(河南省高压电器研究所 河南平顶山 467001)
摘要：测试系统是高压电器大容量开断试验的眼睛，由性能先进的瞬态记录仪、选型合适的电流及电压传感器、通讯通畅的信号传输系统搭建而成，在高电压、大电流、强电磁干扰环境下，仍能够精确触发、准确采集试验数据，并依据JJF1059-2012《测量不确定度评定与表示》和GB/T 16927.4《高电压和大电流试验技术 第4部分：试验电流和测量系统的定义和要求》进行测量不确定度评定，评定结果能够满足STL技术报告中对容量试验测试系统精确度的要求。该测试系统顺利完成252Kv GIS、550kV断路器、开关柜等几十种典型产品的大容量试验，运行稳定可靠。
关键词：大容量试验；测试系统；瞬态记录仪；STL技术报告
中图分类号：TM83
0 引言
高压电器容量试验设备极其复杂，在试品开断电流瞬间，涉及起弧、熄弧等一系列复杂的热学、电学及化学变化，至今都没有明确的机理研究[1-5]，但试品开断能力有明显的累积效应，任何一次容量开断试验均瞬时完成且不具备可重复性。那么，测试系统就必须保证能每一次都精确触发、准确采集数据，才能保证试验质量，避免不必要的损失。在容量试验中，无论对试验回路成功与否的判定，还是对试品性能的最终评价，都依赖于测试系统所提供的电压、电流及频率、通流时间等参数的测试数据。由于容量试验的特殊性，也就决定了测试系统的特殊要求，归纳起来，大容量试验测试系统具备可要靠性高、待测信号多、数据量大、瞬间测量、强电磁干扰环境等特点。
1 测试系统框架组成
大容量试验电压测量范围从几伏到一千多伏，电流测量范围从几安培到几百千安，测量带宽从几赫兹到几十千赫兹，往往开断过程中产生的不是单一频率的信号，而是混频信号，持续时间几微妙到几十微妙。试验过程中需要测量的参量有几十个，包括试品、试验回路、试验设备上的电压电流、试品和辅助断路器分合闸线圈上的电压和电流、试品的机械特性曲线、试品的断口参考电压、压力和电弧电压等等，测量的地点遍布试验回路，检验报告上需要提供的波形有十几类。
搭建的测试系统，必须满足上述参数的测试要求，而且得满足安全隔离、抗强电磁干扰环境、准确采集试验数据和处理数据的特殊要求，这些技术涉及到数字化采集系统硬件技术、虚拟仪器软件技术、传感器技术、光纤传输技术及抗共模干扰技术等。从分散的试验回路测量区，到电压电流转换柜，再到测量前端，进入瞬态记录仪主机，最后到上位机显示，形成一个测试系统，本试验站采用了两套瞬态记录仪，其结构框架如图1所示。
图1 试验站测试系统框架示意图
2 瞬态记录仪
SATURN瞬态记录仪是大容量试验测试系统的核心[6]，由硬件和软件两部分组成。硬件由主机和配套的测量前端组成，测量前端和主机之间、主机与上位机之间依靠光纤传输通讯数据，上位机依靠测量软件来显示测试数据和处理数据，通过软件开发，可以直接生成波形图和检验报告。软件处理数据的精度依据STL TR1技术报告提供的TDG（test data generator）标准波形来检测。
2.1 硬件配置
SATURN瞬态记录仪是一款基于cPCI架构的模块化多通道的采集系统，专门针对运行于苛刻电子类环境条件下。主机内部集成了工业级的CPU模块，通过cPCI总线对所有部件进行控制。配置有3个数据管理板卡，管理板卡均联结至同步总线，用于所有通道的数据同步和触发同步。每个管理板卡配备两个模块插槽（A/D、D/A、模拟、数字或光纤模块），并包含独立的瞬态缓存用于测量数据的采集。
采集单元：16个通道1MS/s数据光纤隔离采集模块，16bit，±100V可调，模拟带宽500kHz（-3dB）；4个通道25MS/s数据光纤隔离采集模块，16bit，±100V可调，模拟带宽25MHz（-3dB）。
