【优秀毕业论文】电力电子控制器研发及其应用.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 电力电子控制器研发及其应用 姓名：李正辉 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：穆建成 20030901 北京交通大学_ 程硕士专业学位论文 丫5 8 6 2 6 4 摘要 本文介绍了一种简易电力电子控制器 ( 简称:电力电子p t )，它 囊括了许多现代电力电子控制应用技术， 能与各种配电自动化系列开关 配合， 除了实现各种高压电力开关基本功能外， 还能完成配电开关的三 段过流保护、远距离有线控制、近距离遥控等功能，同时还可为高压电 力真空开关提供动作电 源， 使普通的高压电力真空开关实现自 动控制和 自 动保护，满足了电力线路电流整定、涌流抑制，过流保护等功能，是 一种取代高压电力p t 的新型电力电子综合控制装置。 木文主要阐述了该电力电子控制器的原理、结构、可靠性设计，尤 其是对控制器的电气原理进行了详细的描述， 对其设计实现和试验报告 予以阐述，同时以新开发的电力电子控制器在1 2 k v 配电自 动化开关中的 应用实例说明该简易控制器的主要用途和重要经济价值。 关键词:电力电子控制器开发应用 本研究得到天水通号电力设备有限公司新产品开发基金的资助。 未终作尹、 补 帅同 愈 r , 个份户一市 北京交通人学 程硕十专业学位论文 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r , a n e w t y p e o f p o w e r 第二阶段: 6 月旧- 6 月1 5 日 走访兰州铁路局嘉峪关铁路机务段 和北京局大同供电段等铁道电 气化供电 用户单位并写出 地方电力市场分 析报告; 第三阶段: 6 月1 6 日 6 月3 0 日走访西安交通大学思源智能电器开 发中心， 预定设计计划和设计方案; 第四阶段: 7 月旧 -7 月1 7 日查阅文献， 汇总市场调研分析报告， 通过设计方案评审论证: 调研结论: 目 前， 在地方电 力1 2 k v 输电线路及铁路电力贯通线和自闭 线中，1 2 k v 柱上真空断路器正在广泛应用，其性能可靠性及操作方便性 是用户最关注的问题。但柱上真空断路器主要应用于城市供电网络和农 村供电网络系统，其所用的操作机构的电源问题一直比较棘手，很难解 决， 若用高压控制器给机构供电，还需装熔断器和避雷器，不但增加了 施工难度，而且加大了成本，若专门配置一条操作电 源专线，同样会给 用户及施工单位带来了麻烦，新型电力电子控制器的诞生将会从本质上 解决开关操作电源的问题。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 .2设计思想 1 2 k v电动柱上真空断路器与手动开关相比有许多显著优点，如:可 以方便实现就近摇控分合闸操作、远程控制等功能。但电 动开关在应用 过程中存在储能电源和分合闸电源的来源问题。目 前，电动柱上开关的 工作电源主要有如下两种来源: 一是应用站用电，这种方法只局限于站内开关而且每台开关需设置 2 2 0 v电源线，给应用和安装带来不便; 二是站外( 既散点) 电 动柱上开关应用高压控制器为储能电机和分合 闸线圈提供电源，常用高压控制器分户内控制器和户外控制器两种: ( 1 ) 用户外控制器首先遇到的问题就是架构复杂， 直接影响线路 运行的安全性和美观程度， 另一问题是价格昂贵， 环网供电需两台户外控 制器，其价格相当于一台真空开关; ( 2 ) 应用户内控制器存在的主要是安装问题，户内控制器应该装 在开关本体内部， 这样一来开关本体箱体必须加高2 5 -3 0 公分，使开关 显得笨重， 且开关本体内部加装控制器存在无法解决的矛盾， 根据高压控 制器的安装规定， 安装高压控制器应加装熔断器或氧化锌避雷器， 而开关 本体内部恰恰不允许安装熔断器或避雷器， 这里安装的合理性就出现了问 题; 简易电力电子控制器的开发重点主要是将原有的变电所微机集中控 制保护单元功能通过电子电路予以实现。考虑到该简易控制器主要是用 在真空断路器上， 还应根据具体情况，分阶段做好开关的保护功能，并 预留接口 作为将来配网自 动化之用。同时还能在1 2 k v 配电网络停电状况 下作为开关的备用电 源， 停电 后可供开关动作1 0 0 次以上。 这样就简化了 电网维修工作的繁杂性，降低了电网维护的成本，从而解决了我国大部 分地区尤其是中、小城市和农村电网维护难的问题。 北京交通大学工程硕十专业学位论文 1 . 3研发内容 我们设计的电力电子控制器系列产品是集电源、保护、控制、通讯 于一体的一种综合控制装置。 1 。 3. 1 研发的条件 广阔的市场前景 适宜的开发环境; 一定的研发基金; 、2、，.声、. 110白q门 了、jr、了.、 1 3. 2 开发的难点 缺乏统一的系统开发规范; 控制器功能应优化; 有较高专业知识的技术人员; 、1、.j、.尹 11c乙q口 /、了、2、 1 . 3 . 3设计使用工具 ( 1 ) a u t o c a d 2 0 0 0机械设计软件: ( 2 ) p r o t e l 9 9电子电路设计软件; ( 3 )试验设各和制造工具。 