专利名称：一种断路器状态测试方法
技术领域：
本发明属于电力系统状态测试方法，涉及断路器状态的测试。
背景技术：
随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，停电事故给生产、 生活带来的影响及损失也越来越大，保证电力设备的安全运行越来越 重要。因此，对高压断路器实施状态测试，掌握其运行特性及变化趋 势，对提高电力系统输电的可靠性、连续性和高效性有着重要意义， 日益成为一项重要研究课题。
目前国外一些高压断路器已经配备了状态监测与故障诊断装置， 而且产品也在不断的更新与发展，其中有代表性的主要有瑞典的
TM1600/MA61断路器动作特性测试分析系统。该系统由TM1600断路 器时间特性测试仪和MA61行程运动测试分析仪两部分构成，可在变 电站现场和开关厂等工业环境中测试各种类型的断路器的动作特性； 英国Hathaway公司与美国爱迪生电力公司共同研制开发的BCM型开 关状态监测系统，可以对开关设备重要参数进行长期连续状态监测， 分析变化趋势，及时发现故障前兆。但TM1600/MA61测试仪价格昂贵， 且其由两台测试仪组合而成，集成度低，不便于操作；BCM型开关状 态监测系统虽然可以长期连续状态监测，但由于在线测试的连接方式 及响应的局限性，测试精度不高，只能大致反映出机械特性参数的变化趋势，且价格较高。两型号测试仪均不能测量合闸电阻及其投入时 间。
国内许多的高等院校、研究机构及电力运营单位也开始致力于研 发断路器的状态测试仪器。目前，已出现了一些高压断路器的机械参 数测试仪，能够采集一些基本参量。其中有代表性的主要有杭州高
电科技有限公司生产的CT2002高压开关动特性测试仪；石家庄汉迪 电气有限公司生产的QP021BD微机型断路器测试仪；武汉恒新国仪科 技有限公司生产的GYKC-4高压开关动特性测试仪以及杭州西湖电子 研究所生产的EST-5D高压开关特性测试仪等。
以上所述测试仪主要侧重测试断路器的速度和行程参量，无法测 试断路器合闸电阻阻值及其投入时间，而这些参数对断路器运行状态 及故障诊断起着重要意义。在断路器动作时，通过断路器合闸电阻的 缓冲作用可以抑制断路器产生的操作过电压，提高开关设备的开断 能力，降低线路重合闸过电压等干扰，从而避免因内部过电压过高引 发绝缘破坏事故，保证电力系统的安全运行。高压断路器在合闸时将 有很大的电流流过合闸电阻，在多次动作后，其合闸电阻有可能会因 受到电流的冲击而变化或损坏。如果在合闸电阻存在缺陷的情况下， 断路器继续投入使用，就有可能会引起高压断路器的爆炸。
因此，为了保证系统的安全可靠运行，DL/T596-1996《电力设备预 防性试验规程》要求必须每年检测断路器的合闸电阻变化情况，要求 合闸电阻值的变化不大于5 %。考虑到合闸电阻热容量问题，对断路 器合闸电阻的投入时间也要保持在设计值内。但是，对合闸电阻值的测量长期以来却成为预试工作中的一个难题，由于与断路器的构造和 尺寸有关，合闸电阻和投入时间的测量一直未能开展,威胁着电力系 统的安全运行。
综上所述，国内外的相关断路器状态测试仪普遍存在着监测参量 少，实时性差等缺点，无法全面反映出高压断路器的工作状态。本发 明致力于开发实用新型的断路器状态测试仪，弥补传统电力设备预防 性实验中关于合闸电阻及其投入时间等项目的空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简便可靠的断路器状态测 试方法。
通过研究目前国内外已经使用的高压断路器分合闸参数的测试 方法，结合目前在测试仪电路中使用的主流控制器，本项目研究出一
种基于AVR单片机的信号采集处理硬件电路，使用各种可靠的抗电磁 干扰外围电路。软件方面采用改进的滑动窗口滤波技术对采样信号进 行动态测试方法及多重修正。软硬件的良好配合确保可以准确测试出 高压断路器合闸时合闸电阻阻值及其投入时间。
本发明基于断路器分合闸的四个状态，通过测试测试一个标准电 阻在每个状态时间的电压值，得到合闸电阻的阻值和投入时间。
本发明由以下步骤实现
1、 在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源;
2、 测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压
值；3、通过计算机得出合闸电阻的阻值和投入时间。
