo)準(zhǔn)型材結(jié)構(gòu)，牢固美觀、便于安裝，支架上安裝有固定有機(jī)玻璃板或絕緣板，用于試品的固定安裝。安裝板為可拆卸式結(jié)構(gòu)，便于用戶根據(jù)不同產(chǎn)品固定孔尺寸開孔更換。以下為部分試品支架照片。對于需要手動操作的塑殼斷路器等產(chǎn)品的試驗(yàn)設(shè)備，我公司還設(shè)計(jì)帶有氣動、電動操作機(jī)構(gòu)的試品支架，用于代替人工完成試品的合分操作，詳見相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)文檔說明。
 

為保證設(shè)備及操作人員安全，測試的產(chǎn)品需要密封在相對封閉的環(huán)境，由于高壓測試相對危險(xiǎn)，有爆炸解體的危險(xiǎn)，設(shè)備在產(chǎn)品周圍布置有6個面有金屬網(wǎng)防護(hù)，以避免產(chǎn)品解體造成操作人員危險(xiǎn)；金屬網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)可以保證在產(chǎn)品防護(hù)的同時，注意產(chǎn)品散熱，以防止熱量積累對產(chǎn)品壽命測試條件造成影響。

3.主要技術(shù)參數(shù)

海拔高度：<1000m；
環(huán)境溫度：-15℃-+45℃；
空氣相對濕度：<95%；
輸入電壓：交流380V，±10%（三相四線）；
電源容量：400kVA*，500kVA沖擊（1s）；
工作頻率：50Hz；
輸出電壓：直流0-1000V可調(diào)；
輸出電流：400A（≤1000V，1s），800A（≤500V，1s）；（在電壓降低的條件下，電流可適當(dāng)上升，在試驗(yàn)容量降低的情況下，試驗(yàn)時間可適當(dāng)加長，實(shí)際的電壓-電流曲線、容量-時間曲線需根據(jù)客戶現(xiàn)場條件根據(jù)實(shí)際情況確定。但電壓、電流及通電時間關(guān)系不得比系統(tǒng)額定情況更嚴(yán)苛）。
電壓紋波系數(shù)：<5%；
電壓精度：<5%
電流精度：<5%;
試品控制回路電壓：交流0-220V，直流0-120V；
試品控制回路容量：5kVA；
試品數(shù)量：3；
試驗(yàn)次數(shù)：（主回路及控制回路）設(shè)定及顯示范圍0-99999999；
接通頻率：3-3600次/小時（zui大頻率依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電流值限定）；
吸合時間調(diào)節(jié)范圍：0-99s（調(diào)節(jié)精度0.01s）；
釋放時間調(diào)節(jié)范圍：0-99s（調(diào)節(jié)精度0.01s）；
時間常數(shù)：1-7.5ms可調(diào)；
控制精度：10ms；
采集數(shù)據(jù)類型：電壓、電流；
互感器精度：>0.2級；
設(shè)備尺寸：≤1200mm*7000mm*2000mm（深*寬*高）。