一种采用多电源的灭磁开关串联断口同步性检测装置

冯 胜，张 敬，章 俊，罗红俊，孙晓波，唐 雄

(1.中国长江电力股份有限公司白鹤滩水力发电厂，四川 宁南 615400；2.中国长江电力股份有限公司乌东德水力发电厂，云南 禄劝 651500)

灭磁开关是发电机励磁系统中的重要设备。在磁场断路器配合灭磁电阻的放电灭磁方式中，灭磁开关的建压能力直接决定了转子电流能否顺利转移到非线性灭磁电阻中，关系到发电机能否顺利灭磁[1]。随着发电机组单机容量的增加和励磁参数的增大，对励磁系统灭磁开关弧压的要求也不断提高。为满足大型发电机组对灭磁建压的要求，常常需要在直流灭磁开关内将多个磁场断路器断口串联使用[2]。

对于多个断口串联的灭磁开关，理论上其开关总弧压等于单个断口弧压乘以断口个数，实际上由于各断口之间动作存在时差，叠加的总弧压将低于理论值，且时差越大，叠加的总弧压越低[3]。为保证开关总弧压满足灭磁要求，灭磁开关的各断口间动作的同步性均应符合厂家规定要求。

传统的开关同步性检测方法是在开关各断口的一端施加一个电压信号，各断口的另一端接录波仪或测试仪，通过检测开关动作时各断口另一端的电压变化来测定各断口之间的动作时差[4-5]。该方法只能检测各断口分别接在不同回路中时动作的同时性。当多个断口串联使用时，如仍采用上述方法，当一个断口动作时，其串联断口两端的电压也会同时变化，无法测定各断口之间的动作时差。因此若需准确测量，常常需要断开各断口之间的连接铜排，工作量较大[6]。

针对传统方法对串联多断口进行同步性检测时的诸多缺点，本文设计并研制出了一种基于多电源的灭磁开关串联断口同步性检测装置，并通过试验结果证明，该装置能够增强串联多断口同步性的测量准确度，减少维护人员的工作量，提高工作效率。

1 装置原理

新型灭磁开关串联断口同步性检测装置原理，如图1所示。在灭磁开关的每个串联断口上均配置一个独立的电压源，若被测灭磁开关FMK有3个断口串联，则设置3个独立的电压源U1、U2、U3，各电压源的电压需满足录波仪模拟通道电压输入范围[6]。各电压源之间形成串联，数量可随着灭磁开关断口数进行增减。R1、R2、R3是3个限流电阻，防止灭磁开关FMK断口闭合后电压源U1、U2、U3短路。A1是一台高精度多通道录波仪，可利用该录波仪检测各断口动作时的电压变化情况，并计算出各断口间的动作时差。且各模拟输入通道需完全隔离，采样速度大于20 MS/s。

如图1所示，当FMK端口1,2间的断口闭合时，录波仪通道1采集到的电压由U1变为0，通道2、通道3采集到的电压保持不变；当FMK端口1,2间的断口断开时，录波仪通道1采集到的电压由0变为U1，通道2、通道3采集到的电压保持不变[7]。

图1 串联断口同步性检测原理图

同理，录波仪通道2采集FMK端口3,4间的电压；录波仪通道3采集FMK端口5,6间的电压。各断口的动作都不会影响其他断口间的电压。

若设置三个电压源的电压U1=U2=U3=1 V，则根据录波仪记录的FMK动作时3个通道电压变化的波形，汇总后波形如图2所示。若加在3个断口上的电压跃变时差趋近于0，则可以证明3个断口动作同步性好。综上可以通过比较3个断口之间的电压跃变的时差，判断灭磁开关串联断口之间动作的同步性。

图2 各串联断口电压变化图

2 装置设计

根据上述原理，研制出的多断口断路器动作时序测试装置样机结构，如图3所示。该样机集成了8级串联电压源和相应的时序测试仪，可对8个断口串联的开关进行检测。同时配套高精度多通道录波仪，可精确记录每个断口动作时的电压变化波形[8]。

