陈文波

摘 要：文章从高压电气系统、高压电机试验系统设计等角度出发，以高压电机与电气开关为研究对象，针对高压电机试验的特点建立了数学模型，对高压电气系统中的电机及电气开关进行了试验，以及自动化测试。并且初步研究了高压电机及电气开关试验的控制方式，据此提出了电气开关试验的控制策略。为高压电气系统的性能优化与改进提供了重要依据，从而为该系统的实际应用奠定了良好的基础。

关键词：高压电机;电气试验;自动化测试系统

中图分类号：TM83   文献标识码：A      文章编号：1001-5922（2020）10-0126-05

Abstract：From the perspective of the design of high-voltage electrical systems and high-voltage motor test systems， the paper takes high-voltage motors and electrical switches as research objects， a mathematical model was established for the characteristics of the high-voltage motor tests. The motors and electrical switches in the high-voltage electrical system were tested， as well as automated tests. And the control method of high-voltage motor and electric switch test is preliminarily researched， and the control strategy of electric switch test is proposed accordingly. It provides an important basis for the performance optimization and improvement of the high-voltage electrical system， and thus lays a good foundation for the practical application of the system.

Key words：high voltage motor; electrical test; automated test system

0     引言

随着我国经济水平的不断进步，电机已经日渐发展为生产活动中不可或缺的器材。我国电机行业试验装备发展大致可分为初步建设阶段、发展阶段、快速发展阶段这3个阶段。初步建设阶段是20世纪50年代以前，受限于电机行业试验设备的简陋，发展滞后。发展阶段大约是60～90年代，当时有关专家初步研究了传统高压电机，并且有一定成就。但是当时的高压电机设备也存在造价成本高、危险性系数高，需专业人员操作等不足。而自20世纪90年代起，随着互联网技术、检测技术的广泛应用高压电机行业进入快速发展阶段，开始向自动化检测方向进军，取得了不小的进步。

然而在其高速发展的过程中，也不可避免地存在不少问题。高压电机试验设备由于其系统运行的高压性、高温型等特征，使得关于电机的实验具有比较高的危险性，因而极易出现各种电机短路故障问题，使得相关试验次数和容量受到很大限制，因此该系统运行状态不够稳定、可靠性也不高。高压电气系统的正常运行不仅要求电机系统能够正常稳定运作，而且对开关设备也要求较高。尤其是当高压电气系统出现一些故障问题和安全隐患时，为了保证系统能够迅速恢复调整至稳定运行状态，不仅对断路器的关合以及开断性能有严格规定，而且需要对灭弧装置进行精确计算，以确保通过开关设备可以准确且高效地排除各类故障和安全隐患。这些开关设备和装置的有效性很大程度上取决于电机及电气开关试验所得到的信息以及日积月累的经验。因而需要在熟练掌握使用设备的基础上，实现对试验结果有效性的准确判别。

由此可知为了充分保证高压电机及电气开关能够稳定运行，有必在掌握先进科学技术的基础上，借助自动化设备，设计一款高压电机与电气开关自动化的测试系统，对其及时开展相关试验以及检测。对试验所得的各项数据参数进行整理分析，严格控制外界环境、所用设备、试验条件等，以确保能够高效且准确地完成高壓电机及电气开关自动化试验，进而能够充分发挥出系统性能的效用，进而有效提升整个高压电机及其系统的运行效率。有鉴于此，文章从高压电气系统出发，简要分析了高压电机及电气开关的自动化测试系统。

1 高压电气试验

高压电气是电力系统中的重要的组成部分，对于电源系统至关重要。高压电气试验是检测系统运行性能的关键[1]。该环节主要是对分析电气设备进行分析，分析其在运行状态时是否满足相关要求，避免对高压电气设备进行试验时出现漏电、放电等危险现象，对系统中存在的故障起到检测预防的作用，有效确保了电气试验朝着科学化、信息化、稳定化的方向发展。

通常电气设备存在一些安全隐患，因而进行高压电气试验并对其进行分析十分有必要[2]。为了对高压电气系统试验的质量实施有效地检测和评估工作，通常首先需要掌握设备的实际运行原理，通过掌握相关理论基础，有助于后续试验，在实验之前还需要了解国家标准实验方法，然后根据相关规范对不同电机的试验设备、目标、方法以及实施过程进行确定。其次需要记录与测算不同的高压电机以及电气开关试验的性能特点值，如效率、功率因数等。最后需要对不同的高压电气试验过程进行分析，并分别检查是否符合国家技术标准，判别其是否能够长时期满足高压运行要求。具体的高压电气系统试验内容和项目如下。

1.1 空载试验

该试验首先通过记录电动机作用下额定电压UN下的空载电流I0及空载输入功率P0与外部施加电压U0的标示值U0 /UN，进而绘制标示值U0 /UN的关系曲线[3-4]，接着收集并分析所得的运转数据，最终获得电动机的激磁参数Rm、Xm以及铁耗和机械耗。在对高压电机系统进行试验的过程中，需为空载负荷的试验设备配备有可调控的高压电源，电压可调范围为0～13000V，且该电源的额定频率固定。

