毕业设计（论文）-基于PLC的高压真空断路器控制系统的设计.doc

第1章 绪论1.1 课题的提出及研究的意义随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求愈来愈大，这促使电力事业迅速发展。电力法的公布和实施，更要求电力生产、供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。尤其是电力生产部门，需要高度重视电力生产过程的安全、科学合理、稳定性。才能保证整个电力系统的正常运行和整个社会对电力的正常需求。发电机作为电力生产的十分重要的核心。其工作的正常与否直接关系着整个电力系统的电能供应质量，甚至整个电力系统的正常运转。所以保证发电机工作运行过程的稳定将是电力系统最重要的任务。发电机励磁回路是发电机的最重要结构之一。也是发电机故障较容易出现的环节。所以保证发电机励磁回路的正常对发电机的正常运行具有深远意义。发电机励磁回路常出现的是一点，两点接地故障。因此对发电机励磁回路接地保护装置的研究设计是解决发电机运行过程故障的有效途径。目前,励磁回路一点接地保护主要有电桥式、叠加直流电压式、叠加交流电压式、利用导纳继电器的叠加交流电压式和切换采样式。通常的电桥式一点接地保护在故障发生在励磁绕组中点附近时,即使是金属性接地,保护也不能动作,因而保护存在一定的死区。叠加直流电压式一点接地保护在励磁绕组上不同点接地时,流过继电器的电流相差很大,因而不同点接地时灵敏度相差很大。叠加交流电压式一点接地保护由于受励磁绕组对地电容的影响较大,灵敏度较低。用导纳继电器的叠加交流电压式一点接地保护在实际运行中,动作特性受很多因素影响,易发生误动和拒动,整定要求精确,分析起来复杂。转子两点接地保护主要是基于实时求解两个不同的接地回路方程,计算转子过渡电阻及接地点位置,一点接地故障后,启动两点接地保护,当测得的接地位置值发生变化,并且变化值超过整定阈值时,确认为已发生两点接地故障。这种两点接地保护的过渡电阻整定值越大,检测故障位置偏差的整定值越大,保护的灵敏度越低,当故障位置偏差很小时存在保护死区的问题。综上所述,针对目前发电机励磁回路一点、两点接地保护原理存在的问题,有必要对更具科学，更合理的保护原理作以研究探讨。随着技术的发展,社会上已涌现出许多先进的技术。其中微机转子接地保护装置以长记忆特性和强大的数据处理能力为机组励磁回路一点和两点接地新的保护方案提供了有力的保障, 其优点是功能完善、使用及维护方便、智能化程度高、体积小、适应一次系统灵活性大,目前已成为机组转子接地保护的主要保护方式。1.2 本课题完成的主要工作 本课题主要完成以下工作：（1）对发电机励磁回路一点、两点接地保护原理分别进行分析；（2）发电机励磁回路接地保护装置整体接线图的设计，画出整体接线图；（3）发电机励磁回路接地保护装置的硬件设计，画出硬件原理框图；（4）发电机励磁回路接地保护装置的软件设计，给出软件流程图。第2章 发电机励磁回路接地保护发电机励磁回路接地故障是指转子绕组或绕组回路的某一点或某一部分已失去绝缘性能，即与转轴本体间的绝缘电阻为零（金属性接地），或保持低阻抗接触。当发电机励磁绕组过热，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体。因为部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，绕组可能因过热而受损。另外，气隙磁通也会因为部分绕组短接而失去平衡，从而引起振动，特别是多极机会引起更严重的振动，甚至会因此而造成灾难性的后果绝缘损坏；励磁绕组至滑环的引线及导电螺钉绝缘损坏；冷却水、导电粉尘、焊渣等掉入绕组；工艺粗糙、运输中受潮等原因造成的绝缘损坏等均会造成发电机励磁回路接地故障。发电机励磁回路一点接地故障是常见的故障形式之一。