图3 串联断口同步性检测装置结构图

时序测试装置采用ST公司STM32F103C8T6嵌入式微控制器，如图4所示。该微控制器基于高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器64 K字节的闪存和20 K字节的SRAM，2个10通道12位同步ADC，3个同步的16位定时器和1个16位PWM定时器[6]。其中32路快速I/O口可映像到16路外部中断，事件控制器包含19个边沿检测器，用于产生中断/事件请求。无论是上升沿，下降沿还是双边沿，每个中断线都可以独立地配置它的触发事件，能够单独地被屏蔽。另外还有9个通信口，支持2个I2C和SPI、3个USART、1个USB和1个CAN。工作温度范围-40℃至+85℃，供电电压2.0 V至3.6 V，且保证低功耗应用的要求。

图4 STM32F103C8T6嵌入式微控制器图

被测开关每个断口的动作信号经过光电隔离后从快速I/O口引入，接到外部中断，边沿检测器设置为双边沿触发，能够检测断口的分合动作。定时器测量断口动作时间，计算出各断口间的动作时差。

试验时，只需接入开关操作控制命令，并按接线标识将串联断口依次接入测试通道，操作开关，触摸屏界面上就会自动显示各断口的动作时差[9]。

如配套录波仪使用，只需要将录波仪的各个电压采样通道并联在该装置的测试通道上，便可以正常使用。

如图5所示，研制的多断口断路器动作时序测试装置采用便携式箱式结构，便于携带和使用。接线全部采用插接式试验线，可快速完成试验接线。界面采用液晶触摸屏，画面简洁，操作简单。

测试断路器分/合闸动作时序时，需将断路器断口信号接入断口状态接入口，将断路器的分/合闸控制命令信号接入断路器控制命令接入口。接通电源后，手动操作触摸屏上软按键“分闸测试”/“合闸测试”，选择对应测试功能，触摸屏上即可显示对应断口的分/合闸动作时间、动作时差、及动作时序。

3 测试结果及其分析

为验证上述试验装置的有效性和准确性，将8个实际灭磁开关中使用的弧断口用8个同规格型号的DC220 V继电器代替，按照图1所示接线方法接入到图5所示的串联断口同步性检测装置的面板中，并通过外接电源信号来模拟分合的开入信号。

如图6所示，为合闸试验时八个串联继电器的动作时序测试结果，各继电器的合闸时间均在9.83～11.81 ms之间，其中红色标出的是最后动作的继电器，动作时差为0.00 ms的是最先动作的继电器，并以此为基准判定各继电器的动作时差。由各继电器的动作时差大小可以看出，最先动作的继电器和最后动作的继电器之间相差1.98 ms，能够准确和直观地反映出动作时序关系和动作时差。

图6 合闸时序表

因此，通过触摸屏上各串联断口的动作时差大小和动作时序大小，可以分辨出各串联断口的分合闸时间和动作时差，以便维护人员结合相关规程和标准，进一步采取针对弧断口的维护措施。

4 结 语

通过为被测灭磁开关的每个串联断口提供一个独立的电压源，消除了串联断口动作电压相互间的影响，可实现在不断开各串联断口之间连接铜排的情况下，检测各断口的同步性。且基于上述原理利用STM32F103C8T6嵌入式微控制器研制出了多断口断路器动作时序测试装置样机，试验结果表明能够有效检测各串联断口的动作时序。

综上所述，该装置可广泛应用于行业内各电厂灭磁开关的检测以及其他各类机械式开关的动作同步性检测。应用该装置能有效节省大容量机组灭磁开关检修时间，提高工作效率，同时避免铜排反复安装拆卸过程中损坏灭磁回路，降低了检修过程中的安全风险，提高了设备可靠性，社会效益显著，且具有一定的商业价值。