真空断路器灭弧室真空度在线监测系统的研究毕业论文

毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 2 页编号： 毕业设计说明书题 目： 真空断路器灭弧室真空 度在线监测系统的研究 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 2 页目 录引言 .11 绪论 .21.1 我国电力工业的发展 .21.2 真空断路器简介 .21.3 真空灭弧室的工作原理 .31.4 真空断路器真空度降低原因分析 .42 真空断路器结构、分类与真空度检测方法 .52.1 真空断路器类型 .52.2 真空断路器的结构 .52.2.1 真空断路器的基本要求.52.2.2 功能部件.52.2.3 真空断路器的操动机构.62.3 真空断路器优缺点 .72.3.1 真空断路器优点 .72.3.2 真空断路器缺点 .72.4 真空断路器真空度检测方法介绍 .82.4.1 离线检测 .82.4.2 在线检测 .93 设计思路 .113.1 设计依据 .113.2 设计构思 .124 硬件设计 .134.1 设计流程图.134.2 电阻分压、稳压二极管稳压 .134.2.1 电阻分压.134.2.2 稳压电路.144.3 电压跟随器 .154.4 电压电流转换和电流电压部分 .164.5 信号放大部分 .19毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 2 页4.6 信号全波整流部分 .224.7 二阶低通滤波部分 .264.8 硬件设计部分 .284.8.1 单片机硬件部分.284.8.2 AD 转换硬件部分 .334.8.3 串口通信硬件部分.365 软件设计 .426 调试 .447 结论 .45谢 辞 .46参考文献 .47附 录 1.48附 录 2.53毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 55 页 引言高压断路器在电力系统中具有控制和保护双重功能，是电力系统一次设备中检修、维护工作量最大的设备之一。有关资料表明，开关的维修费用占变电站总维修费用的一半以上，而且大部分用于断路器的小修和定期检修上。真空断路器由于灭弧能力强、电气寿命长、现场维护方便、技术含量高等优点，在电力系统基本建设及无油化改造中，被广泛选用。尤其是在 l0kV 电压等级，真空断路器已经成为高压断路器的首选型式。然而，在运行中的真空断路器灭弧室，其真空度有可能因为许多原因在不知不觉中下降，按常规，我们只有在定期的预试时才能发现设备存在的缺陷。如果在预试周期内，真空灭弧室内气体压强升至 1xl0-1Pa 以上时，将完全有可能因为真空度的下降使断路器在短路故障分闸时动、静触头之间产生放电击穿，使真空灭弧室不能有效灭弧，严重情况下真空断路器将发生爆炸，造成设备损坏事故以及输电线路停电，导致严重的经济损失，国内真空开关事故均是由于此原因引起的。由于灭弧室是以真空条件作为其工作基础的，所以它不象油开关，SF6 开关那样容易检查其介质量。有些真空开关在运行过程中其真空灭弧室含有不同程度的泄露，因此如何才能实时在线观测到真空断路器灭弧室的真空度，以防范事故于未然？这已经成为电力系统十分关注的一个问题。美国、日本及前苏联等国早在 20 世纪五六十年代久开展了电力开关设备在线监测的研究工作，开始由定期检修向状态检修转变。我国自 80 年代以来，在变电站高压设备在线监测、故障只能诊断方面也进行了大量的研究工作，取得了很多的成果，逐步积累了一些经验，为开展状态检修打下了良好的基础。 12毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 55 页 1 绪论1.1 我国电力工业的发展首先介绍一下我国电力工业的建设成就。中国电力工业始于 1882 年。新中国成立前，电力工业发展缓慢，1949 年发电装机容量和发电量仅为 185 万千瓦和 43 亿千瓦时，分别居世界第 21 位和第 25 位。新中国成立后，电力工业得到快速发展，1978 年发电装机容量达到 5712 万千瓦，发电量达到 2566 亿千瓦时，分别跃居世界第 8 位和第 7位。