1.2 堵转试验

高压电机系统堵转试验对所用设备的要求比较高，通过调节试验电机、电压器和电流表等设备的数值控制高压以及频率的大小，最终获得电机堵转电流时的容量大小。堵转试验的是在分析已有电机运转试验中转矩和电压的关系曲线的基础上，对电机堵转时的电流进行记录研究，以获得堵转试验额定电压下的电流数值以及堵转转矩。在进行试验时，在充分利用测量设备的前提下，通过对试验数据的收集整理分析，进一步分析电机的起动性能能否支撑试验的实施。

为了确保试验的实施效果以及数据验证分析的效率和准确程度，在进行具体的堵转试验中应对被试电机的通电时长进行控制。通常采取缩短时长的方法对系统内高压电机运转时的温度进行调节，避免高温对电机的伤害。

1.3 负载试验

负载试验主要是在能够提供额定频率的可调电压以及可调负载相关设备的基础上，对如下参数进行测定，如电机的输入功率P1、功率因数cosΦ、定子电流I1、效率η以及计算得出的转差率Sref与输出功率的关系曲线[5]。通过对这些参数进行拟合分析，最终得到对应额定输出功率时的效率η、功率因数cosΦ和转差率Sref等结果。负载试验在对电机工作特性进行测试分析的基础上，通过获取的数据值，与相关规范进行对比，于是就可以判断出电机的工作能力。

高压电机系统在进行试验时应满足如下条件，即被试电机能够在良好的外界环境下处于额定负载状态持续运行至其终止状态。参照已有的国家规范，高压电机试验的终止状态多为定转子绕组达到了热稳定状态。

高压断路器在高压电机试验中起到保护、控制的作用，是试验中不可或缺的重要组成部分，对于实现高压电机试验的健康发展意义重大。为了确保试验的正常运行，可结合断路器所处的环境条件，包括温度、湿度、海拔等因素，重点且全面地分析断路器的工作性能以及特征。

2 系统设计

2.1 系统结构

以往高压电机试验具有設备众多且体型粗笨，耗时长、精度不够高、试验重复性差以及容易受到人为或其他因素的现状特征。因此为了改善这些不足之处，使得高压电机试验能够得以实现模块化、程序化、数字化、自动化、智能化，使试验结果最终能够达到质量检测的要求，需要对电机系统实验的试验方法、技术规范等进行考察，判别其是否满足国家相关规范。因此在对高压电机系统进行结构设计时，不仅需要考虑能否实现试验系统的功能要求，而且也需仔细核查被试样机的各项参数。

2.2   系统功能

在高压电机及电器开关测试系统中，其主要的组成结构包含5个部分，如图1中所示，这些不同组成部分结合形成一个智能试验系统。图中各组成部分功能描述如下。

1）等待试验的高压电机通过升压变压器等设备从主回路系处获取试验所需的可调高压电源及负载。

2）试验控制包括上位机（工控机）、下位机（PLC可编程序控制器）和控制装置[6]。通常情况下由系统中的工控机以及控制装置的组合即可实现整个电气试验的自动化测试。下位机结合其他系统能够实现高压电机的自动控制;而上位机能够实现数据处理、模型建立、曲线拟合、综合判断等一系列操作。

3）系统当中的数据采集子系统利用不同仪器装备实现各个实验数据的获取，比如高精度的电流、电压互感器、配备智能型多参数测量仪以及其他智能仪器仪表等装置，一般由对应接口送入上位机或者直接采用人机对话的方式输入所需数据。

4）在试验过程中通过利用相关软件并配合使用可视化技术完成各项流程的实时监控，同时实验者可以根据可视化菜单展示试验过程以及数据结果，方便对试验进行各项操作。

5）专家系统则是对采集的数据分析处理，判断电机质量是否达标，不达标的电机还需分析其影响因素。

2.3 加载方案比较

加载方案主要是指被测电机通过系统获取一个可调节的大功率负载，该负载的产生情况存在各种方案。如今已存在多种加载方案，且各有其优缺点，如表1所示。

通过对多种加载方案进行综合分析比较，考虑到高压机组回馈法能够规避直流机法、测功机法等无法解决的负载匹配问题，并且具有负载选型、安装操作简易、以及试验运行成本较小等优点，试验中的加载方案选择了高压机组回馈法。

该方法主要原理如下：试验机组由属于同一型号、且以同轴联接方式进行连接的试验样机和陪试负载组成。为试验样机和陪试负载供电的设备均是2台同步发电机，但两者是异步发电，试验样机仅需直接供电，而为陪试负载提供电源的设备则需由直流机变频输出为变频电源后再行供电。这样供电能够使得试验样机、陪试负载内的能量回馈至电网，能够保障设备电源的品质，而且由于电网的消耗主要为系统内各电机的损耗，一定程度上大幅降低了试验的成本。

