高压大容量合成回路试验系统研究

 1.引言
      高压合成回路是一种用于高压断路器分断能力试验的经济有效的试验装置。关于合成回路试验的等价性，在IEC标准中已经得到确认。目前，随着特高压电网建设的重要性日益突出，特高压电器设备的研制和试验技术研究也成为日益关注的对象。因此，对大容量合成回路试验系统研究，以提高目前大容量试验室的设计技术水平，满足技术与市场不断发展的要求，使我们在此领域保持技术领先的地位，对今后发展的经济性、社会影响力等都有重要的意义。
       在本项目中，我们在现有的大容量合成回路试验室基础上，对高压大容量合成回路试验系统进行了充分的研究，并利用现代电子设备迅猛发展的优势，如计算机、PLC、时序控制器控，计算机数据采集系统的测量，以及电气联锁等安全保障系统，对大容量试验室的设计进行了部分改进，使今后的大容量试验室控制可靠、方便，测量准确，同时，保证试验的安全性和试验结果的精确性，提高大容量试验室的整体水平。

2.高压合成回路试验原理及主电路
        一般电力开关电气由于断流能力很大，不能直接在电网上进行试验。高压合成回路则是一种经济有效的试验装置。由于断路器在分断过程中具有电流和高电压不同时出现在弧隙上的特点，故可将大电流和高电压先后加在断路器上进行试验以模拟实际情况。高压合成回路试验，已经成为试验各种断路器分断能力的一种重要方法。
        高压合成回路试验主电路图如下，系统采用2个独立电源（A：低电压大电流的电流源，Q，高电压小电流的电压源）以代替真实试验中的高电压大电流源。电路中设备有:A—大电流源充电变压器；B—大电流电容器组接地泄流开关；C—大电流电容器组；D—大电流充电隔离开关；E—大电流调谐电抗；G—放电管短接开关；H—辅助断路器；I—试品；J—TRV波形调节网络；K—TRV网络接地开关；L—高电压调谐电抗；M—触发间隙；N—高电压电容器组；O—高电压电容器组接地泄流开关；Ｐ—高电压充电隔离开关；Ｑ—高电压源充电变压器；Ｒ—主接地点。

       在进行合成回路试验时，先断开接地刀B、K、O，然后接通D、P分别给电容器组C、N充电，充电完成后断开D、P，合H，在电流即将到达电流零点时，通过触发间隙点火。相应的试验电流趋势如下：
 

3. 高压合成回路试验控制系统研究与改进
        传统的合成回路试验控制系统采用继电控制线路，所用元器件多、结构复杂、可靠性差、占用空间大、成本高、且不便于维护与调整。由于继电器元件本身的特点，试验中也很难对电路开关元件和试品元件间的时序配合进行准确、灵活的控制。试验结果的分散性很大，在很大程度上，需要依赖试验人员的经验与感觉进行调整。这样落后的控制系统对设备、资源和时间造成极大的浪费，与日新月异的控制技术发展背道而驰。在本项目中，我们对控制系统进行了改造，将原有控制系统改为基于PLC的控制系统，并在此基础上增加了上位监控计算机等设备，使试验过程更直观、可靠，并使得未来的升级改造工作更加灵活便利。
      在改进方案的选择上，我们就基于单片机的微机控制系统与基于PLC的控制系统进行了分析与比较。单片机系统价格低廉，运行速度快，使用灵活，但编程难度大、可靠性差、通讯及扩展功能限制多。PLC则具有一般微机控制的特性，编程方便，模块化的设计便于维护及改造，可靠性高。虽然短期成本远高于单片机系统，但从长期的维护和更新角度考虑要优于单片机系统，因此选用后者作为控制系统改进的核心。控制系统框图如下：