1978 年改革开放到 2000 年，我国发电装机和发电量先后超越法国、英国、加拿大、德国、俄罗斯和日本，居世界第 2 位。1987 年发电装机突破 1 亿千瓦，1995 年超过了2 亿千瓦，2000 年跨上 3 亿千瓦台阶。进入新世纪，电力工业进入历史上的高速发展阶段，2004 年全国发电装机突破 4 亿千瓦，2005 年超过了 5 亿千瓦。电力技术水平接近和达到国际先进水平。改革开放之前，我国发电设备只能生产12.5 万千瓦和 20 万千瓦等级及以下的机组，输变电设备只能生产 220 千伏及以下的装置。随着电力工业的技术装备水平不断提高，我国成批量生产的 30 万千瓦和 60 万千瓦机组已成为国内的主力机型。目前,60 万千瓦、90 万千瓦超临界机组已经投产发电，国产百万千瓦级超超临界机组也即将投产。通过引进国际先进技术，国内合作生产的 30 万千瓦大型循环流化床锅炉发电设备、9F 级联合循环燃气轮机、60 万千瓦级压水堆核电站和 70 万千瓦三峡水轮机组等发电设备在性价比上已经具有了国际竞争力。同时，国内制造厂家生产制造的 500 千伏交直流输变电设备已成为电网的骨干输电网架。西北 750 千伏交流输变电示范工程和河南灵宝背靠背成套设备已建成投产。 但是，在有些方面我们同国际先进水平相比仍有一定差距，如百万千瓦级核电站的设备制造。1.2 真空断路器简介真 空 断 路 器 因 其 灭 弧 介 质 和 灭 弧 后 触 头 间 隙 的 绝 缘 介 质 都 是 高 真 空 而 得 名 ； 其具 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 适 用 于 频 繁 操 作 、 灭 弧 不 用 检 修 的 优 点 ， 在 配 电 网 中 应 用 较为 普 及 。真 空 断 路 器 主 要 包 含 三 大 部 分 ： 真 空 灭 弧 室 、 电 磁 或 弹 簧 操 动 机 构 、 支 架 及 其他 部 件 。 以 下 是 对 基 本 术 语 和 各 部 分 的 具 体 介 绍 ： 毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 55 页 1.80 年 代 以 前 ， 真 空 断 路 器 处 于 发 展 的 起 步 阶 段 ， 技 术 上 在 不 断 摸 索 ， 还 不 能制 定 技 术 标 准 ， 直 到 1985 年 后 才 制 定 相 关 的 产 品 标 准 。目 前 国 内 主 要 依 据 标 准 为 ：JP3855-96 3.6 40.5kV 交 流 高 压 真 空 断 路 器 通 用 技 术 条 件 DL403-91 10 35kV 户 内 高 压 断 路 器 订 货 技 术 条 件 这 里 需 要 说 明 ： IEC 标 准 中 并 无 与 我 国 JB3855 相 对 应 的 专 用 标 准 ， 只 是 套 用 IEC56 交 流 高 压 断 路 器 。 因 此 ， 我 国 真 空 断 路 器 的 标 准 至 少 在 下 列 几 个 方 面 高于 或 严 于 IEC 标 准 ：(1) 绝 缘 水 平 ： 试 验 电 压 IEC 中 国 1min 工 频 耐 压 (kV) 28 42(极 间 、 极 对 地 )48(断 口 间 ) 1.2/50 冲 击 耐 压 (kV) 75 75(极 间 、 极 对 地 )84(断 口 间 ) (2)电 寿 命 试 验 结 束 后 真 空 灭 弧 室 断 口 的 耐 压 水 平 ： IEC56 中 无 规 定 。 我 国JB3855 一 96 规 定 为 ： 完 成 电 寿 命 次 数 试 验 后 的 真 空 断 路 器 ， 其 断 口 间 绝 缘 能 力 应不 低 于 初 始 绝 缘 水 平 的 80%， 即 工 频 1min33.6kV 和 冲 击 60kV。(3)触 头 合 闸 弹 跳 时 间 ： IEC 无 规 定 ， 而 我 国 规 定 要 求 不 大 于 2ms。(4)温 升 试 验 的 试 验 电 流 ： IEC 标 准 中 ， 试 验 电 流 就 等 于 产 品 的 额 定 电 流 。 我 国DL403-91 中 规 定 试 验 电 流 为 产 品 额 定 电 流 的 110%。2.真 空 断 路 器 的 主 要 技 术 参 数 (1).开 距(2).