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真空断路器弧后介质恢复试验装置

来源:画鸵萌宠网
低压电器(2011No.2) ・检测技术・ 真空断路器弧后介质恢复试验装置 胡成博 , 王振兴 , 耿英三 , 严 鹏’, 孙保军 (1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西西安71 0049; 2.开封供电公司,河南开封475000) 摘要:介绍了以PIC系列微控制器为核心搭建试验装置,在电弧电流熄灭后的 100 Ixs内,控制高压脉冲电源输出连续亚 s级高压脉冲;测试开关电器的弧后介质恢 复特性。试验结果证明该装置能满足设计要求。 胡成博(1984~), 关键词:真空断路器;介质恢复;试验装置 男,硕士研究生,研 中图分类号:TM 561.2文献标志码:B文章编号:1001-5531(2011)02-0050-05 究方向为智能化电 器。 Dielectric Recovery Experiment Device after Arc Extinction for Vacuum Circuit Breaker HU Chengbo ,WANG Zhenxing ,GENG Yingsan‘,YAN Peng ,SUN Ba ̄un (1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi’an Jiaotong University, xi’all 710049,China;2.Kaifeng Power Company,Kaifeng 475000,China) Abstract:Taking PIC rnicrocontroller as the key,the experiment device was established.After 100 s when arc current extinguished,the high voltage pulse power was controlled to output continuous submicrosecond high volt・ age pulse,in order to test the dielectric recovery characteristic after the are extinction of switching apparatus.Exper— ment results proved that the device could fulfill the design requirements. Key words:vacHnm circuit breaker;dielectric recovery:experiment device 0 引 言 装置的电磁兼容性能提出了较高的要求。 本文介绍一种基于PIC单片机控制的装置, 真空断路器开断电路后,触头间隙中存在金 可通过设置试验参数来改变各断路器动作时间, 属蒸气、残余的等离子体、金属液滴等粒子…,且 实现精确时序的动作配合,并在检测到电弧电流 这些粒子的扩散时间常数通常都在 s级 ,给 过零后精确触发的高压脉冲群,对弧后真空介质 研究弧后介质恢复特性的工作带来了很大难度。 恢复特性进行研究。另外,试验回路通过调节电 研究介质恢复特性,通常使用电弧电流过零后施 容器组充电电压,可进行不同电弧电流下的介质 加电脉冲的方式。FaTal等 采用峰值100 kV, 恢复试验。为了提高电磁兼容性能,保护试验人 上升时间0.2/.Ls的单电压脉冲;Yanabu_4 采用峰 员及设备,装置采取了一系列电磁屏蔽措施,并加 值150 kV,上升时间1.2 s的雷电冲击脉冲; 入延时断电自保护装置。经试验证明,该装置能 Schade等 采用上升率约为30 kV/ ̄s的电压脉 满足试验控制要求。 冲,这些方法采用的电压脉冲均在 s级。一般来 说,介质恢复过程会受到电压脉冲的影响,如果采 l 试验回路及程序流程 用更快前沿的电脉冲,将减小电压脉冲对介质恢 该试验使用电容器组作为电流源,电容器组 复的影响,获得更准确的介质恢复特性。