第 2章电力电子 控制器设计 第 2章电力电子控制器设计 1 2 k v 配电系列开关技术先进，分断能力高，再配置功能可靠的简易 电子控制器， 整体采用积木式结构， 各部分独立， 结构简单， 易于组装调 试，便于批量生产。 2 . 1设计计划及任务 2 . 1 .1 、研发组分工 该项 目研制开发组成员及分工详见下表: 表2 . 1 序号姓名年龄学历职务/ 职称开发项目组主要任务 1刘艺光5 1 岁 博士教授级高工总顾问，技术支持 2 李正辉3 1 岁硕士技术副总/ 工程师技术总监、 组长、 总体设计 3王天瑞3 9 岁本科 技术部长/ 工程师结构设计专责、型式实验 4 杨坚明4 1 岁本科技术专责/ 工程师电子电路专责、样机试制 5 王明燕2 4 岁本科技术专责/ 助工组装调试及产品出厂实验 2 . 1 .2 、设计计划 研发组一成立，就立即 着手编制设计任务书， 确定设计思路和方案， 详细计划如下: 第一阶段: 2 0 0 2 年7 月1 9 日 7 月3 1 日 ， 编制计划、 汇总资料、 编制 结构和电路设计方案，总体设计评审通过: 第二阶段: 8 月旧-1 1 月3 0 日，结构和电 子电 路详细设计、电 路 板设计，设计图样评审通过: 第三阶段:1 2 月1 日 1 2 月3 1 日， 制作样机壳体和机械结构零件， 电子元件选型，到西安进行电子电路板制作调试; 第四阶段:2 0 0 3 年1 月1 日 2 月2 8 日，样机制作完成，公司内部调 试完毕，完成厂内试验及产品型式试验; 第五阶段: 2 0 0 3 年3 月1 日 4 月1 8 日， 挂网试验、出具用户试运行 北京交通大学工程硕士专业学位论文 报告，公司内部产品鉴定: 第六阶段:2 0 0 3 年4 月1 9 日 5 月1 8 日，上报甘肃省经贸委和通号 总公司进行产品技术审查并做批试鉴定; 2 . 1 .3 、 ( 1 ) 设计任务 设计依据 随着我国电力系统的发展， 用电量增加的同时， 对供电质量也提出了 越来越高的要求， 电力系统自 动化进程不断加快， 智能化已成为新一代开 关电器的大趋势。 考虑到电网故障绝大多数为瞬时故障， 采用少检修或不 检修的自 动开关切断并隔离故障区， 保证非故障区可靠供电， 已 势在必行。 我国铁路1 2 k v自 闭线和贯通线，发生故障后检修、查找故障很不方便， 迫切需要一种自动识别系统完成故障自 动查找及处理。 ( 2 ) 、研究手段 借助通号总公司技术优势，聘请西安交大专家作顾问，完成产品设 计， 通过国家权威机构型式试验、 跟天水市供电 局合作进行新产品现场试 运行，在最短的时间内开发出 此项产品，研发经费概算情况详见表2 . 2 : 表 2 . 2 科 目研发内容 自筹资金小计 津贴及附加费 人员总数折合全时人员数 2 . 0 万元 52 . 7 5 材料及加工 试验费 样机 5 套2 . 6 万 8 . 1 万元 型式试验费5 . 5 万 资料费自行设计0 . 2万元 科研管理费 2 . 5 万元 总计 1 2 . 8 万元 ( 3 )、研发过程 、可行性调研报告; ( 市场前景预测、经济技术分析) 、设计方案确定; 、产品总体设计; 、图样设计 ( 详细计算分析): 北京交通大学 _ 程硕士专业学位论文 、编制各种技术文件; 、设计评审; 、样机制作，工艺、工装验证，整机系统测试; 、改进设计，完善技术性能; 、通过型式试验和上级技术审查鉴定。 2 . 2技术条件 2 . 2 . 1 、主题内容和适用范围 本技术条件规定了电力电 子控制器额定参数、 试验方法、 检验规则及 包装贮运等内容。 适用于电力电子控制器， 该控制器可与各种断路器、 重 合器、负荷开关、分段器等设备配合，使用范围主要是1 2 k v 等级线路变 电站、 配电站， 实现对线路设备的控制与保护， 达到减少停电范围的目的， 实现电网配电自动化。 2 . 2 . 2 、引用标准 d l 4 7 8 - 9 2静态继电 器保护及安全自 动装置通用技术条件 s d 2 8 3 - 8 8静态电流继电器技术条件 2. 2.3 、正常使用环境条件 ( 1 ).周围空气温度: 上限:+ 8 0 c 下限:- 3 0 c 日温差: ,额定电压， m c s l a m - iin . 图 2 . 6 ,过电流判断电路 1 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 、放大电路 j 4 为电路供电所用， j 5 , j 6 为逆变电源所用， n 7 , n 8 达林顿管为在 过流情况下驱动j 4 为电路连续供电。详细运算放大电路如图2 . 7 所示; 气.困 封比 、 韶。、 图2 . 7 、运算放大电路 达林顿场效应管放大电路的特点:一般来说场效应管是电压控制元 件， 利用栅一 源之间的电压变化来控制漏极电流的变化，它的放大作用以 跨导g m( 单位m s ) 来体现， 在场效应管漏极特征的水平部分， 漏极电流 i d 的值主要取决于v g s ， 而几乎与v d s 无关。 双极型三极管是一种电 流控 制元件， 利用基极电流来控制集电极电流的变化， 它的放大作用以电流放 大系数 a来表示，在三级管输出特性的水平部分 ( 放大区)，集电极电 流 1 c 的值主要取决于 j b ,而几乎与 v c e 无关。以上两种放大元件的输出 特性见图2 . 