         系统采用了西门子S7-300系列PLC，选用该系列的CPU315-2PN/DP作为控制核心部件，选用2个16点的SM321数字量输入模块,1个16点的SM322数字量输出模块,1个8点的SM331模拟量输入模块。由于开关电器的操作线圈容量较大，超过PLC直接驱动能力，并考虑到开关电器操作线圈对电压要求的多样性，采用继电器作为输出中继。考虑到试验时序对时间的要求，输出部分与时序有关的继电器均选用了固态继电器。由于PLC输出端连接的大多为电磁线圈，为了抑制关断过电压，在对应的PLC输出端增加了阻容吸收保护电路。
      上位监控计算机组态软件选用西门子WinCC，用户通过组态软件可以看到试验回路的情况，并可在上位机上模拟或直接控制试验进程。组态软件通过以太网接口与PLC进行通讯，采集从PLC处传来的数据，并通过PLC控制试验情况。
      PLC控制合成回路试验的基本操作程序流程图如下：

4.高压合成回路试验数据采集系统设计
        试验数据的采集与处理与试验原理和回路等同样重要，如果无法及时准确采集到有效的数据并进行分析与处理，试验也就失去了意义。随着计算机技术的飞速发展，数采系统也在采集速度、抗干扰性、数据精确性等方面不断发展和进步，国内外如研华、Nicolet，Yokogawa，NI等数采厂家也都在不断提供更快更好的产品。由于原有数据采集系统在速度、精度各方面都远为落后，本项目基于NI公司的LabView（Laboratory Virtual Instrument Engineering）虚拟仪器编程开发平台及数据采集卡对高压大容量合成回路试验系统的数采系统（DAQ）进行了重新设计。
       数采系统结构框图如下及软件结构图如下：

         本系统采用PCI—6014数据采集卡，它可以与带有PCMIA接口的计算机想连，提供了10路单端/5路差分模拟输入，2路模拟输出，8路数字I/O和16bit的数模转换精度及两个24bit定时/计数器，最小采样频率为200KS/s。采用DAQmx来驱动数据采集卡，其中DAQm包括支持200多种NI数据采集设备的驱动，并提供相应的VI函数。本系统中所有数据采集、发生程序都是利用DAQm函数来完成的。
        根据测量要求的不同，采集方法可分为缓冲采集、实时采集和定时采集3种。这3种方法可以满足一般实验数据采集的要求。由于高压大容量合成回路试验的特征，本系统采用的是缓冲采集的方式，以满足高速采集的需要。
       系统以模块为实现虚拟仪器的数据采集系统的基本单元，PC机的显示与分析部分是整个系统的用户界面，而基于虚拟仪器的控制系统的突出特点就是把传统的仪器控制面板变成了计算机和一个图形屏幕组成的软面板。在这个面板下可以实现整个系统操作界面所需的全部功能。显示和分析的全部数据来自于PCI板卡的数据采集，在采集数据显示模块中，首先对系统参数进行设定，然后开始数据采集，采集结束后实现采集数据的显示。

5. 结论
       高压大容量合成回路试验的重要性日渐突出，本文通过对试验原理及线路的学习和研究，对高压大容量合成回路试验有了进一步的了解，为今后高压大容量合成回路试验室的设计与建设打下了基础。同时，鉴于控制技术日新月异不断发展的现状，在本项目中，对传统基于继电器的控制回路进行了改造，以满足随着技术不断发展对试验稳定性、可靠性及精确性各方面提出的要求。同时，在对高压合成回路试验数据采集系统研究的基础上，本项目设计了一套基于NI虚拟仪器及数据采集卡的数据采集系统，以有效高速的采集试验中的各种数据。然而，我们对高压大容量合成回路试验的研究，在很大程度上依然停留在了解的深度上，对试验中主要设备如点火间隙、充放电装置及关键参数计算等基础性知识缺乏深刻理解与研究，而只有在这些方面有所突破，我们对高压大容量合成回路试验的技术掌握才算全面。因此，虽然我们在高压大容量合成回路试验的研究中取得了一定进展，但仍有许多关键性的问题亟待解决，需要继续进一步的进行深入研究。