其中合闸电阻及投入时间的测量及计算方法如下 图l为一个带有并联电容和合闸电阻的断路器的合闸过程图，其 中&为断路器主触头，《2为断路器的辅助触头(与合闸电阻串联)，& 为合闸电阻，G为断口并联电容。合闸的过程如下图l中(a)为初始 状态(断路器处于分闸位置，断路器的主触头和辅助触头均在断开位
置)，在(a)位置时，断路器接到合闸命令后约80ms，断路器的状态到 达(b)(断路器的主触头在断开位置，辅助触头闭合)状态，此时合闸 电阻投入使用，到达(b)状态后约10 ms，断路器进入(c)(断路器的主 触头和辅助触头同时闭合)状态，此时合闸电阻开始退出使用，到达 (c)状态后断路器随即进入(d)(主触头闭合，辅助触头断开)状态， 断路器合闸完毕。
断路器的各个元件都处于密闭的容器中，只有在大修时才可能打 开，平时无法进行解剖。并且断路器无论处于分闸状态或合闸状态， 合闸电阻的触头都是在断开位置，其测量的可行时间只有在合闸过程 中图1中(b)状态维持的约1 Oms左右，在这么短的时间内使用单臂电桥 或万用表进行读数是根本不可能的。
鉴于合闸电阻和投入时间测量的特殊情况，本发明采用了合闸电 阻动态测试的方法，采用先进的计算机数字采样处理技术，为高压断 路器预防性试验提供了简便、安全、有效的测试方法。
测试方案接线如图2所示，其中i 2为标准电阻，E为直流电压源。 根据图l的(a) (d)，列出以下关系式当合闸开关触头处于图l (a)时，
(4.1)
当[/。=五时，从式(4.1)得^=0 当合闸开关触头处于图l(b)时，
"2 = A: + 、
一￡-"c
_■
i 2
(4.2)
(4.3)
从^=—，C可推导出:
及2￡
(4.4)
(4.5)
(4.6)
当？ = 0时，C/CW = ^°当处于图l(c)和(d)时，
V五
(4.7)
的变化曲线走势如图3所示，其中A)为断路器进入图l中(b)状
态的时间，而^为断路器由图l中(b)状态转入图l中(c)状态的时间， 其中的[/化，， f/瑪分别为f^在图l中(a)， (b) ， (c)的稳定值。
可见，图3中的t/ft2电压变化曲线图可以给我们提供(4.4)式中 的3个参数^/0， ￡和f 。而该式中的其余参数及。，C为己知参数， 因此我们通过解(4.4)式就可以得到合闸电阻A的阻值，通过解(4.5)可 以得到合闸电阻A投入时间。合闸电阻和投入时间数学模型的完善:
(1)并联电容对测试回路影响的修正
假设稳定值C^， =f/R/0
A +及,
7 —e
+及2
乂
，而当？">00时，
，贝lJ^/co) —"R,^) = e。代入一个合闸电阻的估
' 2
计值及；=4卵。，标准电阻的阻值及。=^(^2，并联电容的电容值，可
以知道当,^m的时候有^/w-^/ow，、/(r"也就是说，当
,=7m的时候，在模型中{/2 己经无限接近^^，因此将
及,+ &
及/+及2
修正为^/0 =
(%</<G>> ，也就是
说可以把电容对整个测试回路的影响忽略不计，则i ,=
为"-t/瑪，所以及/=^^^,。
/ 2，因
M2
(2)对直流电压源内阻的修正
由于在以上的模型中所使用的直流电源为理想电源，事实上我们 使用的任何电源都有内阻&，因此应该考虑i ,的影响。经过推算可
得:
i 2 +及《
"恥-
i ，
恥
"艰—"艰
i 2 +及《 J 2
2W7
其中&可以通过电源外接不同电阻，并测量其电阻值列方程组算 出，在此不做推导。
(3)对系统干扰电压的修正由于现场测试环境及条件所限，在进行测试的时候不可能在全站 停电的条件下进行，因此测试必然会受到干扰电压的影响。事实上， 从我们现场录到的波形来看，干扰是的确存在的，f^的电压曲线，
也并不是只存在直流量，而是直流量与干扰交流量的叠加。因此必须 将所录波形中的直流分量提取出来，进行计算分析
(4)对测量仪器零漂的修正
由于模型中的t^的电压在合闸前为o，但在实际的现场测量中，
由于测量仪器受干扰影响容易产生零漂现象。出现这种情况的时候， 整个测量波形会被加上一个值为t/^的垂直位移，因此为了消除零漂
的影响将公式^ = ",,a ^。 +^修正为& =》^。 +及^ 。
本公式中使用的所有计算变量都为经过数据处理后的数据。
本发明装置同时配备了大容量flash和大尺寸液晶屏幕，方便了
数据存储和显示，外扩了键盘接口和微型打印机，测试结果可随时查
阅打印分析。这为电力设备测试的便携性和可靠性提供有力的保证，
符合目前电力设备优化状态测试的重要内容和发展方向。
本发明采用集成化的设计理念，分别采样处理断路器动作时触点
状态、线圈电流和合闸电阻等断路器的关键状态信息，集检测与智能
诊断一体化，全面反映了高压断路器的状态参数，为断路器的检修操
作提供合理建议。
