CN101587169A

CN101587169A - 一种断路器状态测试方法

Info

Publication number: CN101587169A
Application number: CNA2009100672205A
Authority: CN
Inventors: 胡晓光; 黄建; 饶培蕾; 林乐亭; 赵殿全; 李大鹏; 刘庆忠; 王兵; 尹玉芳
Original assignee: NORTHEAST CHINA GRID Co Ltd CHANGCHUN EHV BUREAU
Current assignee: NORTHEAST CHINA GRID Co Ltd CHANGCHUN EHV BUREAU
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2009-11-25

Abstract

一种断路器状态测试方法，属于电力系统状态测试方法，测试步骤是在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源，测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压值，通过计算机得出合闸电阻的阻值和投入时间。本发明可以减少很多繁琐的检修测试工具，减少设备重复投资费用，减少了安全隐患。对提高电力系统输电的连续性和高效性，降低设备故障率，提高断路器工作的可靠性有着重要意义。

Description

一种断路器状态测试方法

技术领域：

本发明属于电力系统状态测试方法，涉及断路器状态的测试。

背景技术：

随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，停电事故给生产、生活带来的影响及损失也越来越大，保证电力设备的安全运行越来越重要。因此，对高压断路器实施状态测试，掌握其运行特性及变化趋势，对提高电力系统输电的可靠性、连续性和高效性有着重要意义，日益成为一项重要研究课题。

目前国外一些高压断路器已经配备了状态监测与故障诊断装置，而且产品也在不断的更新与发展，其中有代表性的主要有：瑞典的TM1600/MA61断路器动作特性测试分析系统。该系统由TM1600断路器时间特性测试仪和MA61行程运动测试分析仪两部分构成，可在变电站现场和开关厂等工业环境中测试各种类型的断路器的动作特性；英国Hathaway公司与美国爱迪生电力公司共同研制开发的BCM型开关状态监测系统，可以对开关设备重要参数进行长期连续状态监测，分析变化趋势，及时发现故障前兆。但TM1600/MA61测试仪价格昂贵，且其由两台测试仪组合而成，集成度低，不便于操作；BCM型开关状态监测系统虽然可以长期连续状态监测，但由于在线测试的连接方式及响应的局限性，测试精度不高，只能大致反映出机械特性参数的变化趋势，且价格较高。两型号测试仪均不能测量合闸电阻及其投入时间。

国内许多的高等院校、研究机构及电力运营单位也开始致力于研发断路器的状态测试仪器。目前，已出现了一些高压断路器的机械参数测试仪，能够采集一些基本参量。其中有代表性的主要有：杭州高电科技有限公司生产的CT2002高压开关动特性测试仪；石家庄汉迪电气有限公司生产的QP021BD微机型断路器测试仪；武汉恒新国仪科技有限公司生产的GYKC-4高压开关动特性测试仪以及杭州西湖电子研究所生产的EST-5D高压开关特性测试仪等。

以上所述测试仪主要侧重测试断路器的速度和行程参量，无法测试断路器合闸电阻阻值及其投入时间，而这些参数对断路器运行状态及故障诊断起着重要意义。在断路器动作时，通过断路器合闸电阻的缓冲作用可以抑制断路器产生的操作过电压，提高开关设备的开断能力，降低线路重合闸过电压等干扰，从而避免因内部过电压过高引发绝缘破坏事故，保证电力系统的安全运行。高压断路器在合闸时将有很大的电流流过合闸电阻，在多次动作后，其合闸电阻有可能会因受到电流的冲击而变化或损坏。如果在合闸电阻存在缺陷的情况下，断路器继续投入使用，就有可能会引起高压断路器的爆炸。

因此，为了保证系统的安全可靠运行，DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》要求必须每年检测断路器的合闸电阻变化情况，要求合闸电阻值的变化不大于5％。考虑到合闸电阻热容量问题，对断路器合闸电阻的投入时间也要保持在设计值内。但是，对合闸电阻值的测量长期以来却成为预试工作中的一个难题，由于与断路器的构造和尺寸有关，合闸电阻和投入时间的测量一直未能开展，威胁着电力系统的安全运行。

