真空断路器弧后介质恢复试验装置

低压电器（２０１１Ｎｏ．２）　・检测技术・　

真空断路器弧后介质恢复试验装置　

胡成博　，　王振兴　，　耿英三　，　严　鹏’，　孙保军　

（１．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安７１　００４９；　

２．开封供电公司，河南开封４７５０００）　

摘要：介绍了以ＰＩＣ系列微控制器为核心搭建试验装置，在电弧电流熄灭后的　１００　Ｉｘｓ内，控制高压脉冲电源输出连续亚　ｓ级高压脉冲；测试开关电器的弧后介质恢　复特性。试验结果证明该装置能满足设计要求。　关键词：真空断路器；介质恢复；试验装置　中图分类号：ＴＭ　５６１．２文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－５５３１（２０１１）０２－００５０－０５　胡成博（１９８４～），　男，硕士研究生，研　究方向为智能化电　

器。　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｄｅｖｉｃｅ　ａｆｔｅｒ　Ａｒｃ　

Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ　

ＨＵ　Ｃｈｅｎｇｂｏ　，ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎｘｉｎｇ　，ＧＥＮＧ　Ｙｉｎｇｓａｎ‘，ＹＡＮ　Ｐｅｎｇ　，ＳＵＮ　Ｂａ￣ｕｎ　

（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　

ｘｉ’ａｌｌ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋａｉｆｅｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ　４７５０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ＰＩＣ　ｒｎｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｆｔｅｒ　１００　ｓ　ｗｈｅｎ　

ａｒｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｕｌｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｏ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｓｕｂｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔ・　ａｇｅ　ｐｕｌｓｅ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ａｒｅ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ａｐｐａｒａｔｕｓ．Ｅｘｐｅｒ—　ｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃｏｕｌｄ　ｆｕｌｆｉｌｌ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖａｃＨｎｍ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄｅｖｉｃｅ　

０　引　言　

真空断路器开断电路后，触头间隙中存在金　

属蒸气、残余的等离子体、金属液滴等粒子…，且　

这些粒子的扩散时间常数通常都在　ｓ级　，给　

研究弧后介质恢复特性的工作带来了很大难度。　

研究介质恢复特性，通常使用电弧电流过零后施　

加电脉冲的方式。ＦａＴａｌ等　采用峰值１００　ｋＶ，　

上升时间０．２／．Ｌｓ的单电压脉冲；Ｙａｎａｂｕ＿４　采用峰　

值１５０　ｋＶ，上升时间１．２　ｓ的雷电冲击脉冲；　

Ｓｃｈａｄｅ等　采用上升率约为３０　ｋＶ／￣ｓ的电压脉　冲，这些方法采用的电压脉冲均在　ｓ级。一般来　

说，介质恢复过程会受到电压脉冲的影响，如果采　

用更快前沿的电脉冲，将减小电压脉冲对介质恢　复的影响，获得更准确的介质恢复特性。但是，更　

加陡峭的高压脉冲上升沿和连续脉冲群也给控制　装置的电磁兼容性能提出了较高的要求。　

本文介绍一种基于ＰＩＣ单片机控制的装置，　

可通过设置试验参数来改变各断路器动作时间，　

实现精确时序的动作配合，并在检测到电弧电流　

过零后精确触发的高压脉冲群，对弧后真空介质　

恢复特性进行研究。另外，试验回路通过调节电　

容器组充电电压，可进行不同电弧电流下的介质　

恢复试验。为了提高电磁兼容性能，保护试验人　

员及设备，装置采取了一系列电磁屏蔽措施，并加　

入延时断电自保护装置。经试验证明，该装置能　满足试验控制要求。　

ｌ　试验回路及程序流程　

该试验使用电容器组作为电流源，电容器组　

Ｃ。的充电回路使用市电充电，通过调压器ＴＤ２和　

升压变压器Ｔ１来调节充电电压，充电电压为　

王振兴（１９８３一），男，博士研究生，研究方向为电器智能化理论与技术。　耿英三（１９６３一），男，教授，博士生导师，研究方向为电器智能化理论与技术及电器计算机辅助设计与仿真。　

