高原电器产品短时耐受强度试验室建设研究

2014-03-25谢国政赵荣浩

环境技术 2014年6期

谢国政，赵荣浩，赵磊

（1. 昆明电器科学研究所，昆明 650221； 2. 昆明高海拔电器检测有限公司，昆明 650221）

概述

对电工产品进行短时耐受强度试验是IEC标准、国家标准的重要内容，也是国家强制性产品认证(CCC认证)的主要试验项目，如GB 14048.2-2008《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》等标准均对短时耐受强度试验内容进行了具体规定。GB/T 20645-2006 《特殊环境条件高原用低压电器技术要求》定义了高原型产品类别，自标准发布实施以来，国内企业和跨国公司纷纷投资开发高原型电工产品。但受当时国内缺乏相应试验能力限制，在检测项目中未对高原型产品的短路试验要求做出具体规定。另外即将实施的低压成套开关设备产品标准规定对于安装场地海拔超过2000m使用的设备，“要考虑介电强度的降低，器件的分断能力和空气冷却效果的减弱”[1]。但由于我国相关的检测机构均在1000m及以下地区，在产品型式试验过程中，许多产品并没有经过2000m条件下的短时耐受电流试验，而是采用外推方法确定。GB/T 22580-2008 《特殊环境条件高原电气设备技术要求低压成套开关设备和控制设备》对低压成套开关设备的高原环境试验提出了“对短路强度值进行修正”的要求，但“修正系数待定”。因此，提升电器产品短时耐受强度试验能力，不仅是产品质量监督检测部门十分关注的事，也是制造部门改进产品设计，提高产品质量，满足市场高原特色电工产品需求的要求。

1 模拟高海拔环境的大型人工气候室建设

高原电器产品短时耐受强度试验室由模拟高海拔环境的大型人工气候室、短时耐受强度试验系统组成。为了实现高海拔环境条件下的大容量电器产品短时耐受强度试验，新建了工作空间为Φ10.5m *10m、有效容积约865m3的圆柱型大型人工气候室。气候室采用内保温外承压结构，应用新型保温材料，大大提高气候室的降温速度和致冷效率，缩短试验时间，减少能耗。气候室配备的加热、制冷、真空系统机组满足标准JB/T 11654-2013《模拟高海拔环境的大型人工气候室技术条件》的要求，见表1[2]。

气候室采用高效率制冷机组实现低温制冷，最低温度为-40℃。采用水汽喷雾加湿器调节湿度，湿度调节范围为50%RH～95%RH；采用的真空系统满足压力调节范围79.5kPa～42.0kPa（对应海拔2000m～7000m）的要求。气候室可进行单参数调节或多参数调节，参数调节范围符合国家标准GB/T 14597-2010《电工产品不同海拔的气候环境条件》规定。为开展模拟高原环境条件下的电工设备短时耐受强度试验提供支撑条件。

气候室其它性能包括：

1）在参数稳定期间，罐体工作空间内风速控制在0.5m/s或可调。

2）控制系统可采取手动/自动两种控制方式运行。实现气候参数的实时自动记录，故障报警等功能，确保采集的试验数据精度高、稳定可靠。

3）罐体周围均匀设置具有防水、防雾功能的6个人工观察窗，罐体内设置远程图像监控系统，实现试品状态的360°监控。

表1 人工气候室工作空间性能参数

4）采用120mm *10mm铜母线将试验电流引入/出罐体。要求线路用铜母线的电阻率ρ≤0.01700Ω.mm2/m（20℃），高于标准规定铜母线电阻率ρ≤0.01777Ω.mm2/m（20℃）要求。并考虑瞬时的电动力对母线进出口的密封以及低温试验时冷桥等因素的影响；设置400V、10A低压试验控制端子100个，便于控制线和信号线引入/出。

5）气候室门能进出110kV高压开关设备、35kV箱变等试品；穿墙套管的开孔尺寸φ900mm，可进行110kV等级外绝缘试验；气候室还设置了试品进出罐体的轨道和工作空间内的起吊设备。

6）整机噪声≤85dB（A）。

2 试验主回路系统设计及设备选型

短时耐受强度试验系统由冲击变压器、阻抗系统、多磁路变压器系统、调压器、磁路转换系统、操作控制系统和数据采集处理系统等组成。通过对强电流试验系统和测量控制系统研究，采用冲击变压器及其阻抗系统、多磁路变压器系统构成的电流平滑调节装置，可满足不同容量电器产品的短时耐受强度试验，动作符合性校正和动热稳定试验的要求。

