核电领域电器安全保护设备校准方法*

2011-09-07余国瑞孙健茅晓晨陆福敏王晓岚上海市计量测试技术研究院上海市在线检测与控制技术重点实验室

上海计量测试 2011年5期

余国瑞孙健茅晓晨陆福敏王晓岚/上海市计量测试技术研究院上海市在线检测与控制技术重点实验室

0 引言

随着核电的不断发展，核电的安全是人们最关注的，这给确保核电运营安全提出了更高的要求。在核电领域中，检修是确保核电运营安全的基础，而确保核电检测设备的可靠性和准确性是检修任务的重中之重。

微机继电保护测试系统、串联谐振测试系统和高压开关机械特性测试仪的工作范围包含了电力线路、电力系统的高压开关和电力系统的安全预警系统，其可靠性和准确性是保障核电安全运营的重点。这些重要安全检测设备的校准工作关系到整个核电设施的正常运营及人员安全，至今，这些检测设备在国内还没有一套系统的、完善的、可靠的、全性能的校准方法。由于这些系统在核电领域中的重要作用，核电部门要求校准的呼声日益高涨。

本文着重研究上述三种核电领域重要安全保护设备校准方法，研究在核电现场全性能的校准方法，解决了微机继电保护测试系统时间参数。谐波参数、开关量和模拟量；串联谐振测试系统获取全谐振条件，谐振电压畸变率和高压开关机械特性测试仪时间、位移、速度和弹跳量的校准。

1 校准方法

1.1 微机继电保护测试系统

校准装置（图1）采用电能质量分析仪、高精密数字多用表、数字存储示波器、TFG5010T时间合成器和高压开关机械特性校验装置进行校准，据其出厂指标进行判别。

微机继电保护测试系统经过一段时间的预热后，用高精密数字多用表进行测试系统的交直流电压和频率的数据采集，电能质量分析仪对继保装置的电流进行采集，根据波形计算出相对应的相位。用电能质量分析仪单独对测试系统的电压和电流进行采样，合成为相对应的电压和电流波形，对继电保护系统进行谐波分析，得出电压谐波和电流谐波数据，主要用于信号源单元的稳态检测。数字存储示波器对继电保护系统的开关量和模拟量进行测试。高压开关机械特性校验装置作为时间标准源对继电保护系统的时间测量误差进行校准。最后将标准器的测量结果输入至计算机，对指标进行判别，并进行校准报告的打印。

1.2 串联谐振测试系统

校准装置（图2）采用高精密数字多用表、电能质量分析仪、高速记忆数字示波器和多功能高压表进行校准，据其出厂指标进行判别。

图2 串联谐振测试系统校准

当谐振回路达到全谐振时，用高精密数字多用表进行串联谐振测试系统中频率的数据测量，高速记忆数字示波器对谐振回路的电压波形进行采集并存储，电能质量分析仪对谐振回路的电压波形失真率进行计算，得出谐振系统的波形畸变率。波形畸变率以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示，

式中：Un－第n次谐波电压有效值；

U1－基波电压有效值。

最后测量多功能高压表对谐振系统中的高压输出，读取测试数据，对指标进行判别。

1.3 高压开关机械特性测试仪

校准装置（图3）采用高压开关（动）特性测试仪时间校验装置和高压开关（动）特性测试仪速度校验装置进行校准，依据其出厂指标进行判别。

利用PC操作高压开关（动）特性测试仪时间校验装置，校验装置的输出脉冲或电压信号模拟实际的变化曲线，能真实地反映开关触头的运动状况，从而对高压开关机械特性测试系统的分闸时间、合闸时间和三相同期性进行精确的校准。

图3 高压开关机械特性测试仪校准

高压开关（动）特性测试仪速度校验装置配有6个高精度位移传感器，模拟的断口信号能够相对隔离，每个断口的状态变化参数独立设定。对各种输入输出信号进行高速隔离或屏蔽处理，ADC采样精确，从而对高压开关机械特性测试系统的刚分速度、刚合速度、位移及弹跳性能进行校准。最后计算机通过USB接口与高压开关（动）特性测试仪校验装置通讯，读取测试数据，对指标进行判别，并进行校准报告的打印。

2 技术关键

2.1 串联谐振测试系统如何达到全谐振

在R-L-C串联电路中，出现线路端电压和电流同相位的现象称串联谐振。电力系统中要尽量避免串联谐振现象，因为串联谐振时，电感、电容两端电压会比电源电压大很多倍，容易在电网的某一部分造成过电压，危及电气设备的绝缘，造成设备损坏，引起其他事故。串联谐振测试系统是运用串联谐振原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，调节变频控制器的输出频率，使回路电感L和试品C串联谐振，谐振电压即为加到试品的电压，由控制器（调压器，变频器）、激励变压器、谐振电抗器等组成。谐振电抗器与被试样品（负载电容）组成高压谐振回路。串联谐振系统中，被试品电容量为Cx；在调频式系列中，L为装置组合配置的固定电抗器；U0为激励变压器的激励电压。通过调压器将变频电源的能量输入谐振回路补偿其有功损耗，并通过调变频率激发谐振。当调频频率f为谐振频率时，回路全谐振。在到达全谐振的过程中，要根据回路的LC条件，考量是否需要添加补偿电容器。