一

５０—　・检测技术・　低压电器ｆ２０１１Ｎｏ．２）　

０～１　０００　Ｖ范围内可调。回路中，使用全波整流　桥ＶＤ１对交流电进行整流后给电容器组Ｃ。充　

电。通过对充电电压的调节，可在不同电流下进　行介质恢复试验研究，如图１所示。　

图１　电容器组Ｃ，充电同路　

介质试验电路如图２所示，试验使用电容器　

组ｃ　与电抗器　组成ＬＣ振荡回路，提供固有频　

率为工频（５０　Ｈｚ）的电流，ＱＦ１与ＱＦ２为永磁操　

动机构的真空断路器，ＱＦ为真空断路器试品，操　

动机构也为永磁机构。初始状态下，ＱＦ２为分闸　

状态，ＱＦ１、断路器试品均为合闸；ＶＩＳ为高压脉冲　

发生器；电容分压器ＣＶＤ采集试品两端电压值，　

罗氏线圈ＲＣ采集试品回路电流，并接示波器观　

察和记录。　

Ｃ　——　——一　Ｊ———　ＯＦ３＼　Ｔ，　ｃ　［　一　ＲＣ　

ｎ　丫一　

２介质恢复试验回蹄　

试验流程是：ＱＦ２合闸，开始ＬＣ振荡，在中　

产生工频电流；同时，打开断路器试品电流过零检　

测中断，延时Ｔ１；断路器试品分闸，开断电流并产　

生电弧，延时ｒ２，ＱＦ１分闸，将振荡回路等断路器　

试品隔离，如图３所示。　

同时，罗氏线圈ＲＣ采集断路器试品电流信　

号，并通过过零检测电路上传给单片机，当电流向　

上过零时，过零中断程序开始，即打开定时器中　

断；定时器计时溢出后，触发定时器中断程序，即　

触发高压脉冲，对试品进行高压连续脉冲探测试　

验　开肩电流过零中断　●　主断路器ＱＦ２合闸　产生工颁正弦振荡电流　＋　ｌ　延时　

．　●　ｌ试验断路器ＱＦ分闸　ｌ　对电流进行托弧　

ｌ　延时Ｔ２　●　Ｉ　『保护断路器ＱＦ１分闸　切断电流源　（过零中断程序开始）　●　开启定时器中断　设定初值丌始计时　

（定时器中断程序开始：　●　／／＼＼Ｎ　位正确　＼／　‘Ｙ　触发高压脉冲　关闭定时器中断　Ｊ　厂ｉ；　

图３试验流程图　

２　试验控制电路设计　

根据试验流程，对控制电路有以下要求：①对　

保护断路器ＱＦ１、主断路器ＱＦ２，试品ＱＦ的永磁　

操动机构进行高精度的准确控制；②对试品电流　

测量，并精确检测电流过零点；③过零后，精确控　

制触发脉冲群时刻；④对控制装置进行电磁兼容　

方面的改进。　

介质恢复试验控制电路包括５个部分：控制　

芯片、断路器控制、人机交互、外部输入量采集和　

高压脉冲触发；此外，试验电路还进行了提高电磁　

兼容性的改进。试验控制电路如图４所示。　

数码管　显示及键温　

键盘显示驱动ＺＬＧ７２８９Ａ　

控制芯片　ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ　

高压脉冲发生器　

图４控制电路结构图　

５１—

　低压电器（２０１１Ｎｏ．２）　・检测技术・　

２．１控制电路　

２．１．１控制芯片　考虑到试验的控制精度要求及高频电压脉冲　

造成的复杂电磁环境，控制电路选用性能稳定、抗　

干扰能力强的ＰＩＣｌ６　７７Ａ微控制器作为控制芯片。　

ＰＩＣ微控制器工作在ＨＳ工作模式下，外接　

２０　ＭＨｚ的有源晶振，能满足断路器及脉冲触发时　

对精确控制的要求。ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ自带丰富的外　

围设备，为提高试验控制精度和可靠性创造了条　

件：①使用１６　ｂｉｔ硬件定时器，在电弧电流过零后　