为了能确保产生规定的短路试验电流，系统采用了960kVA冲击试验变压器。该变压器初级电压为35kV，次级电压为0.21～1.14 kV可调，其它参数见表2。它具有短路阻抗小，输出短路容量大；动态稳定性好，耐冲击能力高；输出电压调节范围广等特点。

制造大功率、大电流范围平滑调节装置的传统方法有调压器与大电流变压器的组合、晶闸管调压和磁性调压等几种模式。若采用调压器，则存在体积庞大、造价高、压降大和过载能力低等问题；而采用其他两种方式则可能在试验系统中出现高次谐波、干扰试验及电网等问题。本项目采用的多磁路变压器是由6个不等容量的磁路W1、W2、W3、W4、W5、W6组合而成，其中W2作为调节磁路以便对输出电压进行细调。多磁路变压器一次侧额定电压为380V，通过一次侧绕组的投入或短接，可选择投入的磁路。二次侧绕组额定输出电压分别为3V、6V、12V，当二次绕组全部并联时，额定输出电流为20kA，短时(1S)最大电流为80kA。二次绕组也可通过不同的串并联获得多种电压值。各磁路的投入和短接采用无电源条件下手动操作刀开关的方式进行转换。多磁路变压器参数见表3。

表2 冲击试验变压器主要技术参数

调压绕组配容量为60kVA的自耦调压器，次级绕组调压范围0～400V，调压器的短时(1min)容量为422kVA，在就地及远方均可调压。

多磁路变压器作为一种低电压、大电流发生装置具有以下优点：

1）采用容量较小的调压器即可实现大容量范围内的连续调节，其调压容量与范围均可获得几倍的扩大。

2）由于多磁路变压器的输出能量直接来自电网、输入电流波形正弦性良好、输出电流波形无明显的畸变，满足试验的要求。

3）因为是1：5的调压方案，故设备投入运行后效率高，损耗小。

4）配套设备简单，调节与控制方便。

本试验室距离110kV变电所400m，为减小试验对电网的影响，采用35kV电压等级独立间隔进线。经计算，低压侧在420V 100kA时，35kV侧瞬间电流只有3540A，对电压影响约10%。试验表明试验时反应到高压侧的电流较小，对电网冲击和电网电压影响都较小。

3 测量控制系统设计及设备选型

由于试验的不可重复性或重复试验的成本过高，因此试验数据的适时高精度采集、试验时间的高精度控制及试验过程的连锁顺序控制是测量控制系统的关键。

数据采集系统由电压电流传感器（分压器、罗氏线圈等）、数据采集卡(二级分压器，积分器，绝缘放大、信号调理)、上位工控机、数采主机、打印机、数据采集软件等组成，以实现试验过程中电流、电压的采集及试验数据处理、图形化显示与记录。电流测量采用罗氏线圈，电流的输入范围大，无饱和；响应时间可以达到μS级别；频宽范围可以达到20kHz以上，输入波形复杂程度不受限制；输出的线性度达到0.2%，可以精确的反映输入信号的大小；传感器整体精度在1%以内；在相同输入量程的条件下，相比传统的互感器体积更小，重量更轻。

由于气候室罐体内大电流条件下磁场分布较复杂，且温度低，温差大，使用罗氏线圈测量电流可能难以保证测试精度，故采用了将测试线圈沿试验回路移出到罐体外进行电流测量的方法。

为保证数据采集速度和灵敏度，本项目选用12通道（3路备用），采样频率200kHz，并自带数据缓冲区的数据采集卡，同时采集3路试验电源电压(Uab，Ubc，Uca)，3路试品断口电压(UAa，UBb，UCc)，3路试品电流(Ia，Ib，Ic)。采集卡配有线性度好的绝缘放大器和信号调理电路，再由测量软件进行参量分析等后期数据处理。数据采集系统框图见图1。

试验室试验控制系统由可编程序控制器(PLC)、上位计算机及监控软件、安全连锁系统等组成[3]。PLC选用ModiconTSX Premium 系列产品，通过基于TCP/IP协议的以太网与监控计算机交换信息。PLC负责采集试验用选择开关、设备单机控制开关、断路器、合闸开关、接地开关、试品及各个试验房间门状态、各设备的准备就绪信号。这些信号与PLC系统的信息交换均为无源接点。在时间精度要求50ms以上时，可通过PLC来控制试验过程的时序。对时间精度要求高的试验，则采用美国Nicolet公司生产的可编程时序控制器来完成时序控制功能，其时间精度为±2ms。