8 所示; 匕 京交通大学 r _ 程硕十专业学位论文 t c 之一一 一-j 8 . 尸 一一一m 一礴n = b c g w 1 l ( 尸 陀 月j ， 今 r ( s ) 4 一由. 了 允 s i : 争 图2 . b :双极型三极管与场效应管输出特性比较 ( a )三极管的输出特性( b )场效应管的输出特性 其次， 在正常工作范围内， 场效应管的栅极几乎不取电流， 其输出电 阻ns 高达1 0 。以上，而双极型三极管的共射极输入电阻r b e 仅为1 k s 2 的 数量级，为了保证栅极不取电流，在n 沟道的结型场效应管放大电路中， 要始终保证v g s 3 0 m ) : 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 . 4控制器基本特点: * * * 少: 无需与高压线路直接相连; 充电电流范围极宽 ( 3 0 m a ) ; 在静态时，只有一小部分电路进行信号的检测，对蓄电池耗电极 *在高压线路停电的情况下，可对开关进行多次合、分闸及储能操 作; * * * * * 具有可靠的有线远方控制功能; 可以扩展进行杆下近距离无线遥控 ( 遥控距离可达1 5 0 m ) ; 可以扩展具有合闸涌流抑制功能; 可以扩展具有过电流脱扣调节功能; 可以扩展具有短路故障分级保护功能。 * 三段式复合保护: 合闸涌流控制功能、过流保护功能、速断保护功 *过流定值连续可调 *延时时间连续可调 5可靠性设计 匕匕 查月. q乙 2 . 5 . 1 、元器件选型: 根据调研， 我们认为新型电力电子控制器内各个电子元件应一般采用 军品， 少部分电器元件应采用进口 元器件， 蓄电池则采用日本进口蓄电池。 2 . 5 . 2 、环境因素: 本产品为户外使用装置， 在设计时充分考虑了不同地域间温度、 湿度、 风力、雨量、电波干扰等环境影响因素。 设备户外运行工况恶劣， 密封设 计，为防偷盗和操作安全还要求机壳加锁; 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 . 5 . 3 、参数冗余设计: ( 1 ) .温度:普通一 3 0 0 c - - - + 7 0 0 c基本满足用户要求; 宽温一 4 0 c - 一+ 8 0 1 c用于特殊地域环境; ( 2 ) 、密封:本品为全密封设计，满足 i p 6 6 ;箱体内部电路板及元 件均做三防处理; ( 3 ) 、电 源:容量选择三倍冗余，d c 1 2 v 7 a h x 2 = 1 4 a h ( 4 ) 、电波干扰:产品采用的模拟电路设计，不受外界干扰; 、温度湿度控制器 ( 选件)强制调节箱内温、湿度; 、控制电路的元件均采用进口 元件，能量储存采用日 本n p 免 维护电池; 电子控制器功率输出元件采用两倍冗余，可靠性可提高两个等级，为 了解决产品在户外的锈蚀问题，外壳选用不锈钢，结构美观，成本增加不 多，产品一定具有较强的生命力和市场竞争力。 第 3章电力电子控制器实现 第 3章电力电子控制器实现 3 . 1电路板制作 3 . 1 . 1 p r o t e 1 9 9的特点 p r o t e l 9 9 是p r o t e l t e c h n o l o g y公司1 9 9 9 年4 月推出的最新e d a 软件 产品，它主要包括p r o t e l -s c h e m a t i c 和p r o t e l -a u t o t r a x 两大部分， 其中p r o t e l -s c h e m a t i 。 是t a n g o -s c h e m a t i c 的版本升级产品，而 p r o t e l -a u t o t r a x 则是t a n g o -p c b 和t a n g o -r o u t e 两大部分综合后的 版本升级产品。其中p r o t e l -s c h e m a t i c 软件用以产生各种高质量电路 原理图，它与p r o t e l -a u t o t r a x 相结合构成一个较为完整的强大体系。 p r o t e l -s c h e m a t i c 生成一个原理图网络表，通过它p r o t e l -a u t o t r a x 将实现自 动布局、自 动连线、自 动布线及利用笔式绘图仪、 光学绘图机、 点阵打印机及激光打印机等生成高质量的制版用墨图等功能。此外， p r o t e l -s c h e m a t i c 软件可以 实现原理图的灵活输出， 其具体特性如下: . p r o t e l 9 9 软件的特点: ( 1 )、采用下拉窗口式菜单，层次分明: ( 2 )、支持e m s( 扩展内存); ( 3 )、可暂停操作，执行d o s s h e l l 命令; ( 4 )、具有强大的键盘宏指令; ( 5 )、输入窗口采用行编辑方式，方便清浙; ( 6 )、可任意重复执行上一次操作; ( 7 )、具有块操作功能， 可以 标记、 移动、 删除、旋转和复制图 形块; ( 8 )、具有方便的 建库功能，用户可以 扩充元件库或建立新库; ( 9 )、可浏览装载元件库中的所有元件; ( 1 0 )、具有区域填充功能; ( 1 1 )、具有元件旋转功能; ( 1 2 )、光标快速跳转和实体查找功能; ( 1 3 )、可对以前版本的文件和图形库实现转换。