低压熔断器预热转换系统开发设计

甘肃电器科学研究院 陈泽宇

随着我国电器技术的光速开展，配电设施的技术更新，低压交流熔断器在低电压配电系统、控制和其余电气设备中的运用越来越普遍，是最常见的短路和过流保护设备之一。熔断器是常见过电流保护器，在电流超出规定值的一定时间后，用本身发生的热量熔化保险丝，继而将电路分断[1]。低压熔断器是电气设备回路及低压电气线路中最常使用的一种过电流保护器，它具有经济、操作方便、适应户外环境性强等特点。熔断器短路电流分断的过程极为短暂（仅需数毫秒），通常认为是一种绝热过程。

在试验的测试过程中，传统的做法是在低压回路中施加测试电流，随后在低压系统的负载容量超负荷时切换到高电压系统，以满足试验要求的时间长度。但是这种方法还不够成熟，在我国此类型试验的研发企业的提升非常缓慢，急需大量的科研人员可以参与其中进行研究讨论[2]。本文设计了一种基于PLC+PC的预热转换系统，适用于熔断器的分断能力试验，以处理试验过程中从低压系统转向高压系统的转换，满足了分断能力试验的时间要求。

1 预热转换系统设计

预热转换系统使用高速PLC及相干部件，将程序锁与电锁相结合。低压侧，调压器和多磁路变压器可与恒流源设备衔接，对于高压侧，高压开路可与低压开路测试电路连接。其稳流模块作为一个简单稳流器用于温升、脱扣器整定、整定值测量等[3]。总体而言，这种模式能较好的适用于快速熔断器开断能力的测试。如图1所示。

图1 预热转换系统的系统框图

本设计的预热转换系统分别是由预热转换器、高压转换装置还有低压大电流装置三部分组成，以下是这三部分的详细设计介绍。

1.1 预热转换器的设计

首先，将试品在低压回路中通流，当电流逐渐不稳定时（即将熔断）将试品切换至高压回路一段时间，随后试品断开即可满足分离容量测试的时间要求。在将低压电路切换到高压电路时，需要使用预热转换器。预热转换器的控制图如图2所示。

图2 预热转换器控制图

预热转换器由两部分构成：控制系统和电热转换。控制部分主要由断路器、接触器、升流器和调压器构成。电热转换装置低压侧主要采用带线圈的仪表监控，高压侧主要采用线圈和积分器监控。D9QF1断路器的作用是启动大容量系统的电源运行。升流器的作用是调整低压回路的电流。接触器的作用是防止D9QF1断路器未及时开断导致试验回路受损的保护环节，调压器调节电压可以保护低压系统免受瞬时高压造成的损坏。

该设备的核心目标是保证隔离开关的隔断作用，减少高低压之间的切换间隔。为了快速实现高低压切换功能，加强了转换各链路中的组件开关和操控速度。

1.2 高低压转换装置的设计

进行分断能力试验时，阻抗需要接在试品之前。进行极限分断能力试验时，试品前能够接入的阻抗值不应大于试验设计回路总阻抗的10%。为了避免高低压切换时并联电抗器间产生环流，电阻器R0与电抗器L0的电抗值需相等[4]。电阻器与空心电抗器串联作为负载，电阻器和电抗器调整电流。

在测试过程中，分压板连接到主电路后，可以在试品前后两端引出信号，以便于记录电压波形，但为了防止触点断开时对瞬态恢复电压（TRV）的影响，数据采集系统的总电阻应大于25kΩ。并且要确认电弧消失时的过电压不低于试验装置的额定电压，但不能超过试品额定电压的1.15倍，若标准中各参数的允许偏差值未规定，则时间常数的允差为0～20%，功率因数的允差为-20%～0，电流的允差为0～10%[5]。

高压转换装置的设计线路图如图3所示。图中：S为电源，N为电源通信点，R为可调负载电阻器，L为可调负载电抗器，R1为电弧限流电阻器，D为熔丝，P为外壳或测飞弧用钢板，A为待测电器试样，B为调整定波电流的临时连接，O为数据采集系统，V为电压表。

图3 转换高压装置的线路设计图

1.3 大电流低压装置的设计

大电流低压装置由多磁路变压器、自耦式调压器、选相开关和主回路的其他元件构成，内置交流电源。电流数据采集由数据采集系统CY3000D完成，最大试验电流输出瞬时可达200kA以上，长期可达40kA。

2 试验测试系统的数据采集

本设计使用的数据采集系统是一套高频、多通道数据采集系统，能够满足大容量试验室所有数据采集的要求。主要用于大容量数据采集，达到准确记录试验数据的目的，并满足相关标准中对采集系统的要求。本系统由传感器、采集前端、主机、PC四部分组成，将四部分通过连接组成了本系统。

