高压电机及开关电气试验自动化系统设计及数据处理

邵文良

（国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799）

在制造业向高端转型背景下，高压电机生产企业迫切需要一种低成本、高效率、精确化的产品质量检测手段。适用于高压电机及开关电气试验的自动化系统，在专家系统的帮助下，利用完善的推理机制对采集到的真实数据进行统计分析，智能判断高压电机及开关的运行情况，及时发现存在的质量缺陷。生产企业根据系统检测结果优化产品，从而使高压电机的质量得到可靠保证，维护了生产企业的形象与利益。

1 高压电机及开关电气试验自动化系统的设计

1.1 系统整体架构

本文设计的高压电机及开关电气试验自动化系统可支持高压三相异步电动机的空载、负载等全性能试验，且测量精度不受功率因数、外部环境的影响，系统结构如图1 所示。

图1 高压电机及开关电气试验自动化系统

由图1 可知，该系统由工控机、可编程逻辑控制器（PLC）、专家系统、主回路系统以及测量子系统5 个模块组成。其中，工控机由Cimplicity 组态软件负责监控，可编程逻辑控制器选用VersaMax 型PLC，上位机与下位机之间采用RS485 接口进行通信。测量子系统包含了传感器、互感器等数据测量元件，可实时采集电流、电压等参数，并通过RS485 通信接口将数据上传至上位机。该系统的可视化界面可以动态展示监测结果，并支持人机交互。用户可在屏幕上编辑命令，从工控机下达指令给PLC，在PLC 和继电接触控制系统的帮助下自动完成高压电机及开关的电气试验。专家系统负责收集并分析试验数据，根据分析结果评价电机质量；若评价结果为“不合格”，还能自动分析问题成因，为下一步进行高压电机的检修提供了指导[1]。

1.2 高压电气试验主回路设计

1.2.1 高压电机加载方案

在高压电气试验中，需要为被测电机提供一个平滑可调的大功率负载。常用的加载方法有直流机法、高压机组回馈法、整流供电机组法等若干种。

直流机法是利用一台与被试样机功率相似、转速相同的直流发电机作为陪试负载，两者之间采用同轴连接，通过调节直流发电机的电流，进而达到改变试验样机负载的目的。这种加载方法的优势只在于直流电机负载稳定，不受外部环境影响。但是缺点也比较明显，如成本较高、安装不便等。

高压机组回馈法是选择与被试样机同型号的同步发电机作为陪试负载，两者之间也采用同轴连接。用一台同步发电机为被试样机供电，另一台同步发电机经过2 台直流机变频输出给陪试机，将陪试负载的能量回馈给电网。通过发电机的励磁调节可改变输入电压，通过直流机的励磁调节可改变被试样机的负载。该加载方法的优势在于电网消耗少、运行成本低、加载速度快。缺点是原电动机的容量较大，对配电环境要求较高，不容易启动。

除了上述2 种加载方案外，像测功机法、整流供电机组法等，也是各有利弊。本文在设计高压电气试验主回路时，利用原有低压设备，对加载方法进行了改良，提出了一种双路升压加载方案。

1.2.2 主回路结构设计

本文设计的高压电气试验主回路结构如图2 所示。图中TD 表示原电动机，ZF 和ZD 为2 台直流机，TF 为同步发电机，M1 为被试样机，M2 为陪试电机。

图2 系统主回路结构

由图2 可知，系统主回路采用“双路升压”的加载方法，一路向被试样机供电，另一路向陪试电机供电。在进行空载试验时，只有图2 左侧电路供电；在进行负载试验时，图2 左右两侧电路同时供电。被试电源连接1 台1 000 kVA 低压调节器，可灵活调节高压电源的输出电压。TD、ZF、ZD 和TF 共同组成了低压变频回馈机组，经过加载、升压后得到高压陪试试验电源。在进行高压电气试验时，低压变频回馈机组可以发挥能量回馈的功能，让高压能量在低压侧实现回馈，从而达到了电动机负载的需求[2]。同时，负载能量依次经过变压器、低压变频机组后流动到低压电网中。

本文基于双路升压加载方法设计的系统主回路，具有以下技术优势。①总投资较低。试验过程中只需要从电网中吸收少量电能，之后可以通过能量回馈的方式满足整个高压电气试验，节约了试验运行成本；②可控性强，可做到匀速升压、稳定加载，不会对高压电气试验系统中的各类电气设备产生冲击破坏。缺点是原低压机组的容量（320 kW）无法满足高压电机（500 kW）的运行要求，必须要进行扩容。

1.2.3 试验扩容及完善

为提高系统容量并保证电源品质稳定，需要进行扩容。常用的扩容方法有恒速变频法、降压法、叠频法等几种。本文以叠频法为例，介绍扩容实现方法。在叠频试验中，将2 种或2 种以上不同频率的电源，叠加在被试样机的两端，在电磁效应下会在两端分别产生一个磁场，2 个磁场的矢量之和组成1 个气隙磁场。在气隙磁场的作用下，被试样机的转子做周期性的加速或减速。当转子转速低于磁场转速时，做加速运动；反之做减速运动。调节副电源频率为额定频率的80%，改变副电源的电压。副电源电压与叠频变压器的输出电压成正比，副电源电压升高，叠频变压器的输出电压增加，从而解决机组回馈容量不足的问题。叠频扩容原理如图3 所示。