2.4 主回路结构

虽然高压电机回馈方法优点众多，但也存在不少缺陷，如配电环境要求较高，起动难度大等。为了弥补这些不足之处，可考虑在充分利用现有低压电机的基础上为系统主回路提供双路升压电压[7]，进而为试验高压电机提供具有可调电压与负载。双路升压电压结构分别被试机以及陪试机供电，需注意的是两者采用相同的供电电机。在低压调节器的作用下，被试电源可适当升压以实现高压电源的可控可调。此后利用回馈法，利用变压器以及变频机组在电机试验中所起到的能量回馈作用，在低压侧回馈高压能量，同时负载能量也能够在低压电网中实现回馈，以达到电动机负载的实际需求。

2.5 试验扩容

由于高压电机回馈方法还具有起动难度大，低电压组难以满足高电压组的试验的缺陷，因此为了确保低压机组能够达到试验所需的容量，因此解决自动化测试系统的试验扩容问题显得十分重要。由于上小节中主回路设计采用了双路升压的高压方式，考虑到电源品质确定等需求，可以选择利用降压法、水电阻消耗法两者相结合的方式对系统进行扩容，不仅确保了低压侧高压负载的回馈，大大降低了试验运行的成本，而且成功增大了低压电机组的试验容量，节约了总投资。

2.6 参数测量系统

在对高压电机及电气开关进行试验的过程中会产生诸如电流、电压等数据信息，记录并分析这些电参数信息，以有效获取最终的试验结果并对高压电机及电气开关的运行状态进行判别。在开展高压电机及电气开关试验的自动化测试中，为了更加便捷地采集这些重要数据，为智能化系统中增加了一个参数测量子系统。该系统在综合了多种参数测量方法的基础上，配备有精确度和自动化水平较高的智能检测仪器以及转矩转速传感器等多参数测量设备。通过利用智能语音以及可视化先进技术，不仅完成了数据的采集工作，而且能够将高压电机及电气开关的试验过程以及结果通过电子显示屏随时随地展示出来，以便工作人员随时了解情况以便有针对性地提出各项建议措施。测量子系统的结构如图2所示。

通过智能语音技术等方式获取高压电机及电器开关的原始数据后，可利用自动化测试系统内上位机的运算功能以及相应的数据处理软件对采集到的数据进行规律分析以及测算工作，根据得出的规律构建相应的数学函数和模型，最终以函数曲线的方式展示出来。通过数据分析处理软件，以曲线拟合的形式获取所需的额定参数[8]。根据拟合结果剔除不符合试验要求的数据，以便能够更加真实、准确地反映电机和开关的工作性能。

3      高压电机及电气开关试验的控制

3.1 试验结构

文中高压电机关合试验中选择以并联的结构形式将电流源与电压源连接起来，其中电压源通过小容量的变压器使其与电流源的相位保持同步，并以震荡回路的形式开展高压电机以及电气开关的试验。在试验之前，电流源的主控开关应为断开位置，同时也需要调整好辅助断路器和试品断路器的状态，分别使它们处于合闸、分闸状态[9]。在试验进行过程中，首先调整辅助断路器至合闸状态，接着利用电压源的作用实现预燃弧击穿，最后判断有没有预击穿的电流存在，其中判断的方式是通过使用罗可夫斯基线圈检测。如果存在该电流，应当立即将预击穿电流的指令直接发送至系统控制器。

3.2 控制策略

对电压关合试验施加外部电压作用，使得试品开关出现了预燃弧击穿。在同关合条件相匹配的基础上，尽快利用电流源主控开关发出导通，以便试品开关能够在电压源作用下迅速转为电流源作用，工作过程中的电流转移过程非常关键。在对在相位控制的过程当中，系统会实时进行监控，从而发现外施电压是否存在较大变化。如果其波形超过零点，将自动操控定时器开启定时，同时也需監控试品开关的开合状态，并等待合闸指令，此时系统将发出th信号。如果出现th信号与外施电压波形过零点的差值比（1/外施电压频率）大的情况，定时器将归零并重新开始计时。反之，如果出现th信号与外施电压波形过零点的差值比（1/ 外施电压频率）小的情况时，将延期输出试品开关相控合闸的指令。

4 结语

文章以系统的结构与功能视角为切入点，在明确系统加载方案优缺点的基础上，进一步完善落实主回路结构设计和试验扩容，并构建参数测量系统，通过利用智能化设备和技术完成高压电机及电气开关试验自动化测试系统。文章通过对高压电机以及电气开关试验的控制进行研究分析，有效明确了开关在电气试验过程中使用的控制方法，从而确保了自动化控制开关关合的实现，提高了电力设备的运行稳定性，也有助于加快电力企业的发展，能够降低其产品成本，并且提高产品质量。

参考文献

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[5]陈子凯.工程电机及其电控器测试系统的设计与研发[D].厦门：集美大学，2011.

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