准确触发高压脉冲；②在过零检测部分使用ＲＢ　

电平变化中断功能；③Ｅ　ＰＲＯＭ用于存储试验参　

数，使其复位后不丢失；④硬件看门狗模块能使　

ＰＩＣ单片机跑飞或死机后自动复位；⑤提供Ａ～Ｅ　

共５组的Ｉ／Ｏ端口，能满足试验控制电路设计需要。　

２．１．２断路器的控制　

ＱＦ１和Ｑｒ２分别为２个永磁机构操动的　

４０．５　ｋＶ真空断路器。试验采用ＩＧＢＴ来控制分、　

合闸线圈回路的通断，实现对ＱＦ１和Ｑｒ２的控　

制。分、合闸线圈的电感较大，直接关断会造成较　

大的的操作过电压，对电力电子元件造成损坏，故　要对断路器进行控制，如图５所示。图５中，１、２、　

３为单片机控制信号输入端；ＶＴ１、ＶＴ２、ＶｒＩ’３分别　

为分闸ＩＧＢＴ、合闸ＩＧＢＴ和总路ＩＧＢＴ；电力二极　

管ＶＤ１和电阻　组成续流通道。　

ＶＴ２　合闸ＩＧＢＴ　

合闸线圈　

图５　ＩＧＢＴ断路器控制驱动电路　

分（合）闸动作分为３个时序动作：①同时接　

通分（合）闸ＩＧＢＴ和总路ＩＧＢＴ，对分（合）闸线圈　

通电，使机构开始运动；②通电　后，进入续流阶　

段，关断总路ＩＧＢＴ，此时线圈中电流反向；③续流　

，关断分（合）闸ＩＢＧＴ，完成整个动作。　、　

一５２一　分别为线圈通电时间、续流时间，为多次试验获得　

的经验值。　断路器试品ＦＱ采用集成控制模块进行驱　

动，在分、合闸信号端分别输人高、低电平，即可完　

成控制。　

试验中，要实现３个断路器精确的时序配合，　

主要是控制好各个断路器启动时间，即延时　。和　

。在程序设计中，由于一级ｍｓ级精度不能满足　

试验控制精度要求，因此，对７＇ｌ和　采用了两级　

精度调节，第一级精度为１ｍｓ，第二级精度为　

２０　ｓ。　

２．１．３人机交互　

人机交互部分用于实现参数设定、指令下达、　

设备状态显示等功能。本试验控制板的人机交互　

部分使用ＺＬＧ７２８９Ａ芯片驱动的８　ｂｉｔ　ＬＥＤ数码　

管及键盘阵列。ＺＬＧ７２８９Ａ采用ＳＰＩ串行接口与　

ＰＩＣ单片机通，占用单片机Ｉ／Ｏ端口较少（４个）。　

另外，ＬＥＤ数码管结构简单、抗干扰性强、性能稳　

定、不易被高压脉冲干扰，能够满足试验需要。　

２．１．４外部输入量采集　

试验中，使用罗氏线圈ＲＣ对试品电流进行　

测量；通过过零检测电路，将电流信号转化为方波　

过零信号，并传送给微控制器，触发电平变化中断　

程序；采用ＬＭ３３９电压比较器组成过零检测电　

路，电路中通过　，和　、　和月　两路分压电阻，　

ＬＭ３３９对分压结果进行比较，并以高、低电平给　

出比较结果。试验前，可通过电位器Ｒ　调节比较　

电压，使电路在过零点前、后不同的位置触发。由　

于该电路用于检测正向过零，二极管ＶＤ２用于将　

反向电压信号接地，稳压管ＶＤ５用于稳定输出过　

零信号高电平，使单片机能有效接收信号，如图６　

所示。　

２．１．５高压脉冲触发部分　

本试验使用的高压脉冲发生器最高输出电压　

为１００　ｋＶ，输出电压最大值在３０—１００　ｋＶ可调；　

输出脉冲的频率可在１～２　０５０　Ｈｚ调节；输出电　

平为负脉冲，在负载为１００　ｋｎ时，脉冲前沿小于　

９０　ｎｓ；连续工作时间可在０．１～１０　Ｓ设定；除了手　

动触发外，也可在外触发信号１ＴｒＬ电平的作用下　

进行同步触发。　

在电弧电流过零点，触发微控制器的电平变　

化中断程序后，微控制器内置１６ｂｉ

ｔ硬件定时器