综上所述，国内外的相关断路器状态测试仪普遍存在着监测参量少，实时性差等缺点，无法全面反映出高压断路器的工作状态。本发明致力于开发实用新型的断路器状态测试仪，弥补传统电力设备预防性实验中关于合闸电阻及其投入时间等项目的空白。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种简便可靠的断路器状态测试方法。

通过研究目前国内外已经使用的高压断路器分合闸参数的测试方法，结合目前在测试仪电路中使用的主流控制器，本项目研究出一种基于AVR单片机的信号采集处理硬件电路，使用各种可靠的抗电磁干扰外围电路。软件方面采用改进的滑动窗口滤波技术对采样信号进行动态测试方法及多重修正。软硬件的良好配合确保可以准确测试出高压断路器合闸时合闸电阻阻值及其投入时间。

本发明基于断路器分合闸的四个状态，通过测试测试一个标准电阻在每个状态时间的电压值，得到合闸电阻的阻值和投入时间。

本发明由以下步骤实现：

1、在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源；

2、测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压值；

3、通过计算机得出合闸电阻的阻值和投入时间。

其中合闸电阻及投入时间的测量及计算方法如下：

图1为一个带有并联电容和合闸电阻的断路器的合闸过程图，其中K₁为断路器主触头，K₂为断路器的辅助触头(与合闸电阻串联)，R₁为合闸电阻，C₁为断口并联电容。合闸的过程如下：图1中(a)为初始状态(断路器处于分闸位置，断路器的主触头和辅助触头均在断开位置)，在(a)位置时，断路器接到合闸命令后约80ms，断路器的状态到达(b)(断路器的主触头在断开位置，辅助触头闭合)状态，此时合闸电阻投入使用，到达(b)状态后约10ms，断路器进入(c)(断路器的主触头和辅助触头同时闭合)状态，此时合闸电阻开始退出使用，到达(c)状态后断路器随即进入(d)(主触头闭合，辅助触头断开)状态，断路器合闸完毕。

断路器的各个元件都处于密闭的容器中，只有在大修时才可能打开，平时无法进行解剖。并且断路器无论处于分闸状态或合闸状态，合闸电阻的触头都是在断开位置，其测量的可行时间只有在合闸过程中图1中(b)状态维持的约10ms左右，在这么短的时间内使用单臂电桥或万用表进行读数是根本不可能的。

鉴于合闸电阻和投入时间测量的特殊情况，本发明采用了合闸电阻动态测试的方法，采用先进的计算机数字采样处理技术，为高压断路器预防性试验提供了简便、安全、有效的测试方法。

测试方案接线如图2所示，其中R₂为标准电阻，E为直流电压源。根据图1的(a)～(d)，列出以下关系式：

当合闸开关触头处于图1(a)时，

U_{R_{2}} + U_{C} = E - - - (4.1)

当U_C＝E时，从式(4.1)得

U_{R_{2}} = 0;

当合闸开关触头处于图1(b)时，

I_{R_{2}} = I_{C} + I_{R_{1}} - - - (4.2)

I_{R_{2}} = \frac{E - U_{C}}{R_{2}} - - - (4.3)

从

I_{C} = - \frac{d U_{C}}{dt} C

可推导出：

U_{R_{2}} (t) = \frac{R_{2} E}{R_{1} + R_{2}} (1 - e^{- \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C} t}) - - - (4.4)

T＝t₁-t₀ (4.5)

I_{R_{1}} = \frac{U_{C}}{R_{1}} - - - (4.6)

当t＝0时，U_C(t)＝E。当处于图1(c)和(d)时，

U_{R_{2}} = E - - - (4.7)