本系统硬件组成主要有：前端柜。用于放置数据采集前端，采集到的电信号通过前端后转换为数字信号，本系统共有2个前端柜；转换柜。用于放置数据采集主机CY3000D及固定采集板以确定采集通道的选择。本设备共有1个转换柜；数据采集前端。用于转换采集得到的电信号，通过前端后转换为数字信号再通过光纤传输至电脑中。本设备共有16个数采前端；PC（计算机）。用于显示得到的数据和保存波形，并将记录以纸质形式传出。

本系统选用的前端分为两种：电压前端和电流前端。电压前端采用了刚性线圈，延长了前端了使用寿命。电流前端采用了加积分器的原理，实现了一次、二次完全隔离，测量范围大，使用方便。主控单元采用双端口SRAM（Static RAM静态存储器）高速传输接口。在系统内增加了外部数据存储器，对数据进行缓冲。存储器选用静态和高速存储器,需要地址译码，才能将数据写入，而先进先出缓冲器读写控制简单，不需要地址译码。

系统软件部分的主要功能是可同时采集最多16路信号，而且各信号之间无相互干扰，采集的数据可储存、调入。试验相关信息设置（包括试验参数、试品型号等信息）做成文件存储和调用。软件有在线和离线的数据分析功能，分析各采样通道的统计参数功能，如最大值、最小值、平均值、峰值、有效值和TRV参数。为方便查看波形，需提供各种光标显示方式，如纵坐标，横坐标和斜光标。通过光标移动，查看某一点的峰值、有效值，两个光标之间的最小值、最大值、积分、焦耳积分、微分、相角、时间间隔及两个光标之间电流信号的合闸相角等。本系统适用于额定电压0～300kV、额定电流0～100KA等级范围内的短路试验。框架结构如图4所示。

图4 框架结构图

采集系统电流传感器的选择：线圈及积分器。优点是，一次、二次实现隔离，量程广，切换监测点便捷。但其缺点是，无法保证非周期分量准确性，该因素将直接导致开断电流非周期性分量误差及峰值误差，即功率因数误差。

采集系统电压传感器的选择：阻容分压器。不能兼作冲击电压发生器的负荷（调波）电容使用，它只供作为测量电压的转换装置之用。低阻尼电容分压器的串联电阻的阻尼很小，它不会影响试验回路产生标准波。

本采集系统具有如下特点：显示操作单元上位机显示，全中文菜单，界面清晰直观，操作简单方便；主控单元选用了功能强劲的CY3000D数据光纤测试系统，可同时采集16路通道；可程控采样频率达到1kHz/CH-500kHz/CH；可程控记录长度1kB～1024kB；实现光电隔离，既能保障系统和工作人员的安全，也能保证采集的不失真性；响应速度快，既可以传输直流信号，又可以传输高频脉冲信号；单向传输信号，寄生电容反馈小；无触点，寿命长。

3 设计装置的分断能力试验验证

为了验证本设计具有良好的分断能力，计划进行以下试验。西门子s7-300PLC、中山市鸿智电气有限公司12kV高压断路器、江西明正变电设备有限公司Gn19-12kV隔离断路器、苏州安泰变压器有限公司多相干式双绕组多励磁变压器。ADD-0305-205直流恒流源、天水长城成套开关股份有限公司、苏州合展电气有限公司柱式点动调压器、江苏雷宇有限公司CY3000D数据采集系统为本次试验选用的重要部件。

Ubc是试验电源电压，Ub是试品熔断后的恢复电压，Ic是预热转换后采集系统获得的电流数据。电流可根据测试要求进行调整，并通过低压侧电流由可编程控制器增加压力进行操作。将试验电流调整完毕后，安装试验试品。通过PC启动预热转换程序，并实现监控、操作功能。操作流程为先给操作断路器发出关合指令，到达预设时间后断路器开断，随后关合高压断路器，直至试品熔断。图5为熔断器分断试验示波图。

图5 熔断器分断试验示波图

熔断器测试结果为：熔丝的过电压未超过规定值；熔断体未损坏到危及操作者及更换困难的程度；）试验后，绝缘电阻=10.6MΩ；无持续燃弧、飞弧或危及周围的任何火焰喷出；分断能力测试时间为67s。经测试，本文设计的试验系统符合GB/T 13539标准，试验测试过程为67s，满足了熔断器的实际测试需要，达到了本文预期的预热转换系统的设计要求。

综上，本文设计的预热转换系统，能够改善熔断器分断能力，在进行试验时符合GB13539标准要求。本设计将数据采集、预热转换器、高低压转换装置和低压大电流装置整合起来，充分满足了预热转换试验对于试验时间长、高低压切换的试验要求，实现主回路和预热回路之间的快速切换，提高了试验成功率，减少了试验的重复次数，符合我国节能环保的政策要求，提升了试验室的经济效益，因此该系统具有进一步研究分析方法应用的价值。