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 . p r o t e l -s c h e m a t i c 软件的特性: ( 1 )、可选a 0 , a l , a 2 , a 3 , a 4 , a , b , c , d , e ，十种图纸尺 刁 一 ; ( 2 )、具有完整的元器件图形库，数目多达3 0 0 0 余种; ( 3 )、支持9 9 张分图，可由打印机或绘图仪输出; ( 4 )、最小光标栅格0 . 1 英寸; ( 5 )、有对电气网络的高亮标注和管脚指示功能; ( 6 )、库器件图形及特性的浏览功能; ( 7 )、块操作功能，可标记、移动、拷贝、删除和输入输出图 形 块; ( 8 )、可使用细线、粗线、总线和点划线等四种连接线: ( 9 )、快速的重复操作功能; ( 1 0 )、恢复所有被删除实体功能; ( 1 1 )、键盘宏指令的定义、编辑和执行功能; ( 1 2 )、可生成元件连线表并能转换为其它c a d 软件格式; ( 1 3 )、可自动定时将目 前的工作区内容存盘为备份。 . p r o t e l -a u t o t r a x 软件的 特性: ( 1 ) 、 最多可设计8 层， 其中6 个信号层， 1 个电源层和1 个地线层; ( 2 )、可设计单面板并对其进行自 动连线或自 动布线: ( 3 )、提供元件封装图形库，并可用屏幕绘图方式建库; ( 4 )、对阵列元件可重复布线; ( 5 )、具有多种焊盘规格: ( 6 )、可任选标注字符尺寸: ( 7 )、可调节的最小光标栅格为l m i l ; ( 8 )、具有英制和公制两种单位制; ( 9 )、可跟据网络表及自 选的元件最小距等要求最短连线作自 动 布局; ( 1 0 )、多种策略的自 动布线功能，并可处理预布线; ( 1 1 )、自 动布线可选线宽和线距，可任意定义布线时栅格尺寸; ( 1 2 )、对手工布线可做自 动检验; ( 1 3 )、可以生成墨图、丝印图、阻焊图、助焊图和各种检查图: 北京交通人学工程硕十专业学位论文 ( 1 4 )、可以生成光学绘图机需要的g e r b e r 格式文件; ( 1 5 )、可以生成e x c e l l o n 格式数控钻孔机驱动文件; ( 1 6 )、可以图形显示布线过程，并有布线过程中当前状态的连续 的信息提示; ( 1 7 )、可处理不在栅格上的元件和管脚; ( 1 8 )、可中断或继续布线的处理过程; ( 1 9 )、允许对特殊线预先手工布线; ( 2 0 )、用户可以选择布线算法; ( 2 1 )、可以使用d r c( 设计规则检验) 来检查布线; ( 2 2 )、可自 动定时蒋目 前的工作区内容存盘为备份; 3 . 1 .2电路板设计 利用p r o t e l 9 9 1 软件认真设计控制器电 路图 是我们工作的重点， 基于 p r o t e l 9 9 1 软件的强大功能，我们着手控制器电路板设计制作，流程如 下图3 1 所示 图3 . 1 :电路设计流程图 ( 1 )、设计电气原理框图; 北京交通大学工程硕十专业学位论文 ( 2 )、研发组按电路功能模块分工分步设计电路; ( 3 )、设计总体电气原理图; ( 4 ) 、印制电路板自 动布线，生成电器元件分布图 ( 5 ) 、电路元器件选型。 3 . 1 .3电路板制作调试 电气原理图设计完成以后，研制组就利用p r o t e l 9 9 软件包的 a u t o - t r a x e d i t 印制板自 动布局布线功能和辅助手工再布线予以 部分优 化调整， 很方便地设计生成电路板， 圆满完成了电路板的设计和布线工作， 我们总共制作生成了两块电子电路板， 其中一块是控制电路板， 另外一块 是用于控制信号输出的过渡电路板。 经过认真调查选择， 在西安微电 子三 厂制作了印刷电路板。 同时我们按照电器元件选型要求初步选购了各种电 子元器件， 对元器件进行优化筛选， 进行了初步组装和调试， 最后确定了 电器元件明细。步骤如下: ( 1 )、元器件优化筛选; ( 2 ) 、电路板组焊; ( 3 ) 、参数设定; ( 4 ) 、通电调试; ( 5 ) 、电 路板老化实验; ( 6 ) 、电路板高低温实验: ( 7 ) ,整机组装调试。 3 . 2结构设计 3 . 2 . 1 , a u t o c a d 2 0 0 0特点 a u t o c a d 2 0 0 0 是a u t o d e s k 公司推出的最新版本的c a d 设计软件，它较 a u t o c a d r 1 4 有较大幅度的 调整， 使用更加方便。同时， 这个版本也新增 了不少功能，概括起来a u t o c a d 2 0 0 0 主要有以下特点: . 在a u t o c a d 2 0 0 0 中 可以同时打开和编辑多 个图 形文件， 从而方便 了图形之间的数据交换; 北京交通大学工程硕士专业学位论文 . 利用a u t o c a d 2 0 0 0 新增的 设计中 心， 可以 快速浏览、 提取和交换 图形数据; . 对于大型图形文件，可仅打开其一部分，即部分装入等; . 现在， 图层和所有图形对象都新增了线宽、 打印样式和打印属性; . 