智能化集成化配电设备试验装置的设计

2022-04-28谢刘丹赵莉莉沈海萍倪小红关山崔金栋

机械工程师 2022年4期

谢刘丹，赵莉莉，沈海萍，倪小红，关山，崔金栋

（1.杭州电力设备制造有限公司余杭群力成套电气制造分公司，杭州 311100；2.东北电力大学a.机械工程学院；b.经济管理学院, 吉林吉林 132012）

0 引言

配电设备的出厂质量是配电网安全可靠运行的基础。配电设备的出厂试验项目繁多，试验情况复杂，主要包括一般性检查、机械特性试验和机械操作试验。但是目前的出厂试验设备功能单一，单台装置仅能进行固定的试验项目。试验过程中还需按试验规程更换试验设备或变更试验线，工作强度大，智能化和自动化水平低。此外，试验数据仍旧使用纸质报告进行存储，不利于相关试验部门之间进行信息共享，工作效率低下。因此，如何提高配电设备的出厂试验效率和出厂质量是目前电力系统工作人员关注的焦点。

近年来，众多国内外学者和电力系统工作对配电设备的出厂试验进行了大量的研究。兰剑等[1]提出了一种全自动断路器底盘车机械寿命试验系统，降低了试验人员的参与程度，提高了工作效率；孙秋芹等[2]提出了一种变压器综合试验系统，以程序顺序控制的方式，完成变压器的电气试验，提高了变压器试验效率；陈平等[3]根据断路器插头结构和二次回路特点，研发了一种机械特性试验转接装置，改进了试验接线方式；董冬等[4]研发了一种试验数据管理平台，实现了海量数据存储和试验资源管理。上述研究均为对试验装置的单个功能进行完善或改进，并未对试验装置的多功能集成进行研究。

因此，本文研发了一种智能化集成化配电设备试验装置，实现配电设备出厂试验的智能化和集成化，提高了出厂设备的质量和可靠性，简化了试验过程，并开发了智能综合检测平台软件，实现试验过程的数字化管理，保证了试验数据的真实性和安全性。

1 试验装置功能分析

智能化集成化配电设备试验装置是针对高压配电柜、中置柜和箱式变电站等多种配电设备的出厂试验而研发的。各种配电设备的出厂试验项目大有不同，并且试验要求也错综复杂。通过梳理大量文献[1-3，5-7]，归纳配电设备的出厂试验项目，进而确定智能化集成化配电设备试验装置的具体功能。配电设备出厂试验项目主要为一般性检查、机械特性试验和机械操作试验项目。其中，一般性检查项目又包括框架结构检查、表面喷涂及电镀、元器件装配、母线装配、辅助回路配线、主回路电气间隔及爬电距离，以及辅助回路电气间隔及爬电距离等子试验项目。机械特性试验又包括触头开距、接触行程、回路电阻、合闸弹跳时间、合闸时间、合闸速度、分闸时间及分闸速度等子试验项目。机械操作试验又包括主开关、手车、接地开关、电气操作、绝缘性能、主回路电阻等子试验项目。

2 硬件设计

2.1 试验装置总体设计

智能化集成化配电设备试验装置总体结构如图1所示。该装置采用模块化的设计思想，主要包括试验管理终端、试验对象识别模块、标准化通信接口、试验数据输入模块，以及多个用于特定试验项目的智能化试验模块（智能化试验模块为图1虚线框内部分）。多个试验模块通过RS485总线以“即插即用”的方式与试验管理终端相连接，完成多种试验项目的程序化一键式操作，为不同用户提供了柔性强、成本低的选择方案，并且为新智能化试验模块的开发与应用提供了基础。

图1 智能化集成化配电设备试验装置总体结构

试验管理终端为智能化集成化配电设备试验装置的控制核心，由它协调各试验模块，完成出厂试验工作。试验对象识别模块采用条码、二维码或射频识别等方式获取试验对象的识别码，并通过试验管理终端进行显示。可调式电源采用高频调制技术，实现了电压和电流的大范围调节，满足多种试验项目的供电需求。