2.2 串联谐振测试系统如何得到谐振电压波形和畸变率

当谐振回路达到全谐振时，用8846A高精密数字多用表进行串联谐振测试系统中频率的数据测量，TDS3000C高速记忆数字示波器对谐振回路的电压波形进行采集并存储，日本HIOKI公司的3193电能分析仪对谐振回路的电压波形失真率进行计算，得出谐振系统的波形畸变率。波形畸变率由公式（1）表示。

必须注意，要想得到较好的谐振电压波形，必须在校准系统的分压器两端获取。系统的波形畸变率不能够直接测得，需要进行转换。因为电能质量分析仪的测试量程1 000 V，而校准时的测试电压多为十几千伏，应先用示波器1 000倍衰减探头将电压降低后再进行测量。

2.3 高压开关机械特性测试系统如何知道开关开始动作

在测试仪的内部有两个继电器，分别用于合闸和分闸。每个继电器都有三对常开接点（接点容量为10 A）。第一对接点接至测试仪背板上的分（合）闸控制，第二对接点接至测试仪面板上的分（合）闸指示灯，第三对接点接至测试仪内部的计时触发（即内同步）。

以合闸为例，将测试仪面板上的合闸控制两个端子接至被测开关上的合闸控制端子，当用户整定完参数后，进行测试时，测试仪会驱动内部的合闸继电器动作，使三对常开接点同时闭合，第一对接点的闭合会使开关动作，第二对接点的闭合会使测试仪面板上的合闸指示灯亮，第三对接点的闭合则去启动测试仪内部的计时器，测试仪会在设定的测量时间内一直检测12路断口信号的变化，从而完成时间测量。

时间测量中，测试仪的数据是根据各断口状态变化记录，而速度测量中测试仪的数据是根据采样尺信号变化来记录的，这样，在速度测量中，开关本身的驱动回路以及操作机构的延时时间不会参与计算，从而保证了速度测量中对动触头速度的精确测量。时间测量输入信号只需要断口状态，而速度测量输入信号同时需断口状态和采样尺信号。开关动作时可能会产生弹跳，在这种情况下，合闸时超程数据可能会偏大，分闸时的开距数据也会偏大，而合闸时所测的开距以及分闸时所测的超程是可信的。

2.4 高压开关机械特性测试系统被检仪器不能检测到断口信号

校验过程中，被检仪器不能检测到断口信号，可能的原因：①断口信号接线错误。校准装置提供多个独立、隔离的断口信号，被检仪器往往需要将一些断口连接在一起使用，此时应了解仪器的详细接线情况，将相应的检测端子进行短接等处理。还有一种可能的接线错误是：由于装置模拟的断口信号是有极性的，应检查被检仪器的断口检测端子的电压或电流激励的极性是否和校准装置相一致；②设置的时间过长/过短/同期时间过大。一些仪器的断口测量时间有明确的测量范围，同时对测量的各断口的同期时间也会进行处理，可以将校准装置的所有断口时间设置成相同的，设置到仪器的检测范围内，再进行正常的校准工作。

3 不确定度分析

微机继电保护测试系统、串联谐振测试系统和高压开关机械特性测试系统是日常核电站中最常使用的电器安全保护设备，针对这3种设备分别讨论各参数的测量不确定度评定。

微机继电保护测试系统是指当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。校准项目包括微机继电保护测试系统中工频交流源、高频交流源和直流源的电压、电流、频率、相位等电量参数，谐波参数以及闭合、开启时间。

串联谐振测试系统是通过调整电感或电源频率，使电感与电容达到谐振状态的试验装置。该系统由变频电源、励磁变压器、高压电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式。分压器并联在被试品上，用于测量被试品的谐振电压，并作过压保护信号。调频功率输出经激励变压器耦合给串联谐振回路，提供串联谐振的激励功率。广泛用于电力、冶金、石油、化工等行业，适用于大容量、高电压的电容性试品的交接和预防性试验。校准项目包括串联谐振测试系统的谐振耐压参数、自动谐振频点、谐振电压波形畸变率等。

高压开关测试系统是为适应现场测试高压开关动作特性的需要而开发研制的专用仪器。它以单片机为核心进行采样、处理和输出，其主要特点是采用人机对话的方式操作、显示结果并打印输出。配以精确可靠的速度/距离传感器，可用于各种电压等级的高压开关的机械性参数的调试与测量。校准项目：分（合）闸时间、同期性、开关行程分（合）闸平均速度等。