励磁回路一点接地故障不会对发电机造成危害，但如果相继发生第二点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。当发生两点接地故障时。发电机励磁回路两点接地还可能使轴系和气机磁化。由此可见发电机励磁回路两点接地故障是制约发电机正常工作的重要因素。采取有效措施来解决此类问题将是意义深远的。对于中小型汽轮发电机，装设可供定期检测用的绝缘检查电压表和正常不投入运行的两点接地保护，装设一点接地保护。当用绝缘检查电压表检出一点接地故障后，再把两点接地保护装置投入。两点接地保护动作后，经延时停机。对于大型汽轮发电机，鉴于励磁回路一点接地故障无直接严重后果，相应保护应动作于信号，避免毫无必要的大机组突然跳闸。对于两点接地保护的装设尚存在争论，意见分歧的根本原因还是在于，到目前为止，缺乏灵敏的、死区足够小或无死区的和简单可靠的两点接地保护装置。对于水轮发电机，都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。2.1发电机励磁回路一点接地保护励磁回路的一点接地保护，除简单、可靠这些一般要求之外，还要求能够反应在励磁回路中任一点上发生的接地故障，并且要有足够高的灵敏度。在评价励磁回路一点接地保护时，灵敏度是用故障点对地之间的过渡电阻大小来定义的，若过渡电阻为r，保护装置处于动作边界上，则称保护装置在该点的灵敏度为r欧。目前 ，我国运行的励磁回路一点接地保护主要有:电桥式，迭加直流电压式，迭加交流电压式等不同原理的保护，分别介绍如下。2.1.1电桥式一点接地保护利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理图如图2-1所示。(a),(b)分别是正常情况和一点接地情况下的原理图。集中电阻ry表示绕组对地绝缘分布电阻。励磁绕组le的电阻构成电桥的两个臂，外接电阻r1和r2构成另外两个臂。正常情况下，调节电阻r1和r2，使流过继电器j的不平衡电流最小，使继电器的动作电流大于这一不平衡电流。当一点经过渡电阻rf接地后，电桥失去平衡。此时流过继电器的动作(a)正常情况下;图2一1(b) k 点 经 过 渡 电 阻 r一点接地电桥式一点接地保护原理图电流的大小决定于k点的位置以及过渡电阻rf的大小。当电流大于继电器j的动作电流时，继电器动作。当励磁绕组的正端或负端发生接地故障时，这种保护装置的灵敏度很高，然而，当故障点位于励磁绕组中点附近时，即使是金属性接地，保护装置也不能动作。为了消除这一缺陷，在电桥的r，臂中串接一只非线性电阻r。非线性电阻，其中a是常数，当电压uo升高，电流i非线性地增加，电阻r下降;反之，则r上升。因此，串接这个非线性电阻后，电桥的平衡条件会随着励磁电压的改变而变化.在某一电压下的死区，在另一电压下变为动作区，从而减小了拒动的几率。非线性电阻r的存在，同时也打破了正常运行条件下的平衡条件，因而保护装置的动作电流整定值也要稍有提高。对于空冷或氢冷发电机，其励磁绕组对地绝缘电阻在几兆欧及以上，正常情况下电桥平衡条件打破后，流过继电器的不平衡电流变化不大。而对于水内冷发电机，对地绝缘电阻相当低，则流过继电器的不平衡电流要有较大变化。2.1.2迭加直流电压式一点接地保护如图 2-2 所示将一直流电压u。经一继电器1顺向加到励磁绕组的一端与地之间，构成迭加直流电压式一点接地保护。图2-2迭加直流电压式一点接地保护原理图设励磁电压为，励磁绕组对地绝缘电阻为ry并集中于励磁绕组的中点。将外加电压在励磁绕组中的压降略去不计，则可作出图2-3(a)所示的正常情况下的等效电路。正常情况下流过继电器的电流为(a) 正常情况下(b)负端经过渡电阻rf接地时(c) 正端经过渡电阻rf接地时图2-3不同状况下图3的等效电路继电器j的动作电流整定值要大于。