针对一般性检查项目，例如对于试验对象的框架结构检查和元器件装配等，试验人员可通过文字、图片和视频等形式通过试验数据输入模块将检查结果上传，供相关部门审核。

针对机械特性试验项目和机械操作试验项目，例如主开关试验、电气间隔/爬电距离测量试验、绝缘性能试验、断路器底盘车试验及通电操作试验等，研发了智能化试验模块，这些模块主要包括控制芯片（例如STM32芯片等）、传感器、通信电路和控制电路等。各智能化试验模块在试验管理终端的控制下以程序化一键操作的方式完成出厂试验工作。此外，标准化通信接口模块上设有多个USB、RS232和RS485接口，可与高压测试仪或耐压试验台等已有试验装置建立通信，进而以程序化的方式完成相应试验项目。

2.2 智能化试验模块

智能化试验模块是在传统试验装置的基础上，对控制芯片、传感器、控制电路及通信电路等进行升级调整得到，能以数字化、智能化的方式完成特定的试验项目。

以主开关分/合闸试验为例，试验要求：分合闸操作各5次，并联合闸脱扣器在额定电源电压的85%～110%之间，应可靠动作，当电源电压≤30%时，不应脱扣；并联分闸脱扣器在额定电源电压的65%（直流）或85%（交流）～110%之间，应可靠动作，当电源电压≤30%时，不应脱扣。

主开关试验模块如图2所示，主要包括主控单元、显示模块、光耦模块和调压器。其中，主控单元采用STM32F103RCT6单片机，由它协调外接电路，完成主开关分/合闸操作试验的各过程。显示模块用于显示主控单元所接收到的试验信息，供试验人员查看。光耦模块的输入/输出端口分别与主控单元合断路器相连接，提高输入端的抗干扰性。调压器在主控单元的控制下随机为主开关输出5次0.85～1.10倍和不大于0.3倍的额定电压。

图2 主开关试验模块

主开关分/合闸试验流程如图3所示。测试开始时，首先将断路器置于分闸位，对断路器合闸位进行测试，主控单元控制调压器随机生成5次范围为0.85～1.10倍额定电压作为断路器的输入，观察主控单元是否收到断路器合闸到位信号，若5次中有一次或多次未收到合闸到位信号，则判定为合闸异常并通过显示模块显示断路器合闸异常，若5次均收到合闸到位信号，此时，主控单元控制调压器随机生成5次不大于0.3倍额定电压作为断路器输入，观察主控单元是否收到断路器合闸到位信号，若5次中有一次或多次收到合闸到位信号，则判定为合闸异常并通过显示模块显示断路器合闸异常，若5次均未收到合闸到位信号，则判定为合闸正常并通过显示模块显示断路器合闸正常；同理，将断路器置于合闸位，对断路器分闸位进行测试，完成主开关分/合闸试验各过程。

图3 主开关分/合闸试验流程

3 软件设计

智能综合检测平台软件是一套试验管理软件与数据库的集合，其以工业防护型智能平板为载体，通过RS485总线建立与子试验平台的联系，实现对试验平台的数字化、智能化和集成化管理。该软件主要负责生成试验计划、控制试验流程、获取各试验模块的试验结果、显示试验结果和打印报表。此外，出于兼容性和功能性的考虑，该软件设有两种工作方式，分别用于标准试验对象（数据库中存储或已通过本装置试验的试验对象）和新试验对象。对于标准试验对象，该软件通过试验对象识别模块所检测的设备编码信息建立起数据库的联系，从而自动生成试验计划。对于新的试验对象，其工作流程如图4所示。首先，根据试验要求建立测试子项；其次，将归属于相同试验对象的测试子项组合，完成试验计划的生成；之后，依次测试各测试子项目，并实时监测试验流程，当故障发生时，试验人员进行处理，并根据试验要求确定是否继续试验，如果是，则重新进行该试验项目，如果否，则结束该试验项目；最后，获取各子试验平台的试验结果，并进行显示。