但是,更 C。的充电回路使用市电充电,通过调压器TD2和 加陡峭的高压脉冲上升沿和连续脉冲群也给控制 升压变压器T1来调节充电电压,充电电压为 王振兴(1983一),男,博士研究生,研究方向为电器智能化理论与技术。 耿英三(1963一),男,教授,博士生导师,研究方向为电器智能化理论与技术及电器计算机辅助设计与仿真。 一50— ・检测技术・ 低压电器f2011No.2) 0~1 000 V范围内可调。回路中,使用全波整流 桥VD1对交流电进行整流后给电容器组C。充 电。通过对充电电压的调节,可在不同电流下进 (过零中断程序开始) ● 开肩电流过零中断 ● 开启定时器中断 设定初值丌始计时 行介质恢复试验研究,如图1所示。 图1 电容器组C,充电同路 介质试验电路如图2所示,试验使用电容器 组c 与电抗器 组成LC振荡回路,提供固有频 率为工频(50 Hz)的电流,QF1与QF2为永磁操 动机构的真空断路器,QF为真空断路器试品,操 动机构也为永磁机构。初始状态下,QF2为分闸 状态,QF1、断路器试品均为合闸;VIS为高压脉冲 发生器;电容分压器CVD采集试品两端电压值, 罗氏线圈RC采集试品回路电流,并接示波器观 察和记录。 —— ——一 J——— C 一 RC OF3\ T, c [ n 丫一 2介质恢复试验回蹄 试验流程是:QF2合闸,开始LC振荡,在中 产生工频电流;同时,打开断路器试品电流过零检 测中断,延时T1;断路器试品分闸,开断电流并产 生电弧,延时r2,QF1分闸,将振荡回路等断路器 试品隔离,如图3所示。 同时,罗氏线圈RC采集断路器试品电流信 号,并通过过零检测电路上传给单片机,当电流向 上过零时,过零中断程序开始,即打开定时器中 断;定时器计时溢出后,触发定时器中断程序,即 触发高压脉冲,对试品进行高压连续脉冲探测试 验 主断路器QF2合闸 产生工颁正弦振荡电流 + l 延时 . ● l试验断路器QF分闸 (定时器中断程序开始: l 对电流进行托弧 ● //\\N 位正确 l 延时T2 \/ ● ‘Y I『保护断路器QF1分闸  触发高压脉冲 切断电流源 关闭定时器中断 J 厂i; 图3试验流程图 2 试验控制电路设计 根据试验流程,对控制电路有以下要求:①对 保护断路器QF1、主断路器QF2,试品QF的永磁 操动机构进行高精度的准确控制;②对试品电流 测量,并精确检测电流过零点;③过零后,精确控 制触发脉冲群时刻;④对控制装置进行电磁兼容 方面的改进。 介质恢复试验控制电路包括5个部分:控制 芯片、断路器控制、人机交互、外部输入量采集和 高压脉冲触发;此外,试验电路还进行了提高电磁 兼容性的改进。试验控制电路如图4所示。 数码管 显示及键温 键盘显示驱动ZLG7289A 控制芯片 PIC16F877A 高压脉冲发生器 图4控制电路结构图 51— 低压电器(2011No.2) ・检测技术・ 2.1控制电路 2.1.1控制芯片 分别为线圈通电时间、续流时间,为多次试验获得 的经验值。 断路器试品FQ采用集成控制模块进行驱 考虑到试验的控制精度要求及高频电压脉冲 造成的复杂电磁环境,控制电路选用性能稳定、抗 干扰能力强的PICl6 77A微控制器作为控制芯片。 PIC微控制器工作在HS工作模式下,外接 20 MHz的有源晶振,能满足断路器及脉冲触发时 动,在分、合闸信号端分别输人高、低电平,即可完 成控制。 试验中,要实现3个断路器精确的时序配合, 主要是控制好各个断路器启动时间,即延时 。和 对精确控制的要求。PIC16F877A自带丰富的外 围设备,为提高试验控制精度和可靠性创造了条 件:①使用16 bit硬件定时器,在电弧电流过零后 准确触发高压脉冲;②在过零检测部分使用RB 电平变化中断功能;③E PROM用于存储试验参 数,使其复位后不丢失;④硬件看门狗模块能使 PIC单片机跑飞或死机后自动复位;⑤提供A~E 共5组的I/O端口,能满足试验控制电路设计需要。 2.1.2断路器的控制 QF1和Qr2分别为2个永磁机构操动的 40.5 kV真空断路器。试验采用IGBT来控制分、 合闸线圈回路的通断,实现对QF1和Qr2的控 制。