触 头 接 触 压 力(3).接 触 行 程 (或 称 压 缩 行 程 )(4).平 均 合 闸 速 度(5).平 均 分 闸 速 度(6).合 闸 弹 跳 时 间(7).合 、 分 闸 不 同 期 性(8).合 、 分 闸 时 间(9).回 路 电 阻 15.161.3 真空灭弧室的工作原理真空断路器的灭弧室每一只为一不可拆卸的整体，动、静能为分别焊在动、静导电杆上。静导电杆焊在上法兰盘上，动导电杆上焊一波纹管在导向套内运动。波纹管及导向套焊在下法兰盘上，由瓷柱支撑的金属圆筒屏蔽罩在动静触头外面，再与玻璃外壳形成一密封的腔体。该腔体经过抽真空，真空度一般在 10-6Pa 以上。当合、分闸操作时，动导电杆上下运动，波纹管被压缩或拉伸，使真空灭弧室内的真空度得到保毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 55 页 持。在真空中由于气体分子的平均自由行程很大，气体不容易产生游离，真空的绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多。真空断路器中的触头断开过程中，依靠触头产生的金属蒸气使触头间产生电弧。当电流接近零值时，电弧熄灭。一般情况下，电弧熄灭后，弧隙中残存的带电质点继续向外扩散，在电流过零值后很短时间内弧隙便没有多少金属蒸气，立刻恢复到原有的“真空”状态，使触头之间的介质击穿电压迅速恢复，达到触头间介质击穿电压大于触头间恢复电压条件，使电弧彻底熄灭，触头间的介质强度又迅速恢复起来。1.4 真空断路器真空度降低原因分析真空灭弧室漏气的原因分析：1.触头行程的影响 国产各种型号的 10kV 真空断路器灭弧室的触头超行程是在 4mm 左右，开距 11mm 左右应严格测量控制。真空断路器在安装或检修时，严格按照产品安装说明书中触头行程要求准确测量，调整拉杆，防止行程超越。2.跳的影响 真空断路器的触头多为对接式结构，在分合闸操作中可能产生不同程度的反弹现象，不论分闸反弹还是合闸反弹都会给运行带来危害：波纹管经受强迫振动可能产生裂纹，使灭弧室漏气；分合闸时的冲击速度及冲击力较大，发生弹跳，可能产生触头和导电杆的变形，甚至产生裂纹；切合电容器组的真空断路器如果发生合闸弹跳，还会导致电容器的损坏。3.分合闸速度的影响 断路器在投运前应测量分合闸速度，可以及时发现产品质量和调试上的一些问题，防止分合闸速度过大，对灭弧室产生严重震动和撞击。4.缓冲器的影响 应仔细检查缓冲器行程，不应有变形损伤现象或压缩超量，须留缓冲裕度。5.操作机构容量的影响 不同型号容量的开关，须配置不同容量的操作机构，在安装或改造时，应按制造厂家的要求配置，如果容量偏大，将对灭弧室产生严重撞击，造成真空灭弧室波纹管损坏。运行和检修中应注意的事项：真空灭弧室管内的真空度通常是在 10-410-6Pa，随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数增多，以及受外界因素的影响，其真空度逐步下降，下降到一定程度，将会影响它的开断能力和耐压水平。因此，真空断路器在使用过程中必须定期检查灭弧室管内的真空度。1.运行检查 对玻璃外壳真空灭弧室，巡视检查时可以定期目测。正常时内部的屏蔽罩等部件表面颜色应很明亮，在开断电流时发出浅蓝色弧光；当真空度下降很严重时，内部颜色就会变得灰暗，开断电流时将发出暗红色弧光。2.试验检查 工频耐压试验：定期（13 年左右）进行一次工频耐压试验（42kV/min）。当动静触头满足额定开距条件时，如果耐压很低，达不到规定耐压标准，就说明真空灭弧室真空度已严重下降，不能继续使用。 真空度测试仪检查：用真空度测试仪定期测量灭弧室真空度，真空度下降超过规定数值，可再做一次真空的耐压试验，进行再次确认其完好性。3.技术数据的检查 虽然真空断路器不进行周期毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 55 页 大修，但检查维护必须开展，对断路器的各项技术进行定期实际测量，以判断其传动系统的状况。4.断路器的特性试验 定期对断路器的特性进行试验，以检查行程、弹跳、速度等关键数据的变化，及时调整，消除隐患 13、17、18 。