(1) 研究出合闸电阻动态测试的方法，利用先进的微处理器数字 采样及处理技术，实现合闸电阻及投入时间的精确测量，避免因内部 过电压过高引发绝缘破坏事故。
(2) 利用硬阈值和软阈值结合的改进Mallet离散小波变换处理方法对线圈电流信号进行分析，提取出主要特征参数，快速准确计算 出待检测的参量。
本发明同时具备抗干扰能力强，满足严酷的工业等级B标准，同 时接线简单，操作方便，系统集成度高，具有数据打印功能，方便检 修人员对测试结果进行比较和分析，把握断路器性能的变化趋势，以 便及时提出维修方案，符合目前电力设备优化状态测试的重要内容和 发展方向。
本发明可以减少很多繁琐的检修测试工具，减少设备重复投资费 用，节省不必要的开支，大大减少断路器维修和检测的费用。考虑到 每个变电所有几十台断路器，如果广泛应用该设备，每年节省的维修 和检测费用是相当可观的。间接效益是弥补了国产断路器检测仪无法 实现合闸电阻的测试空白，减少了安全隐患。对提高电力系统输电的 连续性和高效性，降低设备故障率，提高断路器工作的可靠性有着重 要意义。因此该发明成果具有广阔的市场前景和巨大的应用意义。
图1为合闸电阻工作过程图2为合闸电阻及投入时间测试方案图3为标准电阻电压变化曲线图4为监测仪硬件电路结构。
具体实施例方式
状态测试仪以ATMEGA128单片机为主控CPU，它负责整体的信号 采集、处理和各种接口控制。ATMEGA128单片机外接的12位AD转换器，配合传感器实现对电压、电流等信号转换，AD转换器连接信号 调理器，经改进的滑动窗口滤波算法修正、补偿后存储于flash,以 备查询打印分析。液晶为320*240低温液晶，可以工作于-30°C，提 供各种数据的实时显示，并且提供了丰富的人机交互菜单。设计中所 采用的flash主要用来存储数据、测试设备及日期。测试仪带有232 串口插头，方便与PC机进行通信，为上位机软件开发提供接口；曰 历PCF8563主要用于记录监测日期，作时间基准。
在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源，标 准电阻连接信号调理器，测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状 态时间段的电压值，通过主控CPU得出合闸电阻的阻值和投入时间。 测试仪通电后，首先对端口输入、输出方式进行定义并对液晶模块进 行初始化，然后对系统需要用到的SPI同步通信接口、 flash模块及 其文件系统、UART异步通信接口、定时器、看门狗等进行初始化。 从flash中读取需要进行测试的设备编号(对设备的査询、新建等操 作管理在打开文件中完成)，然后控制各传感器继电器吸合，开串口 中断及全局中断，并对AD采集系统进行初始化。由中央处理系统向 AD采集系统发送采集命令，然后控制断路器进行合闸操作，当定时 采集完毕后，AD采集系统向中央处理系统传输数据，然后由中央处 理系统进行数据处理，并将处理后的数据保存到flash中，然后调用 合闸电流、触点状态、合闸电阻等波形曲线及测试数据。分闸操作亦 然。
权利要求
1、一种断路器状态测试方法，包括以下步骤(1)在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源；(2)测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压值；(3)通过计算机得出合闸电阻的阻值和投入时间。
2、 根据权利要求1所述的测试方法，其特征是合闸电阻和投入 时间数学模型的完善包括如下步骤(1) 并联电容对测试回路影响的修正；(2) 对直流电压源内阻的修正；(3) 对系统干扰电压的修正；(4) 对测量仪器零漂的修正。
全文摘要
一种断路器状态测试方法，属于电力系统状态测试方法，测试步骤是在断路器进端连接标准电阻，在标准电阻上加有直流电压源，测试标准电阻在断路器分合闸不同的四个状态时间段的电压值，通过计算机得出合闸电阻的阻值和投入时间。本发明可以减少很多繁琐的检修测试工具，减少设备重复投资费用，减少了安全隐患。对提高电力系统输电的连续性和高效性，降低设备故障率，提高断路器工作的可靠性有着重要意义。
文档编号G01R31/327GK101587169SQ200910067220
公开日2009年11月25日 申请日期2009年7月3日 优先权日2009年7月3日
发明者刘庆忠, 尹玉芳, 李大鹏, 林乐亭, 兵 王, 胡晓光, 赵殿全, 饶培蕾, 建 黄 申请人:东北电网有限公司长春超高压局