图3 叠频法原理

1.3 高压电气试验测量子系统设计

本文设计的测量子系统中，主要功能部件包括电量互感器、转速传感器、温度传感器等精密仪器，能够实时、准确地获取高压电气试验过程中的电压、电流、转速、温度等信号。所得数据经RS485 接口统一上传至上位机，并在人机交互界面上实时显示，测量子系统的结构组成如图4 所示。

图4 测量系统框图

电参数（包括电压、电流、频率等参数）测量所用仪器为青智仪器生产的8967C 型高精度多位数字电参数测量表，测量所得信号数字为真有效值，可测量波形畸变失真信号，即便是在外界有较强磁场干扰的情况下也能保证测量结果的精确性[3]。另外，该数字仪表带有BCD 码输出，可利用IEEE485 标准接口直接与上位机进行数据传输，从而提高了系统响应速度。

1.4 高压电气开关试验结构设计

高压电气开关的关合试验回路有2 种基本类型，分别是并联型和串联型。本文研究的是并联型回路，其结构如图5 所示。图中电流源和电压源采用并联方式连接，QFa表示断路器，QFt为辅助断路器，Lc和Lv表示电流、电压回路的电抗器，Rv和R0为可调阻值不同的2 个调频电阻，C0为调频电容，T1和T2表示变压器。

图5 基于变压器电源的合成关合试验回路

高压电气开关试验开始前，应保证试验回路中QFa为合闸状态，QFt为分闸状态。试验开始后，向QFt下达合闸指令，前端触头相互靠近，当距离足够近时，在电压源的作用下出现预燃弧击穿现象。此时，试验回路中的罗氏线圈可以检测到预击穿电流，并生成报告指令发送给控制器。当上位机检测到预击穿电流后，同时判断电压源和电流源的相位容差是否满足要求。若满足该要求，则上位机发送指令让电流源的主控开关闭合，完成对高压电器开关的自动控制。

2 高压电机及开关电气试验自动化系统的数据处理

2.1 空载试验的数据处理

高压电机及开关电气试验自动化系统可以从试验中采集大量的原始数据，在此基础上观察、分析这些原始数据，从一个个离散的数据点中寻找轨迹规律，并建立一个近似函数去逼近真实函数。让所得函数曲线能够最大程度上反映原始数据的基本趋势，得到特性曲线，求取额定参数。根据计算出来的额定参数，调节高压电机的实际参数，保证高压电机始终处于最佳运行工况[4]。高压电机的运行状态有空载、负载、堵转等多种，不同运行状态下的特性曲线有明显差异，本文以空载状态为例，探究数据处理方法。

处理空载试验数据目的主要有二。其一是将所有测点进行曲线拟合，求出空载特性曲线I=f（U）和P=f（U），这里U 表示空载时外加电源的电压；其二是计算电机在额定负载下的铁耗（包括涡流损耗Pi、磁滞损耗Pj两种）、机械损耗与转子损耗。空载损耗（P）的计算公式为

式中：PFe表示铁耗；Pm表示机械损耗；Pc表示转子损耗。由于高压电机在空载时，转差极小，此时的转子损耗可以忽略不计，因此空载损耗只与铁耗与机械损耗有关。高压电机处于空载运行状态时，转速相对恒定，这时机械损耗等于常数；而铁耗与端电压（U0）的平方呈正相关，即

可得空载损耗P 的特性曲线如图6 所示。

图6 空载损耗曲线

2.2 高压电气开关试验控制策略的实现

在高压电气开关试验中，开关在受到外部高电压后产生预击穿燃弧，电流源主控开关在满足关合条件后导通，使原本处于断开状态的开关重新闭合。本文在设计高压电气开关试验控制策略时，除了设置被试样品开关与电流源主控开关外，还增加了辅助开关，其作用是保证电压源到电流源的切换时间控制在240 s 内[5]。本文以断路器在外施电压峰值关合时为例，结合相位控制时序图（图7），概述外施电压关合相位的控制策略。

图7 最大预燃弧条件下的关合时序控制示意图

图7 中，T 为外施电压周期。处理器可动态监测外施电压的变化情况，当检测到tzero（外施电压波形过零点）时定时器启动，并等待接收开关随机合闸指令，即图7 中的th信号。如果满足th-tzero≥1/f（f 为外施电压频率），此时定时器复位，并将tzero作为起点，重新计时；如果满足th-tzero＜1/f，则处理器等待tc+td时刻后，发送一个延迟的开关相控合闸指令，即图7 中的tm时刻。此时时间来到tprk，触头间隙发生预击穿燃弧，电流源主控开关闭合，电流源接入回路，完成开关的精确控制。

3 结束语

本文以高压电机和开关试验作为研究对象，探究了高压电机及开关电气试验自动化系统的结构设计和功能实现。该系统可通过参数测量的方式，获取高压电机及开关试验中的各项关键参数，在保证参数精确的基础上展开分析，进行质量判断和缺陷诊断。根据诊断结果提出改进建议，使被试样机趋于完善，对提高产品质量起到了积极帮助。