高壓直流開關(guān)電器電壽命試驗裝置

1.系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)GOSUN科技*家中低壓輸配電檢驗中心依據(jù)相關(guān)GB/IEC標準要求設(shè)計制造，用于進行直流1000V，800A及以下開關(guān)電器的電壽命試驗，也可用于相應(yīng)開關(guān)電器的機械壽命試驗。系統(tǒng)嚴格滿足標準中有關(guān)直流開關(guān)電器電壽命試驗的試驗電壓、電流、L/R、試驗頻率、接通時間等參數(shù)要求，并可根據(jù)用戶具體需要，提供標準外雙方約定的非標定制試驗條件。

高壓直流開關(guān)電器電壽命試驗裝置由試驗電源、試驗柜、負載阻抗、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)電器電壽命試驗全過程，并提供相應(yīng)控制、保護和數(shù)據(jù)采集軟件供用戶操作使用，可對試驗數(shù)據(jù)進行記錄和分析，并對試驗過程中的故障進行報警、保護及記錄。系統(tǒng)提供斷電保護功能，對試驗過程數(shù)據(jù)可進行實時保存，供電恢復(fù)后可繼續(xù)進行試驗。

2.系統(tǒng)組成

高壓直流開關(guān)電器電壽命試驗裝置從結(jié)構(gòu)上由電氣主回路、控制與測量以及機械結(jié)構(gòu)三部分組成。根據(jù)直流開關(guān)電器電壽命試驗的特點。其中，電氣主回路部分包括進線柜、整流裝置、試驗柜及負載阻抗（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算機及控制軟件）與測量傳感器；本系統(tǒng)機械結(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。
 

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

2.1試驗電源

對壽命試驗而言，試驗電源的穩(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大，經(jīng)濟性很差；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，當二次繞組并聯(lián)時，zui大輸出500V，800A電流，當二次繞組串聯(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)備擴展使用。

2.2 進線柜及試驗柜

電源進線柜與試驗柜基于標準的GGD改型配電柜制造，主要實現(xiàn)電源接入、分配及換接功能。進線柜為系統(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)，進線柜為上（下）進線、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柜，試驗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行試驗，并可根據(jù)不同的功能需求，將負載阻抗串聯(lián)在試品的前級或后級。以下為部分進線柜與試驗柜實物照片。進線柜與試驗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)考慮沖擊負載的特點，通過增加絕緣夾塊及對母線進行特殊處理等措施，確保系統(tǒng)可以*穩(wěn)定運行。

2.3負載阻抗 
 

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

在試驗電路中，電阻器用以調(diào)節(jié)試驗電流的大小，而電感器用以調(diào)節(jié)試驗電路的時間常數(shù)，二者都設(shè)計為可調(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)計選型均考慮到試驗系統(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。以下為部分負載阻抗實物照片。

為滿足用戶后期擴展需求，阻抗額定試驗電流設(shè)計為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)計算機、PLC（包括可擴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)計算機和PLC為控制核心，實現(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)不同的試品要求進行測試，操作人員可設(shè)定試驗次數(shù)、頻率、接通時間、試驗時序等參數(shù)，系統(tǒng)自動按照設(shè)置完成整個試驗過程，并對主要試驗數(shù)據(jù)及故障狀態(tài)等進行記錄及保護。例如，當“實際電流接通或斷開時間” ＞“超時保護時間”+“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，保護設(shè)備發(fā)生故障。

控制系統(tǒng)軟件采用進口的組態(tài)軟件（WinCC或Intouch）設(shè)計而成，主要功能包括：試驗過程可視化監(jiān)視，可以實時查看試驗情況；手動操作保護斷路器及試品；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、試驗頻率等參數(shù)完成試驗時序；故障時自動切除電源，停止試驗，并發(fā)出報警；記錄試驗過程中主要參數(shù)及故障信息，試驗因故障停止或控制回路失電時，試驗數(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，實現(xiàn)快速接線。

測量系統(tǒng)由上位計算機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*位計算機，并對電壓、電流、時間常數(shù)等標準要求的試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，生成電壓、電流波形圖，并可根據(jù)用戶要求生成試驗報告。試驗數(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行試品的安裝與接線，對于小試品的壽命試驗設(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），通常采用獨立的試品支架安裝。試品支架采用標準型材結(jié)構(gòu)，牢固美觀、便于安裝，支架上安裝有固定有機玻璃板或絕緣板，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)品的試驗設(shè)備，我公司還設(shè)計帶有氣動、電動操作機構(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，有爆炸解體的危險，設(shè)備在產(chǎn)品周圍布置有6個面有金屬網(wǎng)防護，以避免產(chǎn)品解體造成操作人員危險；金屬網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)可以保證在產(chǎn)品防護的同時，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，電流可適當上升，在試驗容量降低的情況下，試驗時間可適當加長，實際的電壓-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)標準規(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）。