2.2 软件配置
瞬态记录仪由于结合了计算机技术，在设计过程和功能方面相比于传统仪器有很大的优势，可以在通用仪器硬件平台上通过软件设计实现测试仪器的全部功能，软件就是瞬态记录仪的核心[7-9]。通过不同的软件开发和设计，可以实现多种功能化的组合。通常来说，测试软件具有控制采集、存储数据、显示数据、读数、生成检验报告等多种功能。软件还提供了开发平台，根据特殊使用要求，用户也可以开发相应的软件功能和算法函数。常见的软件测量界面如图2所示。
图2 瞬态记录仪测试软件测量界面
触发技术在测试系统中有着很重要的作用，能够保证数据能够正确存储，进而分析，显示的关键。触发采集的方式有多种多样，我们需要根据具体得试验方式来选择触发方式和触发的软硬件实现。从触发源上可以分为内触发、外触发；从实现方式上可以分为硬件触发和软件触发；从触发特征上可分为：上跳沿触发、高电平触发、下跳沿触发、低电平触发等；在容量试验过程中，短路瞬间短短几十毫秒，需要设置合适的触发电平信号，在信号到来时马上启动采集，记录数据。这功能是通过比较器来实现，将信号和触发电平进行比较，通过信号输入端和触发电平端的位置调整，可以实现正/负穿越触发。具体的模拟电平触发和数字比较触发见图3。
图3 常见的模拟电平触发和数字比较触发原理图
测试软件的试验报告编辑功能强大，可以根据报告者的设计意图和试验要求，任意组合和添加试验信息。试验波形、试验数据参数表等重要信息还可以通过数据源进行关联，直接传递到试验报告页面中,报告页面实例如图4所示。
3 传感器选型
3.1 电流传感器选型
大容量试验中电流测量范围从几安培到几百千安，频带从直流到几十千赫兹，短路电流周期分量、非周期分量、频率、合闸相角、时间常数等因素都能影响电流的波形，因此针对不同类型的短路电流，选用量程合适、频带足够宽的电流传感器才能满足准确测量的要求[10]。
低感分流器在本试验站中大量应用，分为圆筒型和扁平型两种，安装于小室进线端和接地端。低感分流器测量短路电流的非周期分量准确，通常用于接地系统，特殊情况下应用于高压端时，必须考虑开断瞬间产生的共模干扰电压对测量采集单元造成的损害，同时也要求测量采集单元具备很强的抗扰能力。容量试验中，受低感分流器本身热容量的问题，不能频繁通过短路电流，也不能长时间通过短路电流，常用在直接试验和合成试验的检测回路中。本试验站中使用的低感分流器主要技术参数：最大短路对称电流有效值70kA（1s，50Hz），非对称最大电流峰值175kA，全电流试验间隔20分钟，标称电阻63微欧，长期稳定性小于1%，锰铜材料制作，重50kg，该分流器在北京与电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心进行了比对试验，比对结果表明低感分流器组成的短路电流测试系统与基于CEPRI分流器的测试系统之间最大偏差不超过1‰。
图4 检验报告页面设计
罗氏线圈及积分放大器电流的测量范围很广，最大测量峰值达300kA，属于非接触式测量，常用于短时耐受和峰值耐受电流试验测量中，比较容易受到干扰，且在小电流测量中误差较大。霍尔传感器常用于小电流的测量，准确度较高。
3.2 电压传感器选型
容量试验回路电压是工频信号，恢复电压是混频信号，持续时间由微妙到几十秒，信号带宽极大，要求电压传感器必须具备从直流、工频到高频的标准雷电波的带宽，响应速度要快，不同频率下的幅值变比要一定[11]。容量实验室常用的电压传感器分电容分压器、电阻分压器和阻容分压器。下面着重介绍下广泛应用于本试验站的阻容分压器，采用RC串联网络来分压，具有电阻分压器低频性能好的优点及电容分压器高频性能好的优点，缺点是高阻低容网络测试复杂，其结构如图5所示。