用户可以更方便、快捷地设计图纸输出布局; . a u t o c a d 2 0 0 0 新增的追踪功能可使用户几乎不必输入坐标便可 进行精确绘图; . 利用a u t o c a d 2 0 0 0 提供的在主图形中编辑外部参照图形; . 利用a u t o c a d 2 0 0 0 提供有快速标注功能，可以 一次标注多个尺 寸; . 利用a u t o c a d 2 0 0 0 新增的三维动态观测器、 实体表面和边编辑命 令，可更方便地观测和编辑三维图形; . 与a u t o c a d 以 前的 版本相比， a u t o c a d 2 0 0 0 对命令进行了 大幅度 的的精简与合并，从而大大减轻系统的负担。 利用a u t o c a d 软件我们认真地编绘了电 力电 子控制器的结构外形、 不 锈钢壳体、输出面板、电路板支撑架、变压器托板等机械零件。 3 . 2 . 2整体结构 考虑到电力电子控制器是与高压真空开关配合安装，我们将其设计 外形与高压真空开关的电 动操动构进行比较， 外形仍为方形， 背面用氢弧 焊焊接固定四个安装螺钉， 这样控制器就可以与电动机构一样背靠背地固 定在开关两端。 ( 1 ) 、机箱:户外全密封设计， 箱门打开角度 1 8 0 。背面固定4 个安 装螺钉。另外，机体内撑托电路板和变压器的安装架板材选用 2 m m厚的 a 3 钢板，用来分别固定电路板、变压器，连接线等。 壳体材料选型:考虑到开关在全天候户外运行的实际情况，控制器 的机箱外壳设计采用不锈钢材料 1 c r 1 8 n i 9 t i ，厚度为 1 . 5 m m ，不锈钢材 料也是近两年在电力电 器领域广泛应用， 尤其是铁路牵引变所户外电 器设 备的壳体大都采用各种新型不锈钢材料制造。 北京交通大学上 程硕十专业学位论文 ( 2 ) 、 面板: 上面板为仪表板， 用以设置和检测工作状态， 下面板为 活动面板用以更换电池。控制器操作面板设计 ( 如图3 . 2 所示) : 一 一人一 一一- 一 输 !jj小 仁犷 铆 户 交 . _ _夕 电 瓶 指 不 .! 川 份韦 瑜 调 几 ) 图3 . 2 , 廷 小 一 民扭 川 一 t -a 41ja illija h ,: 一 电力电子控制器面板平面图 控制器操作面板选用1 . 5 1ua 1 厚的冷轧板， 冲孔，表面喷塑处理，印黑 色宋体字。操作面板各显示位置功能为: 输出指示表i本控制器输出时的电 压值指示( 0 - 3 0 0 v ) ， 不做输出操作 时没有指示。 电瓶指示表i 电压指示 ( 0 - 3 0 v )当按下 【 t s 】时显示电瓶电压。 【保险 】 输出保险 ( 2 a ) . 【电流调节 】 用于过流值设定，设定方法见 “ 功能详解” 【延时时间 】 用于延时时间值设定，设定方法见 “ 功能详解” 【充电 】 充电指示灯。 t s i 用于检测电瓶电 压。按下时 【 电瓶指示表】显示电 瓶电 压。 方 开 关 】 o f f 输入信号和备用电源被断开，控制器不工作。 o n控制器处于工作状态，电 源充电，等待输出指令。 北京交通大学 l 程硕士专业学位论文 ( 3 ) .遥控器:用于杆下就近遥控分、合闸。遥控距离约 3 0 米。 ( 4 ) 、航空接插件: 航空接插件为输入、 输出接口， 使用方法详见应 用实例接线图。 3 . 2 . 3 、零部件 ( 电气元件)布置 在控制器中， 除了壳体外， 还有两块电路板， 一些电 器接插件， 变压 器，以及各种安装支持件。电路板被固定在机体底部， 有利于防振， 变压 器和蓄电池则被安排在控制器的下部， 通过安装架固定， 有利于重心平稳， 两块电路板之间通过软连接线连接， 并利用航空插头输出控制信号， 它们 按计划有规律地被摆放在壳体以内， 利用紧固件旋紧， 确保电器连接可靠， 机械安装牢固，电气功能无阻实现。 3 . 2 . 4 、密封 考虑到开关在户外运行的实际情况，电力电子控制器的密封是开关 的设计重要难题，控制器外壳密封不但采用海绵橡胶条粘合，对外航空 插头连接处采用加密封圈的 办法。 其余不锈钢焊接一律采用点焊，焊后 打磨处理，并且在焊接后要求用水浸渍试漏 1 小时以上，不得出现任何 渗露现象。 3 . 3 样机制造 我们开发小组对产品样机制作全力一赴， 精心准备， 精确制造， 保证 质量， 三个月内从零部件选择和组装调试到全面实验认真完成。 3 . 3 . 1 输出图样， 3 . 3 . 2 机械加工: 3 . 3 . 3 电路板制作; 3 . 3 . 4 整机组装调试; 第 4章组装调试与试验 第 4章组装调试及试验 4 . 1组装调试 4 . 1 . 1 、准备工作: a 、 按照本说明书提供的接线图焊接航空接插件， 与开关机构及手 动操作按钮接线 ( 航空接插件请使用控制器随机配件或能可靠 保证配套性能的同类产品) . b 、检察控制器后备电源:按下调试按钮观察电瓶指示表，保证电 瓶电压 2 5 v 左右。如果低于 2 4 . 5 v ，应立即充电。 c 、调节电流旋钮设定过流定值，( 出厂时已调到过流定值为5 a ) . d 、调节时间旋钮设定延时时间。 e 、将航空插件与控制器接线插座可靠连接，预留远动插座。 4 . 1 .2 、调试方法: a 、开启电源开关，控制器进入工作状态。 此时如机构未储能， 控制器将自动输出能量驱动储能电机进行储能。 b 、合分闸操作:按动手动操作按钮或遥控器按钮即可进行合、 分闸操作。 