在励磁绕组上不同点接地时，流过继电器的电流相差很大，因而不同点接地时，灵敏度也有很大差别。图2-3(b)为负端经过渡电阻ri接地时图2-2的等效电路。由图可得到流过继电器的电流，= ” j ” 2r,r y+ (rk+r,)考虑到ryr,ujr.+r ,)+生u-r= ” j ” 2r,r y+ (rk+r,)r,式(2-2)可化简为如下的形式i二u匕rk +r r图2 -3 (c) 为正 端 经过渡电阻rf接地时图2-2的等效电路。由图可得到流过继电器的电流，二j 2 ” 2 ， 乎r,r,+( r,.+r,)同样，考虑到ryrf，式(2-4)可化简为如下的形式，_u。十umrk +rf比较式(2-3)和式(2-5),可以看到，在励磁绕组负端接地时，灵敏度最低;在励磁绕组正端接地时，灵敏度最高。所以，当正端或负端接地时，保护装置的灵敏度相差很大。2.1.3 迭加交流电压式一点接地保护如图2-4所示，将一交流电压经过一电流继电器i和一隔直藕合电容c图2-4简单的迭加交流电压式一点接地保护原理图迭加到励磁绕组的一端与地之间，就构成了迭加交流电压式一点接地保护。继电器的动作电流要躲过正常情况下流过继电器的不平衡电流。图中励磁绕组上某一点经过渡电阻rf接地，流过继电器的电流大于整定值时，继电器动作。目前用迭加交流电压构成的励磁回路一点接地保护主要有三种类型。i) 第一类以加交流电压测量励磁绕组对地全电流方法构成一点接地保护装置，其动作判据为:icl ldz，其中i, = u/z l . id, = u/z,z o icl为迭加电压作用下励磁绕组通过地的全电流;zc。为迭加电压后励磁绕组对地的测量阻抗;z,为整定阻抗。这种类型的保护广泛用于励磁绕组仅有较小对地电容的中小型发电机组。2) 第二类以迭加交流电压测量励磁绕组对地导纳方法构成一点接地保护装置，其动作判据为:gcl g dz，其中gcl= i/r cl，gdz= 1/rdzgcl为励磁绕组对地的测量电导:r二为励磁绕组对地电容的等效并联电阻;9二为整定电导:r,为整定电阻。3) 第三类以迭加交流电压利用霍尔元件测量励磁绕组对地全电流中电阻分量构成一点接地保护装置，其动作判据为:icl.r ldz,r，其中工clr =u/rclldir= u /rdza i cl;为励磁绕组对地全电流中的电阻分量;idz.;为整定有功电流。不难看出第二，第三类继电器具有相同的动作判据rcl r eza从理论上讲第二、第三类继电器。其动作条件不受励磁绕组对地电容的影响，适用于大型发电机组的励磁绕组一点接地保护。但在实际运行中这两类保护曾多次频繁误动，有时甚至无法投入运行。这是由于在200mw及以上机组使用时，容易受到励磁绕组对地电容和轴电刷与轴滑环之间接触电阻的影响，为防止误动，应力求降低该接触电阻，使其在运行中的任何时刻都小于50 q d2.1.4 小结电桥式转子一点接地保护接线简单，在转子励磁绕组的正端或负端接地时灵敏度高，但在绕组的中部接地时保护有死区。迭加直流电压式一点接地保护在正端和负端接地时，保护的灵敏度相差很大，在负端接地时灵敏度不能满足要求。迭加交流电压式一点接地保护可以反应转子励磁回路中任何一点发生的接地故障，没有死区，但是保护调整很复杂，容易受励磁回路对地分布电容和轴电刷与轴滑环之间接触电阻的影响，并需要给励磁绕组注入交流成分。2. 2发电机励磁回路两点接地保护励磁回路两点接地保护装置按原理可分为下述几种:电桥原理、测量转子高频阻抗原理及测量定子二次谐波电压原理等。分别介绍如下：2.2.1电桥原理的两点接地保护电桥式两点接地保护的原理图示于图2-5。电位器r接于励磁回路的正负极之间，动臂经继电器j接地。当发生一点接地故障后(如图2-5中的点)，把保护装置投入，故障点将励磁绕组一分为二，构成电桥的两臂，利用电位器r调平衡。此时保护装置进入工作状态。