率无关，通频带能够覆盖直流到雷电波信号，带负载能力强，两台变比一样的分压器可以进行差分，最大测量电压1000kV。在容量试验中，阻容分压器单独使用可以测量回路各点对地电压，配对差分可以测量关键试验点之间的电压。
4 传输系统
传输系统在测试系统中扮演着纽带作用，连接着分布于试验回路的电流、电压传感器和在试验回路区的测量采集单元，可以把传感器二次输出信号通过屏蔽同轴电缆直接回传进瞬态记录仪的采集单元或者在现场进行A/D转换和光电转换后通过光纤把信号传输回瞬态记录仪主机。根据所测量信号的类型，合理选择传输方式与传输通道，避免信号在传输过程中产生干扰、衰减以及波形畸变。
容量试验电流测量用传感器有低感分流器和罗氏线圈及积分器，分流器分布于各个试验间的接地端，且输出信号微弱，通常只有不到5V信号，若通过几十米甚至百米的屏蔽同轴电缆传输回控制室，信号的衰减将会对测量结果产生极大的误差。为避免在传输过程中产生衰减，在现场使用电池供电、且抗强电磁干扰环境的数字光纤测量采集单元，把电信号就地转换为光信号，通过光纤转换柜把信号无畸变无衰减地传输回主控室，显示在测试工程师的上位机电脑上。罗氏线圈及积分器测量电流时，罗氏线圈与积分器配套使用，积分器分为100A、1000A、10kA、100kA四个档位，两者间的传输电缆必须阻抗匹配，积分器输出电压直接进测量采集单元，通过峰值、有效值、非对称分量、线性度等比对试验产生不同档位的系数。
容量试验电压测量用阻容分压器，阻容分压器分布在各试验间进线端和接地端，可以单点对地测量也可以两两差分测量。各测量点的阻容分压器，二次输出信号可以高达几十伏，后面配套输入阻抗高达10兆欧的测量采集单元，可以认为传输电缆近似无衰减。那么，不同测量点的分压器的二次输出线都汇集在电压信号转换柜上，可以直接进测量采集单元也可以硬件差分后再进入测量采集单元。
5 测试系统的测量不确定度评定
检验报告必须对出具的试验数据同时给出相应的测量不确定度，搭建的测试系统根据标准和STL技术导则[12-16]完成了规范化的大容量试验测量不确定度评定。评定采用各组件分别校准评定法，包含4各组成部分：传感器部分，传输系统部分，瞬态记录仪部分，测试软件部分，分别评定各环节的测量不确定度，最后采用合成不确定度评定此测试系统。评定结果满足STL公布的技术指标要求，可以满足大容量试验电流和电压检测的要求。
6 结论
基于瞬态记录仪、多种高性能的电流、电压传感器和传输系统组建的容量试验测试系统，能够满足在高电压、大电流、强电干扰环境下，精确触发、准确采集试验数据，配套的测试软件达到了STL技术报告要求的精度，评定的合成不确定度符合标准测量系统要求，设计的报告界面试验信息丰富、规范、美观。该测试系统完成了几十种典型产品的大容量试验，系统运行稳定可靠。
参考文献
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[16]Short-Circuit Testing Liaison. Guide to the interpretation of IEC 62271-102 first edition 2006 alternating current disconnectors and earthing switches[R].
论文作者:邢文奇,张建新,李彦如,韩德保
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/12
标签：测量论文; 电流论文; 电压论文; 测试论文; 系统论文; 记录仪论文; 信号论文; 《电力设备》2016年第14期论文;