c 、过流跳闸整定:给开关加满载电流 ( 或用户要求电流) ，微调 电流调节钮使开关刚好分闸，控制器达到整定值。 d 、过流跳闸延时时间整定:根据用户要求对延时时间进行设定 ( 您也可以用测试仪器进行控制器与开关配套整体整定)然后 进行过流跳闸操作调整到理想值。 e 、 速断跳闸:突加 3 倍额定电流，开关会无延时跳闸。 4 . 1 .3 、安装: 制造外型外型尺寸: 3 4 0 * 3 0 0 * 1 8 0 ， 在机箱的背面， 装有四条m 1 0 * 3 0 螺栓， 用户也可以直接安装在开关本体上， 有足够的绝缘距离，亦可采 用其它方式安装。注意安装方向，航空插件一定朝下。 北京交通大学 r . 程硕士专业学位论文 4 . 2试验鉴定大纲 我们本次研制开发的新型电力电子控制器的试验是按照产品技术条 件和试验鉴定大纲规定的方法和项目进行。规定如下: 本大纲是根据天水通号电 力设备有限公司q n 8 3 8 . 0 0 0 . 0 0 0 产品 技术 条件 ( j t )编制的，是样机试制、试验和鉴定的依据。 ( 1 ) 、产品型号和名称 型号:d p t - 1 名称:电力电子控制器 ( 2 ) 、引用标准 d l 4 7 8 - 9 2静态继电器保护及安全自 动装置通用技术条件 s d 2 8 3 - 8 8 静态电 流继电器技术条件 g b 1 1 0 2 2高 压开关设备通用技术条件 j b / d q 2 0 8 0 高压开关设备防雨试验方法 3 ) ,型式试验项目 ( 详见表 2 . 4 )和试验方法 、主要检测设各如下表: 表 4 . 1 仪器仪表名称型号仪器仪表名称型号 交流电压电流表 t2 4 - a v 通用绝缘耐压试验器t d j - 2 / 5 / 兆欧表zc- 7大电流发生装置/ hf d - r e l a y t e s t e r p 3 i mp u l u s e t e s t e r p 6 r 多功能数字毫秒仪 t8 7 0 - a 高低温箱w d4 0 1 脉冲群试验仪 ns g4 3 5 2 3 2 0 横电磁波室ni m8 8 0 3 静电放电装置 ns g4 3 5 2 3 1 6 振动试验台 d- 3 5 0 交变湿热试验箱 s r- 1 0 0 、主要检测内容如下 ( 详见表4 . 2 - 4 . 1 5 ) 北京交通大学l 程硕士专业学位论文 1 ) 、 外观检查表 4 . 2 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 尺寸测量位置宽 ( mm) 高( m m )深( m m ) 实测尺寸 3 8 0 1: 5 6 外 观 检查 检查内容结果 面板 机箱 焊接质量 整体结构 指示灯 拨动开关及微动按钮 航空插头 接地线及接地标志 2 ) 、动作值检验表 4 . 3 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 类别整定值 ( a )动作值 ( a )误差 ( %)技术要求 ( %) 速断 5 . 0 0 x 3 . 0 1 0 . 0 x 3 . 0 5 9 . 9 : f 3 . 0 限时 速断 2 . 0 0 x 3 . 0 5 . 0 0 x 3 . 0 1 0 . 0 夕 3 . 0 过流2 . 0 0+ 3 . 0 5 . 0 0 x 3 . 0 1 0 . 0+ 3 . 0 类别整定值 ( h z )动作值 ( h z )误差( h z )技术要求 ( h z ) 低周减载 ( 加 3 0 v ) 4 8 . 55 t 0 . 0 2 4 9 . 0x 0 . 0 2 北京交通大学一 程硕十专业学位论文 3 ) 、动作时间检验表 4 . 4 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 类别整定值动作值误差技术要求 速断 o s夕 5 ms 限时 速断 0 . 5 0 0 55 士 1 5 ms lo o s二 士 l5 % 9 . 0 0 s: 5 1 1 . 5 % 过流 0 . 5 0 0 5x 1 5 ms lo o s 1 1 . 5 % 9 . 0 0 s二 士 1 5 ms 4 ) 、功率消耗试验表 4 . 5 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 测量回路通入量测试量功耗技术要求 2 4 v直流电源回路 ( 动作前) 2 4 v 2 0 w 2 4 v直流电源回路 ( 动作后) 2 4 v_ 2 0 “ 交流电流 a相 5 a_ 1 v a 交流电流c相 5 a 1 v a 交流电流a相 5 7 . 7 v 1 v a 交流电流c相 5 7 . 7 v5 1 v a 5 ) 、环境温度变化对性能影响试验表 4 . 6 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 低温试验:从常温降至一 1 0 0c，恒温2 小时后在箱内测试 温度整定值动作值/ 时间变差技术要求 - 1 0 0 c5 . 0 0 a ( 过流)+ 5 . 0 % 高温试验: 从常温升至5 0 c . 恒温8 小时后在箱内测试 5 0 0 c5 . 0 0 a ( 过流)5 1 5 . 