分、合闸线圈的电感较大,直接关断会造成较 大的的操作过电压,对电力电子元件造成损坏,故 要对断路器进行控制,如图5所示。图5中,1、2、 3为单片机控制信号输入端;VT1、VT2、VrI’3分别 为分闸IGBT、合闸IGBT和总路IGBT;电力二极 管VD1和电阻 组成续流通道。 VT2 合闸IGBT 合闸线圈 图5 IGBT断路器控制驱动电路 分(合)闸动作分为3个时序动作:①同时接 通分(合)闸IGBT和总路IGBT,对分(合)闸线圈 通电,使机构开始运动;②通电 后,进入续流阶 段,关断总路IGBT,此时线圈中电流反向;③续流 ,关断分(合)闸IBGT,完成整个动作。 、 一52一 。在程序设计中,由于一级ms级精度不能满足 试验控制精度要求,因此,对7'l和 采用了两级 精度调节,第一级精度为1ms,第二级精度为 20 s。 2.1.3人机交互 人机交互部分用于实现参数设定、指令下达、 设备状态显示等功能。本试验控制板的人机交互 部分使用ZLG7289A芯片驱动的8 bit LED数码 管及键盘阵列。ZLG7289A采用SPI串行接口与 PIC单片机通,占用单片机I/O端口较少(4个)。 另外,LED数码管结构简单、抗干扰性强、性能稳 定、不易被高压脉冲干扰,能够满足试验需要。 2.1.4外部输入量采集 试验中,使用罗氏线圈RC对试品电流进行 测量;通过过零检测电路,将电流信号转化为方波 过零信号,并传送给微控制器,触发电平变化中断 程序;采用LM339电压比较器组成过零检测电 路,电路中通过 ,和 、 和月 两路分压电阻, LM339对分压结果进行比较,并以高、低电平给 出比较结果。试验前,可通过电位器R 调节比较 电压,使电路在过零点前、后不同的位置触发。由 于该电路用于检测正向过零,二极管VD2用于将 反向电压信号接地,稳压管VD5用于稳定输出过 零信号高电平,使单片机能有效接收信号,如图6 所示。 2.1.5高压脉冲触发部分 本试验使用的高压脉冲发生器最高输出电压 为100 kV,输出电压最大值在30—100 kV可调; 输出脉冲的频率可在1~2 050 Hz调节;输出电 平为负脉冲,在负载为100 kn时,脉冲前沿小于 90 ns;连续工作时间可在0.1~10 S设定;除了手 动触发外,也可在外触发信号1TrL电平的作用下 进行同步触发。 在电弧电流过零点,触发微控制器的电平变 化中断程序后,微控制器内置16bit硬件定时器 ・检测技术・ 图6过零检测电路 开启计时,计数范围为0~65 535。微控制器使用 20 MHz晶振,定时器计时周期T=0.2 s,计时范 围为0~13 ms,即可调精度为0.2 s。 2.2电磁兼容 由于高压脉冲产生复杂电磁环境,故采用多 方面措施进行电磁防护,以保证试验的顺利进行。 (1)控制装置置于金属屏蔽盒中,屏蔽盒接 地; 桀 琶他;∞B ∞H巧 町丌cGr一 瑚l I (2)在控制板上,试品断路器控制信号输入 端使用光耦隔离; (3)控制板与QF1、QF2、试品断路器QF控 制模块、罗氏线圈、示波器之问使用同轴屏蔽电缆 连接; (4)控制板与高压脉冲源控制信号输入端使 用光纤传输信号; (5)连续脉冲触发后,为了防止芯片出现打 死、跑飞情况,造成连续脉冲不能及时停止而给设 备及人员带来危险,使用机械延时继电器搭建延 时断电自保护装置。 脉冲触发时,单片机向自保护装置发出计时 信号,装置中的延时继电器开始计时并锁存计时 信号;预设的计时时间到达后,保护装置将单片机 电源切断,强制停止脉冲信号并自锁当前状态,以 此保证电磁干扰下单片机若进入死循环,脉冲群 不会继续触发。 延时断电自保护装置电路如图7所示。图7 中,En为计时信号输入端,光耦u1用于隔离;光 耦u2锁存计时信号,防止计时结束前有误操作 信号使断路器重新计时;延时继电器使用ULN2003 驱动,从获得计时信号起开始机械计时,计时结 束,即断开继电器1~9通路,单片机电源断开;同 低压电器(2011No.2) E0 U2 图7延时断电自保护装置 时,继电器8~12接通,自锁当前继电器状态;试 验结束后,使用双路双向解锁按钮切断直流电源, 自保护装置恢复初始状态。 