一种低压断路器控制器校验的运用

一种低压断路器控制器校验的运用

王子榕

中广核新能源投资（深圳）有限公司内蒙古分公司  内蒙古呼和浩特  010010

摘要：本文主要介绍了一种低压断路器智能控制器的二次校验方法。利用低压断路器电流互感器采用Rogowski线圈电流互感器，通过对低压断路器进行拆解，利用一次升流实验进行验证，研讨出一种利用控制器二次线的校验方法。

关键词：Rogowski线圈、一次升流、低压断路器智能控制器

The application of low voltage circuit breaker controller calibration

Abstract:This paper mainly introduces a second check method of low voltage circuit breaker intelligent controller. The Rogowski coil current transformer is used to disassemble the low-voltage circuit breaker and verify it with a primary upcurrent experiment. A calibration method using the secondary line of the controller is developed.

Key words: Rogowski coil, primary upsurge, low voltage circuit breaker intelligent controller

前言

市场各断路器厂家控制器维护设备均有专利，并只提供断路器控制器有偿服务，第三方维护厂家一般采用断路器一次升流实验，需将现场断路器拆回才可实验，影响现场发电效率。为此，我们通过对厂家断路器保护采样原理进行分析，利用保护测试仪进行模拟故障，对断路器智能控制器进行校验。

1 主要实验方法确定及原理

1.1试验基本原理

低压断路器脱扣器电流互感器采用Rogowski线圈与集成电路相结合组成的电流互感器。

Rogowski线圈电流互感器的结构如图1：

图1Rogowski线圈结构示意图

Rogowski线圈均匀缠绕在圆环形、非磁性骨架上，被测电流穿过如图一所示的圆环。设该圆环半径为r，骨架截面也为圆形其半径为r，骨架截面也为圆形且其半径为R，则截面面积S=ΠR²。可以证明，测量线圈所交链的磁铁与环形骨架内的被测电流i存在线性关系。

断路器厂家正是基于Rogowski线圈的电流检测原理，将Rogowski线圈与集成电路相结合组成电流互感器，并在工程中得到实际应用。在此基础上提出的基于Rogowski线圈的大电流测量方案。它克服了传统铁芯电磁式互感器因铁芯饱和使测量误差增加的缺陷，扩大了电流测量范围，提高了测量精度，安全、可靠，且在低压电器温升试验中得到了实际应用，

测量精度当r»R时,环形骨架单位长度dL上的小线圈所交链的磁链为dØ为

式中——磁感应强度在测量线圈轴线方向的切线分量

     N——环绕在骨架上的小线圈总匝数

整个空心线圈的小线圈所交链的总磁链为

根据全电流定律，磁场强度H沿仟意封闭轮廓积分等于穿过这封闭轮廓所限定面的电流，即

则有

整个线圈的感应电势

当线圈骨架材料一定，尺寸一定，绕制线圈所用的导线线径一定,且r、N均为恒定值，感应电势e(t)就正比于被测电流ix的微分值。
 

为求得输出与ix的直接线性关系，将线圈输出端与一积分器相连（见图2）。

图2 积分器电路原理图

图中C1与R2为一实际电容器的电容与绝缘电阻等效值,选择绝缘性能良好好的电容器其等效电阻R2的阻值很大e（t）作用在R1上的电流等于在C1及R2上的电流之和，选择合适容量的电容器使得C1的容抗远小于电容器的绝缘电阻，即R1与C1上流过的电流近似

相等，这样.R2对积分器的影响可忽略不计.积分器输出为

（6）

式中：R、C分别为图2中R1、C1的参数。积分器输出u(x)与被测电流成线性关系，只要准确地测量u(x)就可以得出ix值。线圈输出的电信号被积分，实现与一次电流相同的波形输出。这样，线圈和积分器的组合就形成了一个系统，其输出不存在传统电磁电流互感器非线性失真的影响，且有精确的相位响应。

用Rogowski线圈与积分器组成的系统进行电流测量有以下优点：

(1)Rogowski线圈由于不含铁芯，不存在磁饱和与铁磁谐振，克服了电磁式电流互感器频带窄和量程范围小的缺点，且在很宽的测量范围内都呈现良好的线性，其输出幅值与计算机测量系统的A/D转换芯片的要求相匹配,能方便地与计箅机接口，实现数自化测量，大大改善了测量的准确度和稳定性。

(2)传统的带铁芯的电流互感器测电流时，由于涡流造成功率损耗。而Rogowski线圈是空心线圈，功率损耗极微，因而准确度高。

(3)其输出不再是电流量而是电压量，而且没有二次侧不能开路的限制，极大地提尚了人身与设备的安全。

(4)测量系统与待测电流完全隔离，不会因被测电流过大而受到损害。

(5)积分后的输出为一电压信号波形，准确地表征了被测电流的波形。

(6)因为只有在磁场变化时才会产生电动势，故Rogowski线圈从根本上克服了被测电流直流分量对测量的影响

(7)体积大大减小，重量大大减轻，十分有利于产品的绝缘化和小型化设计。

其原理框图如图3所示：

图3 Rogowski线圈用于低压电器温升试验的原理框图

当被测交流电流通过Rogowski线圈时，感应出电势信号，该电势信号先通过可编程增益放大器放大，放大倍数由单片机来控制，并实现量程自动转换，再通过积分器调整，使输出电压信号和被测电流波形完全一致。最后，经单片机处理转换成相应的电流值显示输出。