0 匕 京交通大学l 程硕士专业学位论文 6 ) 、动热稳定试验表 4 . 7 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 类型回路通入电流冲击时间结果 动稳定交流 电流 2 5 0 a1 0 ms 1 0 0 a1 5热稳定 7 ) 、抗干扰性能试验表 4 . 8 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 加入回路类别干扰整定值0 . 9 倍速写值1 . 1 倍整定值结果 电 流过流共模5 . 0 0不误动不拒动 差模5 . 0 0不误动不拒动 电 源/ 电 压/ 开 出/ 开 入/ 试验条件:频率为 1 mh : 的衰减振荡波;第一半波电压幅值。 共模为 2 5 0 0 v ，差模为1 0 0 0 v . 8 ) 、绝缘电阻及工频耐压试验表 4 . 9 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备极限公司出厂编号:样机 试验回路绝缘 电阻 ( mn) 工频耐压试验电压 ( k v) 结果 交流电流回路对地 1 0 0 02 交流电 压回路对地 1 0 0 02 直流2 2 0 v电源回路对地 7 5 01 . 5 开出回路对地 1 0 0 01 开入回路对地 ( 2 4 v ) 5 0 00 . 5 工频耐压试验加电压后经一分钟无闪络击穿现象。 北京交通大学 程硕十专业学位论文 9 ) 、冲击电压试验表 4 . 1 0 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 测试回路试验电压 ( k v )结果 交流电流回路对地 士5 交流电压回路对地 士s 直流2 2 0 v电源回路对地 士s 开出回路对地 士5 开入回路对地 ( 2 4 v ) 士1 1 0 ) 、湿热实验表 4 . 1 1 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 试验回路绝缘 电阻 ( mo) 工频耐压试验电压 ( k v) 结果 交流电流回路对地 1 5 01 . 5 交流电压回路对地 1 4 01 . 5 直流 2 2 0 v电源回路对地 7 51 . 1 2 5 开出回路对地 1 2 00 . 7 5 开入回路对地 ( 2 4 v) 7 50 . 3 7 5 1 1 ) 、电快速瞬变脉冲群抗扰性试验表 4 . 1 2 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 幅值为2 k m 频率为5 0 h z 的 脉冲群藕合到装置的输入电 源和保护地， 脉冲群施加时间为6 0 s , 1 0 m i n间隔，正负极性各3次，装置正常。 整定值 ( 过流) ( a ) 动作值 ( 过流) ( a ) 变差 ( % ) 技 术 要 求 ( % ) + 2 k v5 . 0 0成 士5 . 0 - 2 k v5 . 0 0蕊 上5 . 0 北京交通大学 _ 程硕士专业学位论文 1 z ) ,静电放电抗扰性试验表4 . 1 3 产品名称 制造单位 电力电子控制器 天水通号电力设备有限公司 产品型号 出厂编号 dp t- 1 样机 电压 8 k v的静电放电电压对面板及机壳部位放电，正负极性各 1 0次，装置正常。 1 3 ) ,辐射电磁场干扰试验表 4 . 1 4 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 在试验场强为i o v / m ,频率2 7 - 5 0 0 m h z 下装置正常。 频率 ( mhz ) 整定值 ( 过流 a) 动作值 ( 过流 a) 变差( %) 技 术 要 求 ( % ) 2 75 . 0 0+ 5 . 0 5 05 . 0 0x 5 . 0 1 0 05 . 0 0x 5 . 0 2 0 05 . 0 0+ 5 . 0 3 0 05 . 0 0x 5 . 0 4 0 05 . 0 0x 5 . 0 5 0 02 . 0 0! t 5 . 0 1 4 ) 、振动试验表4 . 1 5 产品名称:电力电子控制器产品型号:d p t - 1 制造单位:天水通号电力设备有限公司出厂编号:样机 试验方位试验频率范 围 交越频率6 0 h z每轴线扫频周 期数 三轴向1 0 - 1 5 0 hzf 6 0 h z :定振幅0 . 0 7 5 m m 1 fl 6 0 h z :定加速度7 m / s 1 0 试验结果:表面应无脱落损坏现象，结构完好。 振动后通电测试动作值及时间定值正常 北京交通大学丁 _ 程硕十专业学位论文 、试验单位:电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心; 、鉴定性质、级别和鉴定内容:产品应进行技术审查、试 运行鉴定和批试鉴定。鉴定级别由上级主管部门规定。 ( 4 ) 、样机鉴定 a . 审查产品技术条件是否符合技术任务书的要求; b . 审查型式试验报告， 检查样机是否达到技术条件和有关标准的 规定; c . 审查产品图样和技术文件的完整性、正确性和统一性; d . 审查产品结构的合理性和先进性; e 。 检查样机主要零部件的制造质量、 装配质量以及外观质量是否 符合设计要求; f . 