2kV－4kV通断试验系统的开发研制

苗 军

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

2kV－4kV通断试验系统的开发研制

苗 军1，2

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

为提高电气开关、变压器等相关电气设备的技术水平，有效满足其高可靠性和高智能化的要求，除了对其开展严谨的科学研究外，还必需开展大量的试验研究。目前，2kV－4kV电压等级煤矿防爆电器产品已在国内多个矿业集团内得到应用，但由于该电压等级的特殊性，国内还没有针对2kV－4kV矿用隔爆型开关的闭合、断开检验装置。为了保证我国煤矿的安全生产及供电系统的安全，研制2kV－4kV矿用隔爆型开关的闭合、断开操作检验装置并进行相关检验方法的研究，建立2kV－4kV煤矿防爆电器产品的专业检测检验系统，已迫在眉睫。

短路试验；2kV－4kV；电源；保护

1 引言

电器试验是对电器在正常工作和故障情况下所应具备的各种性能的验证。不同的电器产品试验要求不同，测试主电源也各有不同。电器试验一般分为高压试验和低压试验，低压试验电压一般在2kV以下，而高压试验电压一般在10kV以上，试验室接入的电源电压为10kV，配备的实验室专用的低压系统试验变压器或高压系统试验变压器均为特种变压器，其价格昂贵，目前均在百万元以上。现有电器试验室缺乏对用于矿山等场所电器所需的3kV测试电压，如果直接配备该项试验电源装置，因其价格昂贵，将会极大地增加试验费用，所以电器试验室常用电压为10kV的测试电源系统来替代，在实验过程中容易造成被测试电器的烧毁，给试验过程带来安全隐患，并且增加了试验成本。为了保证煤矿安全生产及供电系统安全，开发研制2kV－4kV矿用隔爆型开关的闭合、断开操作检验装置及其检验方法，建立2kV－4kV煤矿防爆电器产品的专业检测检验系统，是目前的现实需求，具有非常重要的现实意义和经济价值。

2 2kV－4kV通断试验系统的工作要求

2.1 电源选择要求

试验系统模拟高压电器可能遇到的短路故障工况，以规定的功率因数和频率，给高压电器试品施加电压、电流，考察试品能否可靠地开断和关合故障电流以及在试验过程中电弧、高温和电动力是否会对试品产生损害等。根据外施电压和电流来源，可分为直接试验法和合成试验法。前者的电压和电流来源于同一电源，等价性较好。后者的电压和电流分别来自不同的两个电源，适合于电压等级很高、开断容量很大的试验。矿用高压电器应采用直接试验法，试验系统的主回路基本构成如图1所示。其中，试验电源来自发电机或电力网。出线保护开关的功能是保护，能够隔离试验电源和试验线路设备。阻抗的作用是保护发电机，能够调节试验电流和功率因数。陪试开关为合闸断路器，其合闸后可为试品提供试验电流，试验失败时也能起保护作用。冲击变压器用于改变电压等级，可提供工频恢复电压。电阻和电容用于调节瞬态恢复电压。

图1 直接法试验主回路示意图

设计和实现试验系统功能时，主要技术难点有以下三个方面：一是试验电流是试品额定电流的数十倍甚至上百倍且持续时间很短，试验电源应能提供足够大的短路容量；二是试验主回路阻抗配置要合理，尽可能提高试验电流上限值；三是实现二次测控回路的信息化和集成化，以确保测试数据的准确和有效。技术重点有以下四个方面：一是在试验断口处模拟的参数指标及其变化应符合试验标准，包括试验电压、试验电流及其衰减、功率因数、频率跌落和恢复电压等；二是要优化试验系统的结构和设备布局，以减小主回路线路的阻抗，同时，还要便于试验阻抗调节和试品在不同试验工序间的运输转换；三是要具有齐全、完备的继电保护功能，在试品验证失败或试验系统发生故障时，能够保护人员和试验设备安全；四是要能保证测试结果的有效性和准确性，以提高试验系统的综合技术水平。

2.2 系统整体要求

根据以上分析，结合相同的过流过压保护以及控制连锁，得出2kV－4kV通断试验一次系统图如图2所示。

图2 2kV－4kV通断试验一次系统图

3 通断试验系统的控制、保护及测量

在通断试验系统中设置电源管理与分配功能，以实现发电机电源、网络电源和各种高低压电源的管理。整个试验室主要包括低压试验系统、中压试验系统和发电机系统。二次系统就是要实现对以上各个系统中的10kV电源、辅机、试验变压器、高低压断路器和隔离开关、电压和线路转换装置及试品等的控制、测量和保护。

低压试验二次系统分为控制保护和数据采集两个部分。低压试验控制系统主要包括低压试验控制台、低压变压器保护屏、试品电源控制柜、远程I/O控制箱、试验状态单线模拟屏等。在低压试验控制室布置低压试验控制台和低压试验系统单线模拟屏。在各个通断试验小室、通断试验区、10kV开关柜室和低压试验变压器室，根据试验工艺要求和设备分布情况，分别布置相应的试品电源控制柜和远程I/O控制箱。在试验现场布置有若干个状态指示报警柱灯、门位置检测开关、现场急停按钮盒等。控制台上布置有2台上位监控计算机，用于完成低压试验系统线路准备及试验时序功能。低压变压器保护屏上布置有低压试验变压器的微机综合保护装置，实现试验变压器速断和过流保护，能对变压器瓦斯、温度、油位等非电量故障信号做出跳闸与报警控制。