2 真空断路器结构、分类与真空度检测方法2.1 真空断路器类型真空断路器的类型，可从不同角度来划分，一般情况下主要从以下两个方面划分：(1)按使用场所划分-可分为户内式和户外式，分别用 ZN 和 ZW 来表示。(2)按断路器主体与操动机构的相关位置划分-可分为整体式和分体式。整体式真空断路器操动机构与开关本体安装在同一骨架上，体积小、重量轻、安装调整方便、机械性能稳定。分体式真空断路器操动机构与开关本体分别装于开关柜的不同位置上，断路器的各项机械特性参数必须安装在开关柜上调整试验才有实际意义，这种安装方式主要受我国少油断路器的安装方式的社响，比较适合于少油开关柜的无油化改造，优点是巡视和检修方便，缺点是安装调整稍麻烦，机械特性的稳定性和可靠性稍逊 16-18。2.2 真空断路器的结构2.2.1 真空断路器的基本要求(1)机械性能稳定，例如合闸弹跳时间，希望在寿命全程中保持同一状态，不要初期无弹跳，后期则弹跳。(2)足够的机械强度，使断路器本身具有足够的动稳定度。(3)高压区和低压区的分隔，最好是前后布置，有助于保证运行中人员的人身安全。(4)操动机构的检查、调整、维修要有足够空间。方便。(5)配用机构的可选择性，有的型号可配 CD 和 CT 两种机构，有的只能配用一种。(6)结构简单、工作可靠、价格低廉。(7)易于实现防误联锁。所有真空断路器，不论是何种结构，断路器本体中均装设有分闸拉力弹簧。合闸毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 55 页 过程中操动机构既要提供驱动开关运动的功，又要同时将分闸弹簧贮能。当需要分闸时，操动机构只需完成脱扣解锁任务，由分闸弹簧释能完成分闸运动 18。2.2.2 功能部件真空断路器按其结构的功能可分为六个部分：(1)支架：安装各功能组件的架体。(2)真空灭弧室：实现电路的关合与开断功能的熄弧元件。(3)导电回路：与灭弧室的动端及静端连接构成电流通道。(4)传动机构：把操动机构的运动传输至灭弧室，实现灭弧室的合、分闸操作。(5)绝缘支撑：绝缘支持件将各功能元件，架接起来满足断路器的绝缘要求。(6)操动机构：断路器合、分间的动力驱动装置 172.2.3 真空断路器的操动机构操动机构是真空断路器的驱动装置，主要有电磁操动机构与弹簧操动机构。(1)真空断路器对操动机构的要求：1)机构的输出特性尽量与真空断路器的反力特性相匹配。2)要有足够的合闸输出功；保证真空断路器具有关合短路故障电流的能力。3)合闸后，即使在事故状态下也能稳定地保持合闸（即令开关具有动稳定性）。4)要保证在 85%110%合；同操作电压下能正常合闸；在 65%120%分闸电压下能正常分闸，而在 30%额定操作电压下不得分闸。5)可以电动或手动操作。6)电磁机构应具有自由脱扣的功能。(2)真空断路器的电磁操动机构由于电磁操动机构螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求，所以在真空断路器的发展初期主要是配用电磁操动机构。此外电磁机构具有构造简单、使用简便、造价低廉等优点，是目前配电系统各类断路器的主要配用机构，运行部门不但十分熟悉而且积累了很多使用维护的宝贵经验。常用的电磁操动机构有 CD10、CD17、CD19 型等。CD10 型电磁操动机构原是配用 S10-10 型少油断路器的操动机构，为族传式输出。真空断路器发展初期因无专用操动机构而被采用。现仍有配 CD10 型操动机构的真空断路器在生产。目前少油开关拒的无油化改造，也可采用 CD10 型操动机构。CD17 电磁机构是专门为真空断路器设计的操动机构，为直推式输出。它有CD17、CD17、CD17型，分别配用分断能力为 20、31.5、40kA 真空断路器。毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 55 页 其体积、重量都比 CD10 型机构小得多，合。分闸操作电流也仅是 CD10 型机构的 2/3，安装占用空间小。(3)真空断路器的弹簧操动机构弹簧操动机构可交、直流操作，操作电流很小，一般仅为 1.53A，即便采用直流操作时所需的直流蓄电装置容量也小。它可手动储能合闸、分闸，并且具有过流脱扣功能。在一般的终端配电室可以取消直流蓄电装置而节省投资。国外一般中压等级的断路器大多配用弹簧操动机构。国内初期真