提出鉴定结论，填写 “ 鉴定证书” 。 ( 5 ) 、试运行鉴定和批试鉴定 产品鉴定后，由鉴定委员会或上级主管部门决定是否进行试运行鉴 定。 批试鉴定时， 除了审查本大纲第4 . 1 条样机鉴定的若干内容外， 还应 审查以下内容。 a . 审查工艺文件的完整、正确和统一性; b . 审查工艺装备是否满足生产的需要; c . 审查产品试运行结果. 4 . 3 出厂试验 4 . 3 . 1试验标准及内 容 ( 1 ) 、国家标准要求， 详见如下标准: 、 d l 4 7 8 - 9 2 静 态继电 器 保护及安 全自 动 装置 通 用 技术 条件; 、 s d 2 8 3 - 8 8静态电 流继电 器技术条件。 ( 2 )、检测内容:( 详见表2 . 5 ) 4 . 3 . 2出厂检测 ( 1 )、 检测:根据以上试验鉴定大纲规定的出厂试验项目 进行检 测，合格后填写出厂试验报告。 ( 2 ) 、试验中发现的问题:做为一种运行在户外的新型电力电子 北京交通大学工程硕士专业学位论文 控制器，公司在产品试制过程中严格控制制造过程质量，同时加强试验 控制，认真记录试验结果，对于试验中发现的问题及时进行分析，通过 改进技术和工艺，努力提高产品的制造水平。主要发现的问题有: 产品的密封性不是很好; 过流值调整范围个别情况下不能到位; 防振试验时产品振动状态下参数有轻微浮动，不利于铁路运 行工况;等等。 4 . 4 设计评审及改进 4 . 4 . 1 、设计评审 2 0 0 3 年4 月，我们研制成功的电 力电 子控制器经聘请西安交大技术 顾问及通号总公司专家一起从设计图样、技术文件、样机、型式试验及 安装调试等方方面面进行了认真的初步鉴定和评审，大家认为研发组基 本认真地完成了课题任务，产品设计思想先进，电路及结构设计合理， 制造工装已 基本齐备，工艺手段也初步具备。但大家同时对试制和试验 过程中已经发现的问题进行了认真分析， 提出了忠恳的改进意见和建议， 最后大家一致同意该产品在改进完成后，可以开始批量试制并立即申 请 上级批试鉴定。 4 . 4 . 2 、设计改进 通过国家电力检测试验中心的型式试验后，我们课题组对产品在样 机试制和实验过程中发现的问题进行了认真的分析， 决定在以下几个方面 进行产品的设计改进。 ( 1 )、过流值调整范围加大; ( 2 )、产品的性能不完善改进; 、便于用户调整便利，将过流值设定按钮和时间设定调整按 钮位置互换; 、考虑到产品的户外运行工况比 较恶劣， 增加密封垫的厚度， 将其从原来的2 m m 改为2 . 5 m m ; 、对于铁路用户，为了加强开关的防振性能，在安装处增加 减振橡胶垫。 第 5章电力电子 控制器应用实例 第 5章 电力电子控制器应用实例 本章主要以天水通号电力设备有限公司研制开发的zw口 一1 2 ( g ) / t 6 3 0 一 2 0 型柱上真空断路器及新型简易电力电 子控制器在天水市供 电分局挂网试运行为例， 介绍1 2 k v 柱上真空断路器采用电力电子控制器 取代高压控制器的 优点及过流脱扣试验的方法。 最后对新研制的简易电力 电子控制器的市场前景进行了初步分析。 5 . 1 1 2 k v 柱上真空断路器结构及特点 目 前柱上开关需用量较大， 重合器、负荷开关用于农网和城网改造， 而分段器主要和重合器配合用于城网改造和铁路1 2 k v自闭线和贯通线的 故障查找。 柱上重合器、 分段器、负荷开关是个发展趋势。1 2 k v柱上真 空断路器由真空开关、 弹簧操动机构及我公司新开发的电力电子控制器三 大部分组成， 其中开关本体部分由导电回路、 绝缘系统、 密封件及壳体组 成， 为三相共箱式。 三相灭弧室安装在绝缘的框架中， 稳定性好， 便于维 护、 检查、 调试。 导电回路由进、出线导电杆， 动静端支座、导电夹与真 空灭弧室连接而成. 外绝缘由高电 压瓷套实现， 具有抗污秽能力， 内 绝缘 为复合绝缘， 箱体内填充优质硅橡胶以解决户外产品的内部真空灭弧室表 面凝露问题。 而该真空开关机构采用了成熟的、 性能可靠的电动机 ( 交直 流 2 2 0 v ) 储能弹簧操动机构，具有电动开断、手动储能、手动关合、手 动开断和过电流 ( 或短路)自 动脱扣开断六种功能。机构由棘轮、凸轮、 合闸弹簧、分闸弹簧、 手动脱扣连杆、 脱扣器、 辅助开关等部分组成。部 分真空开关采用永磁机构。柱上真空断路器具有以下主要特点: ( 1 ) 、真空开关可实现手动也可电动操作; ( 2 ) 、内置式电流互感器，结构紧凑，体积小; ( 3 ) 、整体绝缘 ( 绝缘筒、操作杆等) 采用硅橡胶材料， 重量轻， 安装方便，防污秽; ( 4) 、真空灭弧室外绝缘采用灌封工艺，提高绝缘性能。 其结构外形如图5 . 1 所示。 北京交通大学 f 程硕士专业学位论文 a . 名空灭反盯 r 毯 .公 晚 . 悦 叹c f 产 几 砰二 作机翻 宾二 立 异 尸 一辛 - 7-一 1(鲡 尸 厅附 图5 . 1 、柱上断路器与电力电子控制器配合示意图 5 . 2电力电子控制器配置 目 前柱上开关结构主要以箱式为主，百分之九十五的生产厂家都生 产箱式结构的柱上开关，但是都为了迎合城网、 农网改造无油化的要求， 而没有真正解决真空灭弧室在户外的凝露问题。 新一代户外柱式真空断路 器为三相分立的柱式结构， 每相包括一只高性能纵磁场真空灭弧室， 与电 流互感器一起