的变化曲线走势如图3所示，其中t₀为断路器进入图1中(b)状态的时间，而t₁为断路器由图1中(b)状态转入图1中(c)状态的时间，其中的

分别为在图1中(a)，(b)，(c)的稳定值。

可见，图3中的

电压变化曲线图可以给我们提供(4.4)式中的3个参数

E和t。而该式中的其余参数R₀，C为已知参数，因此我们通过解(4.4)式就可以得到合闸电阻R₁的阻值，通过解(4.5)可以得到合闸电阻R₁投入时间。

合闸电阻和投入时间数学模型的完善：

(1)并联电容对测试回路影响的修正

假设稳定值

U_{2 R_{2}} = U_{R_{2}} (t^{'}) = \frac{R_{2} E}{R_{1} + R_{2}} (1 - e^{- \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C} t^{'}}),

而当t→∞时，

U_{R_{2}} (\infty) = \frac{R_{2} E}{R_{1} + R_{2}},

则

U_{R_{2}} (\infty) - U_{R_{2}} (t) = e^{- \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C} t} .

代入一个合闸电阻的估计值R₁＝400Ω，标准电阻的阻值R₀＝420Ω，并联电容的电容值，可以知道当t＝1ms的时候有：

U_{R_{2}} (\infty) - U_{R_{2}} (t) = e^{- 3900} < 10^{- 10}

也就是说，当t＝1ms的时候，在模型中

已经无限接近

因此将

U_{R_{2}} (t) = \frac{R_{2} E}{R_{1} + R_{2}} (1 - e^{- \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C} t})

修正为

U_{2 R_{2}} (t) = \frac{R_{2} E}{R_{1} + R_{2}}, (t_{0} < t < t_{1}),

也就是说可以把电容对整个测试回路的影响忽略不计，则

R_{1} = \frac{U - U_{2 R_{2}}}{U_{2 R_{2}}} R_{2},

因为

U = U_{3 R_{2}},

所以

R_{1} = \frac{U_{3 R_{2}} - U_{2 R_{2}}}{U_{2 R_{2}}} R_{2} .

(2)对直流电压源内阻的修正

由于在以上的模型中所使用的直流电源为理想电源，事实上我们使用的任何电源都有内阻R_ξ，因此应该考虑R_ξ的影响。经过推算可得：

R_{1} = \frac{(\frac{R_{2} + R_{ξ}}{R_{2}}) U_{3 R_{2}} - (\frac{R_{2} + R_{ξ}}{R_{2}}) U_{2 R_{2}}}{(\frac{R_{2} + R_{ξ}}{R_{2}}) U_{2 R_{2}}} = \frac{U_{3 R_{2}} - U_{2 R_{2}}}{U_{2 R_{2}}} (R_{0} + R_{ξ})

其中R_ξ可以通过电源外接不同电阻，并测量其电阻值列方程组算出，在此不做推导。

(3)对系统干扰电压的修正

由于现场测试环境及条件所限，在进行测试的时候不可能在全站停电的条件下进行，因此测试必然会受到干扰电压的影响。事实上，从我们现场录到的波形来看，干扰是的确存在的，

的电压曲线，也并不是只存在直流量，而是直流量与干扰交流量的叠加。因此必须将所录波形中的直流分量提取出来，进行计算分析

(4)对测量仪器零漂的修正

由于模型中的

的电压在合闸前为0，但在实际的现场测量中，由于测量仪器受干扰影响容易产生零漂现象。出现这种情况的时候，整个测量波形会被加上一个值为

的垂直位移，因此为了消除零漂的影响将公式

R_{1} = \frac{U_{3 R_{2}} - U_{2 R_{2}}}{U_{2 R_{2}}} (R_{0} + R_{ξ})

修正为

R_{1} = \frac{U_{3 R_{2}} - U_{2 R_{2}}}{U_{2 R_{2}} - U_{1 R_{2}}} (R_{0} + R_{ξ}) .