中压试验二次系统包括控制保护和数据采集两个部分。中压试验控制保护系统主要包括中压试验控制台、中压变压器保护屏、中压试验试品电源控制柜与接线箱、远程I/O控制箱和模拟屏等。中压试验控制室布置中压试验控制台、中压变压器保护屏和一个单线模拟屏。熔断器试验设备间设置试品电源控制柜及其辅助电源柜（大电流电源）。各试品室分别设置相应的试品电源接线箱。10kV开关室和开关电抗器室分别设置相应的远程I/O控制箱，在试验现场还设有若干状态指示和报警柱灯、门位置检测开关、现场急停按钮盒等。

中压试验控制台上设置2台上位监控计算机。其中1台计算机用于实现对整个试验系统的电源和线路的监控；另1台计算机连接专用时序控制器（cy3200），实现试验时序控制。

中压变压器保护屏布置中压试验变压器的微机综合保护装置，微机综保装置实现试验变压器的速断、过流保护及变压器瓦斯、温度、油位等非电量故障的跳闸与报警。

由于本系统是将中低压试验系统有机地集成为一体实施试验，各个试验系统原有的保护功能不变，2kV－4kV电压特性要求的最大出力只有50kA，原有保护系统不能适用，所以开发了2kV－4kV短路试验系统专用的基于Rogowski线圈的微机保护装置，采用了基于Rogowski软线圈的硬积分器，这样将采集到的信号直接变成了电压信号，使得电器试验回路安装更加简便，装置原理更加简化，极大地增加了系统的可靠性。

4 通断试验系统的电压故障保护设计

通断试验系统的电压故障可分为暂态过电压故障和稳态电压故障两类，其中稳态电压故障又分为稳态过电压故障和稳态欠电压故障两种。

4.1 暂态电压故障保护

暂态过电压主要是指操作过电压，其包括截流过电压、多次重燃过电压和三相同时断开过电压三种。真空断路器在开断交流小电流时，由于灭弧室本身的原因，当电流从峰值下降未到达自然零点时，电弧熄灭，电流被突然中断，电感负载上的剩余电磁能量就会产生过电压，我们称之为截流过电压。多次重燃过电压真空断路器在开断较大的感性电流（如电动机启动电流等）时，即使截流过电压无问题，也常常会发生过电压危害，击穿电机匝间绝缘，这主要是由于真空断路器多次重燃产生的过电压引起的，称之为多次重燃过电压。真空接触器首相断开熄弧产生的高频电流在中性点叠加于其它未断开的两相工频电流上，造成其它两相电弧电流强制过零，使得未开断的两相随之同时开断，此两相被截断的工频电流往往比首相截流值大，类似于较大水平的截流现象，从而产生了比首相开断截流过电压更高的操作过电压。不同原因产生的暂态过电压，其共同特点是持续时间短，电压峰值大，振荡频率高，相间过电压大于对地过电压。为了避免高电压击穿用电设备绝缘，必须采用抑制和保护措施以限制暂态过电压。

4.2 稳态电压故障保护

过电压是指电压幅值超过了额定工作电压的1.15倍。电动机长期工作于过电压状态里，会影响供电线路及电动机的绝缘水平，可使绝缘老化，甚至发生绝缘击穿。

本系统采用压敏电阻来限制其稳态过电压，其压敏电阻具有通流能力强、非线性系数高、漏电电流小、无续流、伏安曲线对称、响应速度快、受环境温度影响小、可靠性高等优点。压敏电阻的阻值随电压变化而变化，当其两端电压小于击穿电压时，阻值很大，呈开路状态；当其两端电压大于击穿电压时，阻值急剧下降，呈低阻导通状态。合理利用压敏电阻的非线性特性就可以实现暂态过电压保护。但由于压敏电阻是纯阻性元件，所以只能限制过电压幅值，而不能改善过电压波形，所以用压敏电阻与阻容吸收相结合的方式来实现暂态过电压保护。RC装置是一种有效的限制开关操作过电压的设备，它不但可以降低来波的幅值，也可降低来波的陡度。其过电压保护原理如图3所示。

图3 过电压保护原理图

5 结束语

通过实际应用和现场测试，本文所开发研制的上述2kV－4kV通断试验系统工作可靠稳定，能够保证我国煤矿生产安全和供电系统安全，具有较好的推广应用价值和市场前景。

［1］李景禄.实用配电网技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］平邵勋.电力系统内部过电压保护及实例分析［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［3］李润先.中压电力系统接地实用技术［M］.北京：中国电力出版社，2001.

［4］支元彦，杨国平，等.限制弧光接地过电压及提高小电流接地选线率的新技术［J］.电器开关，2006.

［5］田铭兴，等.变压器式可控电抗器的限流电抗器计算和仿真［J］.西安交通大学学报，2004.

Development of 2kV－4kV on－off testing system

MIAO Jun1，2
（1.Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；2.Key Laboratory of High－low Voltage Electrical Apparatus Inspection Technology，Tianshui 741018，China）

In order to improve the technical level of the electrical switches，the transformers and the other relevant electrical equipments，it is necessary to carry out the scientific and rigorous research and a large number of experimental studies.At present，though the 2kV－4kV voltage－level coal－mine explosion－proof electrical products have been using by many domestic mining groups，there is no corresponding coal－mine flameproof on－off testing device due to its particular voltage level.In order to ensure the safety of the coal mine productions and the safety of the power supply systems，it is imminent to develop the 2kV－4kV coal－mine flameproof on－off testing system.

short－circuit test；2kV－4kV；power supply；protection

TM83

A

1005—7277（2017）03—0013—04

苗 军（1968－），男，本科学历，工程师，主要研究方向为电气技术的设计应用及电气检测工作。

2016－12－01