3 试验结果 使用该试验装置,对2种触头材料(Cu和 CuCr25)的弧后介质进行恢复试验。 采用Cu触头,触头间隙约为12 1Tim时的试 验示波图如图8所示。图8中,△ 为过零点至脉 冲触发时的时间间隔,△r,为0—13 ms可调,调节 精度为0.2 s。电弧在半波后熄灭;电流半波过 零后,高压脉冲被精确触发。 图8试验结果波形图 开断1 500 kA电流(峰值)时,Cu和CuCr25 触头材料介质恢复特性试验结果如图9所示。 图9中,在电流过零后10~60 s期间,cu触头材 料击穿电压从50 kV上升至8O kV,CuCr25触头 材料击穿电压从70 kV上升至90 kV;Cu材料的 击穿电压约为81.2 kV,标准差为6%;CuCr25材 料击穿电压约为69 kV,标准差为10%;CuCr25 击穿电压比Cu的高17%。总之,2种材料的击穿 电压差异并不大。使用本试验装置,共进行介质 一53一 低压电器{20UNo.2) ・检测技术・ 4 结 语 综上所述,基于PIC16F877A微控制器的介 质恢复试验装置完成了多脉冲试探法研究真空弧 后介质恢复特性的试验。该试验装置对断路器时 序动作的控制和高压脉冲群的触发较为稳定,燃 弧、熄弧及脉冲控制精确,并可通过参数设置调 整,电磁兼容性能良好,能够满足设计要求。 图9 Cu和CuCr25触头材料介质恢复特性 【参考文献】 恢复试验5组(每组20次),总计100次试验,动 王季梅,李宏群.真空电弧过零熄灭后介质恢复过 作情况如表1所示。 程的测试[J].电工技术杂志,1984(4):1_3. 表1试验装置故障情况表 刘志远,王季梅.真空灭弧室开断交流电流的物理 试验装置动作情况 次数 过程和开断能力的数学评估[J].高压电器,1999 二l]J  1J]机构动作失误 (1):7一l0.J ]J 1』 RICH J A,FARRALL G A.Vacuum arc recovery 机构动作但未触发脉冲 phenomena[C]∥Proceedings of the IEEE,1964,52 机构动作但仅触发一次脉冲 (11):1293-1301. 延时断电自保护未能动作 MATSUO T.Insulation recovery characteristics after current interruption by Val3OUS vacuum interrupter elee— 由表1可知,试验装置机构动作、脉冲第一次 trodes『J].IEEE Transactions on Dielectrics and Elec— tifcal Insulation,2006,13(1):10.17. 触发及延时断电自保护动作的控制较稳定;机构 SCHADE E,DULLNI E.Recovery of breakdown 动作但仅触发一次的偶尔失误主要是由第一次脉 strength of a vacullnl interrupter after extinction of hi曲 冲触发带来的强电磁干扰造成的。总之,控制装 currents『J].IEEE Transactions on Dielectrics and E— 置的电磁兼容性能够满足试验要求。 lectfcal Insulation,2oo2,9(2):207-215. 收稿日期:2010—09—09 (上接第36页) 2002:1—10. 【参考文献】 李晶,窦伟,徐正国,等.光伏发电系统中最大功率 [1]苏玲,张建华,王利,等.微电网相关问题及技术研 点跟踪算法的研究[J].太阳能学报,2007,28(3): 究[J].电力系统保护与控制,2010,38(19):235 268-273. 239. 周念成,闫立伟,王强钢.光伏发电在微电网中接 [2] 余涛,童家鹏.微型燃气轮机发电系统的建模与仿 人及动态特性研究[J].电力系统保护与控制, 真[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):27.31. 2010,38(14):l】9一l27. 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