其测量过程如下

(1)Rogowski线圈电流互感器将被测电流信号转换成按式(5)电势信号输出

(2)根据需要，将Rogowski线圈输出的电势信号进行放大。从Rogowski线圈感应出的信号相当微弱，当被测信号为5A时，典型的单层绕制线圈输出只有几毫伏，对如此小的输出信号实现高精度测量十分困难。因此，根据放大器的输出值，由单片机控制自动换档，放大从Rogowski线圈感应出来的信号电压；

(3)对Rogowski线圈的输出进行积分后还原出被测电流波形，积分后得到的输出是与被测电流成线性关系的交变电压；

(4)由于采用双积分AD转换，需将Rogowski线圈的输出电势进行放大后再积分，将得到的与被测电流成线性关系的交变电压进行线性整流，其极性与双积分的参考电压极性相反；

1.2 试验基本方法

基于Rogowski线圈电流互感器的这种将电流量转换为毫伏量并与电子电路相配合的工作特性，中广核新能源检修中心构想通过保护测试仪对脱扣器二次线进行加入毫伏模拟量进行脱扣器电流试验测试。

要确定低压断路器一次电流与Rogowski线圈转化的毫伏量之间的线性关系，需要利用大电流发生器对低压断路器进行升流试验，通过测试确定一次电流与毫伏电压的关系试验原理图如图4所示：

图4 大电流升流试验

由图5可知，厂家图纸并没有对脱扣器电流采集二次回路线进行标识，，所以在进行试验前首先要对断路器进行拆解。

图5 低压断路器厂家二次原理图

经过拆解低压断路器，中广核新能源检修中心成功确定某国产品牌低压断路器电流互感器接线形式如表1所示：

表1 某国产品牌低压断路器脱扣器二次线作用

在了解清楚低压断路器智能脱扣器二次接线作用后，检修中心通过大电流发生器升流试验方法对低压断路器脱扣器10个采样点进行升流试验，确定一次电流与Rogowski线圈转化的关系。

具体试验方法如下：

1、将大电流发生器接入断路器任意一相，做好仪器设备接地，做好断路器外框接地。将智能脱扣器接入24V直流控制电源，确保脱扣器正常工作。

2、手动将断路器储能，手动合上断路器。

3、启动大电流发生器，缓慢提高电流，直至断路器电流出现显示并稳定，与大电流发生器所加一次电流一致，并利用故障录波器进行采样，确保低压断路器智能脱扣器所显示电流确与大电流发生器所加电流一致。

4、将大电流发生器缓慢退出运行。

5、将断路器脱扣器拆解。

6、再一次进行一次升流试验，二次排线利用杜邦线连接，用万用表进行测量，一次电流多点进行测量，三相分别进行测试，确定其电气量类型及一次与二次之间的特性曲线。

试验图表2如下：

某品牌断路器智能脱扣器（试验一次电流100~1000A）

表2 某国产电压断路器互感器一次电流与二次关系

从表中可以看出，一次电流变化100A，二次大致变化10mv

根据以上数据，确定低压断路器互感器利用罗氏线圈原理进行电流与电压换算的采样关系确为线性关系。

7、将低压断路器脱扣器拆下，利用昂立保护校验仪对(L1+\L1-、L2+\L2-、L3+\L3-）进行反向加量进行验证，脱扣器显示电流量与一次加量相对应。

8、利用昂立保护测试仪状态序列功能

①状态一：空载状态。

②状态二：加入电压动作值，开入点A（断路器脱扣接点）闭合结束状态二。

③试验结束读取动作时间

通过以上试验过程，可以验证过电流脱扣器

反时限脱扣

标准：验证反时限脱扣器的调整应在一个电流整定值的倍数时进行，以验证脱扣时间是否符合制造商提供的曲线（误差范围内）

瞬时和定时限脱扣

标准：短路脱扣器的动作应在脱扣器短路整定电流的80%和120%下进行验证，试验电流应无非对称分量。

①当试验电流等于短路整定电流的80%时，脱扣器应不动作，电流持续时为：

对于瞬时脱扣器为0.2s；

对于定时限脱扣器，等于制造商规定的延时的2倍时间范围

②当试验电流等于短路整定电流的120%时，脱扣器应动作。

对于瞬时脱扣器，应在0.2s内

对于定时限脱扣器，应在等于制造商规定的延时时间的2倍的时间间隔内动作，

带有电子过电流脱扣器的断路器，短路脱扣器的动作仅在每极独立验证一次。

2、结语

通过自行开展断路器智能脱扣器校验方法的研究，我们自主实现了国产断路器智能脱扣器校验，并产生了以下效益：

（一）经济效益

通过自行开展箱变低压断路器校验工作，为企业节约了大笔外包服务费用。按照厂家服务费用，3000元/天，一天最多进行5台断路器的校验，现在中广核内蒙古分公司共有箱变低压断路器1409台，预估共节省费用84.54万元。

（二）管理效益

本次项目的开展，体现了中广核新能源内蒙古分公司检修中心的核心竞争力，在遇到现场困难时本着“一次把事情做好”理念，积极组织专项人员进行技术攻关，跨过厂家壁垒，不盲目依赖厂家，以企业一线困难为导向，解决一线实际困难问题。

掌握本断路器低压脱扣器校验方法可以使自主校验时间灵活安排，充分利用场站停电时间，最大限度的避免场站损失发电量。

参考文献：

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