医疗器械展览会Quality Expo 质量检测仪技术研究 | 一种两端接地开关特性测试仪及其附件的研制
2023-02-14
医疗器械展览会Medtec China 2023 Quality Expo 现场有许多展商带来了质量检测仪，包括新型径向支撑力测试仪、高性能电磁动态疲劳测试机、黑带Pro气密测试仪、T90四通道测漏仪、相转变温度测试仪、机械测试仪等，许多制造工程师纷纷表示，因为断路器机械特性测试是变电站日常检修的重要工作之一，定期开展断路器特性检修，对于早期发现断路器缺陷，避免事故进一步扩大来说十分必要且具有重要意义。如何有效的研制开关及附件成为当下亟需解决的难题，鉴于此，通过分析目前断路器两端接地状态下测试的方法，结合理论分析、现场实际情况，基于“零接触”的安全测试理念，提出了一种两端接地开关特性测试仪及其附件的研制技术方案及实施路线，采用新型测试仪得到的分合闸时间结果与传统的单端接地测试仪完全一致，保证了测量精度。
断路器（开关）是变电站的重要设备，在系统发生接地或短路故障时，断路器用于开断故障电流，从而最大限度地保证站内设备不受故障电流侵害，减少负荷损失。根据南方电网《电力设备检修试验规程》规定，高压断路器的速度特性、时间参量、分合闸电磁铁的动作电压都属于B类检修，必须按照规定周期开展相关工作，其试验结果是判断断路器能否正常运行的重要数据。但现有的传统断路器机械特性测试仪存在如下问题：
（1）传统的断路器机械特性测试仪工作时，要求断路器断口至少一侧处于开路状态，对于部分高压断路器，由于需要解开一侧的接地线，可能会产生较高的感应电，作业人员工作时存在人身安全风险。
（2）拆除接地引线或安装电流卡钳时，作业人员需登高进行，不但存在高空坠落风险，还存在误入间隔触电的危害。
（3）采用传统的断路器机械特性测试仪测试时，没有专用的二次端子引线接线工具，需拆除原二次端子接线，容易造成误操作，增加安全风险及工作量。
（4）现有的测速传感器无法对动触内嵌式结构的断路器进行动触头分合闸速度测量。
1 断路器两端接地方式测试方法
两端接地开关的测试一直困扰着检修人员，许多研究机构和测试仪器制造厂家也在探索各种新的方法，以实现对两端接地的断路器分合闸时间的准确测试[1]。为此人们提出了很多解决方案，下文针对各种测试方案进行对比分析，以选择合适的测试方法。
1.1 大电流测试法
如图1所示，大电流测试法是在断路器断口两侧加上恒电流，由于地阻Rg与断路器等效电阻Rd的存在，且有Rg≫Rd，A点到B点的电阻在断路器的合、分状态下将发生明显改变，通过采集A、B两点电压大小即可检测断路器的分、合状态。但是这种测试方法的设备体积大、能耗高，接线要求严格，同时无法区分合闸电阻动作过程中间量，还容易被高压感应电场干扰，所以一般很少采用。
1.2 电容、电感测试法
医疗器械展览会Medtec China 2023 现场同期举办质量检测技术及测试仪器展览会（中国），打造一个质量管理人的资源交流平台。Medtec China聚集了海内外优秀的测试、计量、检验和校准设备及用品类供应企业。来自上海泰珂玛信息技术有限公司、徕卡显微系统、无锡瑞埃德检测科技有限公司、安徽皖仪科技股份有限公司、马波斯（上海）商贸有限公司、英诺太科测试设备（太仓）有限公司等工程师亮相质量聚焦专场会议，助力医疗产品生命周期风险管理。点击快速预登记。
2 测试仪主机的研制
2.1 硬件技术方案
高压试验仪器大多数需要在室外使用，在强阳光下，目前的测试仪往往无法看清显示屏。本方案采用LED替代CCFL作为背光源灯条，并将玻璃用透明的光学胶粘结在液晶屏前表面的偏光片上。由于光学胶的折射率与玻璃几乎相同，都为1.50，因此消除了两个反射面。而玻璃的外表面镀了减反层，使其整个对外部光的反射率只有0.5%，能够使液晶屏在各种强光线下依然清晰可见，完美地解决了户外显示屏的显示问题，能在阳光下清楚地看到细腻的图像和文字，颜色显示生动鲜艳，对比度大大增强，发射光线降低，显示视角宽广。
2.3 一体化防护级机箱