本公式中使用的所有计算变量都为经过数据处理后的数据。

本发明装置同时配备了大容量flash和大尺寸液晶屏幕，方便了数据存储和显示，外扩了键盘接口和微型打印机，测试结果可随时查阅打印分析。这为电力设备测试的便携性和可靠性提供有力的保证，符合目前电力设备优化状态测试的重要内容和发展方向。

本发明采用集成化的设计理念，分别采样处理断路器动作时触点状态、线圈电流和合闸电阻等断路器的关键状态信息，集检测与智能诊断一体化，全面反映了高压断路器的状态参数，为断路器的检修操作提供合理建议。

(1)研究出合闸电阻动态测试的方法，利用先进的微处理器数字采样及处理技术，实现合闸电阻及投入时间的精确测量，避免因内部过电压过高引发绝缘破坏事故。

(2)利用硬阈值和软阈值结合的改进Mallet离散小波变换处理方法对线圈电流信号进行分析，提取出主要特征参数，快速准确计算出待检测的参量。

本发明同时具备抗干扰能力强，满足严酷的工业等级B标准，同时接线简单，操作方便，系统集成度高，具有数据打印功能，方便检修人员对测试结果进行比较和分析，把握断路器性能的变化趋势，以便及时提出维修方案，符合目前电力设备优化状态测试的重要内容和发展方向。

本发明可以减少很多繁琐的检修测试工具，减少设备重复投资费用，节省不必要的开支，大大减少断路器维修和检测的费用。考虑到每个变电所有几十台断路器，如果广泛应用该设备，每年节省的维修和检测费用是相当可观的。间接效益是弥补了国产断路器检测仪无法实现合闸电阻的测试空白，减少了安全隐患。对提高电力系统输电的连续性和高效性，降低设备故障率，提高断路器工作的可靠性有着重要意义。因此该发明成果具有广阔的市场前景和巨大的应用意义。

附图说明：

图1为合闸电阻工作过程图；

图2为合闸电阻及投入时间测试方案图；

图3为标准电阻电压变化曲线图；

图4为监测仪硬件电路结构。

具体实施方式：

状态测试仪以ATMEGA128单片机为主控CPU，它负责整体的信号采集、处理和各种接口控制。ATMEGA128单片机外接的12位AD转换器，配合传感器实现对电压、电流等信号转换，AD转换器连接信号调理器，经改进的滑动窗口滤波算法修正、补偿后存储于flash，以备查询打印分析。液晶为320*240低温液晶，可以工作于-30℃，提供各种数据的实时显示，并且提供了丰富的人机交互菜单。设计中所采用的flash主要用来存储数据、测试设备及日期。测试仪带有232串口插头，方便与PC机进行通信，为上位机软件开发提供接口；日历PCF8563主要用于记录监测日期，作时间基准。

在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源，标准电阻连接信号调理器，测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压值，通过主控CPU得出合闸电阻的阻值和投入时间。测试仪通电后，首先对端口输入、输出方式进行定义并对液晶模块进行初始化，然后对系统需要用到的SPI同步通信接口、flash模块及其文件系统、UART异步通信接口、定时器、看门狗等进行初始化。从flash中读取需要进行测试的设备编号(对设备的查询、新建等操作管理在打开文件中完成)，然后控制各传感器继电器吸合，开串口中断及全局中断，并对AD采集系统进行初始化。由中央处理系统向AD采集系统发送采集命令，然后控制断路器进行合闸操作，当定时采集完毕后，AD采集系统向中央处理系统传输数据，然后由中央处理系统进行数据处理，并将处理后的数据保存到flash中，然后调用合闸电流、触点状态、合闸电阻等波形曲线及测试数据。分闸操作亦然。

Claims

1、一种断路器状态测试方法，包括以下步骤：

(1)在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源；

(2)测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压值；

(3)通过计算机得出合闸电阻的阻值和投入时间。

2、根据权利要求1所述的测试方法，其特征是合闸电阻和投入时间数学模型的完善包括如下步骤：

(1)并联电容对测试回路影响的修正；

(2)对直流电压源内阻的修正；

(3)对系统干扰电压的修正；

(4)对测量仪器零漂的修正。