当第二点(例如点)发生接地故障后，图 2- 5 电桥原理的两点接地保护平衡破坏，继电器j动作。继电器j有两个绕组，把电桥对角线上的交流分量经辅助互感器fh引入绕组2，用以抵消同一交流分量在绕组1中产生的磁势，从而消除了交流分量的影响。这种原理的保护存在两个重要的缺点:1) 因为是在发生一点接地后保护才开始工作，所以对于两点同时接地或紧接发生第二点接地的情况，该保护无效;2) 如 果 第一点接地位于励磁绕组端侧，则由于无法调平衡，这时电桥失去作用。此时的死区为100%由于电桥式两点接地保护在原理上存在上述缺点，所以不能满足大机组的需求。2.2.2 测量转子高频阻抗原理的两点接地保护发电机励磁绕组的等效电路可以表示为，绕组电感l、总匝间电容c和表示转子本体有效损耗的电阻r相并联的回路，如图2-6所示。因为励磁绕组的漏图 2-6励磁绕组等效电路抗和电阻很小，略去不计。这样对于某一角频率。励磁绕组的阻抗为，二-一jrolr一(1一 wlc)r+jrol(2-6)阻抗 z fd 的大小 ，随频率f而变化。由式(2-6)知，励磁回路的l.c 谐振，谐振频率为，f.= (2-7)当励磁绕组发生两点接地故障时，部分绕组被短接，此时谐振频率提高。如图2-7所示为一台32万kw汽轮机的励磁绕组阻抗频率特性，其中曲线1表示的式正常情况下的曲线，曲线2表示的是一匝被短接情况下的曲线。在频率较低的范围内，在同一频率f值下，zfd值要比正常情况下小，而在频率f值较高的情况下，则相反。当频率较高时，例如f= 3 -lok hz及以上时，zfd则有比较明显的变化。zfd(n )1000500，刀3 10 f (khz)图2-7励磁绕组阻抗频率特性基于励磁绕组阻抗特性的这一特征，我们就可以利用测量励磁绕组高频阻抗变化的方法，来构成两点接地保护。对于用高频励磁机的发电机，若励磁机的频率为500hz，用三相桥整流装置，则最低次谐波的频率为3khz，其幅值是基波电压的2/35倍。例如某台32万kw的实测数据，当f= 3khz时，正常情况下z。二40q，当一匝短路后，z,=780，下降了13%,因而可以利用励磁系统中固有的6次谐波电压来构成两点接地保护。但是一般情况下，从保证选择性方面看，这样的变化幅度还不够明显，缺乏足够的裕度。其他情况下 ，例如用直流励磁机、频率较低(例如ioohz)的交流励磁机时，可以用加高频电压的方法构成两点接地保护。因此这种原理的保护装置受到励磁机型式的限制。2.2.3测量定子二次谐波电压原理的两点接地保护当励磁回路发生两点接地故障后，励磁绕组部分线匝被短接，则气隙磁密南北极对称被破坏(短接线匝不对称于横轴时)。对于两极汽轮发电机，根据傅里叶级数的谐波分析，这样一个不对称与横轴的气隙磁密一定包含有包括二次谐波在内的偶次谐波，从而在定子中产生相应的偶次谐波电压。所以可以利用二次谐波电压作为判据来构成两点接地保护(100万kw及以上容量的汽轮发电机，转子可能是四极隐极式，此时两点节地故障的定子电压特征量是25hz, 1/2次谐波)。设发电机空载运行，被短路匝数与一个磁极下励磁绕组总匝数的比值为k,正常空载励磁电流为几，一个极下励磁绕组的总匝数为wl，则在发生两点接地故障时，相应的反向励磁安匝为kilwl。为简化计算，在少量匝数被短接的情况下，可以将kilwl看作是集中绕组。y= 被短路绕组的宽度 /极距显然，符号y表示的是被短路的绕组在转子上的空间位置，当被短路的线匝靠近大齿时，y值较小;而当靠近横轴时，则y值趋向1。当励磁回路发生两点接地故障后，励磁绕组部分线匝被短接，则气隙磁密南北极对称被破坏(短接线匝不对称于横轴时)。对于两极汽轮发电机，根据傅里叶级数的谐波分析，这样一个不对称与横轴的气隙磁密一定包含有包括二次谐波在内的偶次谐波，从而在定子中产生相应的偶次谐波电压。