传统的测试仪机箱采用铝合金板材组装而成，运输及测试使用时需外加收纳箱，无防尘、防潮、防水功能，便携性欠佳。本文研制的仪器通过优化外形结构，实现便携性设计，采用一体成型安全防护箱，新型PP合金树脂材料，专用模具一体注塑，重量轻、体积小，防护等级达IP67，便携易用，如图6所示。改进后的机箱还具有防潮、防水、防摔功能，更加便携、耐用，同时也便于量产、规模化生产。
3 测试附件的研制
任何一个测试仪器，除测试仪主机外，还需要配合必要的测试附件才能较好地完成测试任务，而测试附件功能、性能的好坏，不仅影响测量结果，还对测量过程的可靠性以及是否安全、快捷极其重要。本文针对开关特性测试仪所需的必要附件进行了优化设计，配合测试仪主机使用，具有更快捷、更安全、更可靠的优势，极具推广使用价值。
3.1 分合闸触发激励快速接线夹
目前，高压开关柜二次接线一般采用导轨式接线端子，在开关特性测试作业时，需要在操作控制箱二次回路中接入分合闸线圈激励电源接线。传统的方法是通过拧开端子螺丝增加导线或拆除原导线，容易造成误操作，增加安全风险及工作量。
本文提供了一种无须拆装原端子接线，采用外部并联的方式即可快速接入所需试验导线的工具，不仅能减少接入测试导线所花的时间，还能减少反复拆装导线给接线端子带来的损伤，避免了因拆除导线时误接所造成的安全隐患。其主要结构部件包括弹簧顶针、上夹体、下夹体、压簧、固定杆以及绝缘外壳，如图7所示。其中弹簧顶针头部为可伸缩探头，伸缩探头与压簧连接并安装在管内，管口处卷边将伸缩探头保持在管内，靠弹簧提供接触力使探头与对接导体之间建立电气连接；上夹体头部为外接香蕉头，标准4 mm内径，用于外部电气连接，中部为夹具安装体，尾部为内径3.1 mm的管状体，用于与弹簧顶针焊接连为一体，在中部还设有支撑U形片，用于保护顶针探头不会被对侧夹体压到；下夹体包括三角锯形牙、安装U形片、尾部按压柄，通过压簧、固定杆与上夹体连接组成一个夹具。使用时只需将带伸缩弹簧顶针的上夹体对准螺丝孔下压并夹上边沿即可，在内部压簧的作用力下伸缩探头将与螺丝的头部形成良好的电气连接，经试验验证可满足高压二次测试试验绝大部分场合要求，为开关柜及相关高压二次回路测试提供了便利，避免了拆装原接线造成的风险，节省了测试人员工作时间，减少了工作失误，值得在高压二次测试领域大力推广使用。
分合闸速度是高压断路器的重要特性参数之一，它表征断路器的操作机构和传动机构在分合闸过程中的运动特性，但目前在很多应用场合无法安装及使用传感器导致无法进行速度测试。
使用两端接地开关特性测试仪需要安装电磁感应电流钳到断路器两侧的高压电缆上，一般采用高空作业的方式进行安装，在高空作业时变电站断路器上没有相应的防坠落安全带悬挂点，给作业人员带来了安全隐患，增加了工作难度及准备时间，在实际的作业中非常不便利。
本文提供了一种可以直接在地面上使用的电流钳安装工具，可通过绝缘杆将电流钳钳入高压电缆，无须采用高空作业方式，使得此项工作变得更加简单、安全。如图9所示，其结构包括绝缘杆、收线轮、滑轮、梅花螺杆、蚕丝绝缘拉绳、电流钳连接头等。其中绝缘杆为环氧树脂杆，两头设有连接螺纹，可由多节杆通过螺纹连接起来；收线轮用于回收及放开拉绳，内部设有止动按扭，按下按钮后可卡住拉绳，松开手轮则能转动，侧面设有手柄，用于转动回收拉绳；滑轮由支撑底座、轴承组成，用于改变拉绳方向，减少摩擦力，便于用拉绳将电流钳拉开；梅花螺杆用于固定电流钳，拧入、拧出即可固定电流钳在支座上。使用时，只需将电流钳一侧手柄插入连接头的方孔内，并将梅花螺杆旋入，电流钳的另一端有拉绳相连，转动收线轮收线把手，即可将电流钳钳口撑开，撑开后按下收线轮的止动按钮，电流钳将保持在开口状态，便可举起并将钳口钳入高压线缆，最后松开止动按钮，钳口在弹簧作用下将自动闭合，测试完成后，按相同的方法即可轻松取下电流钳。整个过程由原来的多人协作变成可单人完成，无须进行任何高空作业，使用及安装省时省力，大大提高了工作效率，保障了工作人员的人身安全，且制造成本低廉，又十分便携，值得在本应用场合大力推广。