所以可以利用二次谐波电压作为判据来构成两点接地保护(100万kw及以上容量的汽轮发电机，转子可能是四极隐极式，此时两点节地故障的定子电压特征量是25hz, 1/2次谐波)。设发电机空载运行，被短路匝数与一个磁极下励磁绕组总匝数的比值为k,正常空载励磁电流为几，一个极下励磁绕组的总匝数为wl，则在发生两点接地故障时，相应的反向励磁安匝为kilwl。为简化计算，在少量匝数被短接的情况下，可以将kilwl看作是集中绕组。y= 被 短 路 绕组 的 宽 度 /极 距显然，符号y表示的是被短路的绕组在转子上的空间位置，当被短路的线匝靠近大齿时，y值较小;而当靠近横轴时，则y值趋向1。图2-8表示了反向励磁安匝kilwl,零磁位线(横轴)将它分为正向磁势m和负向磁势n，即m一n=kilw根据磁通连续性原理，有mx2(ty)一(2)r-2 -._ 二_ ，_ m解上两式可得:n=kil吸(1-y/2)=-kilwly/2图2-8的磁势按傅里叶级数谐波分析法可得:f(a )二 a ,co sa + “:c os 2a + )ty)+气cosna其中系数a_为=全兀 了(卜y/2)二:wlcosnad。十兰o ny，jz -y2k i lwlcosnada二二 xki, w一sin ny;r / 2刃n二次谐波幅值为a2=生kilwlstn yrr (2-8)直 刁图2-8两极发电机两点接地的谐波分析需要指出的是 ，两点接地故障时定子绕组的二次谐波电压很小，例如5%的线匝被短路后，定子二次谐波电压含量只有基波电压的千分之几。在正常运行时由于转子偏心等原因，励磁绕组中有微小的基波电压，相应的有定子二次谐波电压。在系统频率改变或振荡时，二次谐波滤波器也会产生不平衡输出，这就造成了动作门槛整定的困难。此外 ，发电机外部故障时也会产生二次谐波，必须通过延时躲过。可以考虑以0.5-1.5s的延时来躲过这一暂态过程。2.4小结电桥式两点接地保护由于原理本身存在重要缺陷，虽然迄今被广泛采用，但并不理想;测量转子高频阻抗原理的两点接地保护灵敏度不高，励磁绕组的高频阻抗特性不足以明显区分正常运行与两点接地故障，而且发电机励磁绕组的高频阻抗特性一般是未知的，要求现场测试决定，比较麻烦:测量定子二次谐波电压原理的两点接地保护则由于动作门槛整定等方面的困难，单独采用效果并不理想。微机保护为励磁回路一点和两点接地故障新保护方案的实现提供了广阔的前景。例如，乒乓式励磁回路接地保护就是一种简单有效的保护原理。利用微机的计算功能，该保护装置能测定接地故障点位置和过渡电阻大小。并且，乒乓式接地保护灵敏度和接地位置无关，在励磁回路各点接地时都有较高的灵敏度。由于保护反映的是直流分量，且有一定时间延时躲开关切换的暂态过程，因此与励磁回路对地分布电容无关。此外，乒乓式接地保护可以较好的躲过轴电刷与轴滑环间接触电阻对保护的影响。所以 ，乒乓式励磁回路接地保护装置是有优势的。其基本原理将在第三章中介绍。 2.2 高压真空断路器的工作原理高压真空断路器是利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器，是高压断路器的一种，真空断路器的基本结构由导电回路、真空灭弧室、绝缘部件、操动机构和附属部件构成。操动机构通过绝缘拉杆，触头弹簧等同真空灭弧室导电杆相连，带动动导电杆运动完成合分闸操作。本文以弹簧机构真空断路器为研究对象。弹簧机构是种用已储能的弹簧为动力使断路器动作的机械操动机构。真空断路器直流电机通电后启动，通过机械装置使合闸弹簧储能，当合闸线圈通电，合闸铁心被吸合，铁心将撞击合闸契子，使合闸弹簧释放储能,当动导电杆运动，使动静触头接通，完成合闸过程；合闸过程中，分闸弹簧被储能，当分闸脱扣线圈通电，分闸铁心被吸合，从而使锁扣释放，在分闸弹簧作用下迅速分闸完成了分闸过程3。2.3 高压真空断路器的主要结构高压真空断路器的主要结构由触头系统、灭弧系统、脱扣器、开关机构等组成 4。 l 触头系统高压断路器的任务是用来接通和分断负载电路，触头与灭弧系统是断路器的重要组成成分，触头的工作可分为四种工作情况：分断状态、闭合状态、闭合过程、分断过程。由于触头本身在接触时产生的机械碰撞、铁心与衔铁接触时产生的机械碰撞以及接通电源产生的电动斥力的影响，动触头和静触头可能一接触就被弹开，以致在弹开后出现的间隙内产生电火花或短电弧，并使触头发生熔焊或严重烧损。触头材料的选择、触头接触形式和参数的选择以及触头的结构设计，都要考虑到这些问题。断路器的触头系统主要由主触头、弧触头和支架等组成，通过绝缘底板安装在断路器的底架上。由于触头系统布置同相电流流过平行导体，以获得电动力补偿，从而提高断路器的通断能力。断路器闭合时先弧后主，断开时则反之。l 灭弧系统触头的闭合和分断过程都会产生电弧，断路器要正常工作运行，必须及时地熄灭电弧，这就要依赖灭弧系统。根据对电弧特性所作的分析可知，将电弧拉长、使弧柱冷却、把电弧分为若干段，都有助于熄灭电弧。灭弧装置就是根据这些原理设计出来的。l 脱扣器断路器具有三断保护特性及欠压保护都是脱扣器实现的。l 开关机构开关机构是指合闸操作机构，包括自由脱扣机构。它们的主要作用是实现操作手柄（或电动合闸装置）和各种脱扣器对触头的分闸与合闸控制。对于有主触头、灭弧触头之分的触头，合闸时机构应使灭弧触头先闭合，然后主触头闭合；分闸时应使主触头先分断，然后灭弧触头再分断。机构应保证在正常状态下开关能可靠地分断与闭合，故障时又能顺利地自由脱扣，开关能自动分断并与手柄位置无关。这要求：机构应能满足开关合时动作次序的要求，动作应准确可靠；机构应灵活省力，满足一定机构利益的要求，脱扣力要少，手动操作时，操作力应在操作者力所能及的范围内；自由脱扣时，触头应能快速分断，分断速度与手柄位置无关。断路器所采用的机构大多属于连杆机构，有的还同时采用凸轮、齿轮或棘轮等机构。把以上各部分连续在一起的金属框架或外壳2.4 高压真空断路器结构的基本要求高压真空断路器结构的基本要求有4、5：（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）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。2.5 高压真空断路器的主要技术参数高压真空断路器的主要技术参数有6、7:l 额定电压额定电压分额定工作电压( )、额定绝缘电压（ ）和额定脉冲电压。断路器的额定工作电压是指与通断能力以及使用类别相关的电压值。对于交流多相电路是指电路的线电压。额定工作电压在数值上取决于电网的额定电压等级。我国标准规定为交流220、380、660、1.14kv、3kv、6kv、10kv、35kv、66kv、110kv等。应该指出，同一断路器可以规定在几种额定工作电压下使用，但相应的通断能力并不相同。额定绝缘电压是设计断路器的电压值，开关电器的电气间隙和爬电距离应按此电压值确定。一般情况下，额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压。开关电器工作时，要承受系统中所发生的过电压，因此开关电器（包括断路器）的额定电压参数中给定了额定脉冲耐压值，其数值应大于或等于系统中出现的最大过电压峰值。额定绝缘电压和额定脉冲耐压值，其数值应大于或等于系统中出现的最大过电压峰值。额定绝缘电压和额定耐压共同决定了开关电器的绝缘水平。l 额定电流断路器的额定电流（ ）就是脱扣器的额定电流，一般就是断路器的额定持续电流。l 额定短路分断能力额定短路分断能力规定为：断路器的额定短路分断电流（ ）是指在规定的使用条件下，分断短路预期电流的能力。它又分为额定极限分断电流（ ）和额定运行短路分断电流（ ）.1额定极限短路分断能力（ ）额定极限短路分断电流是指断路器在规定的试验电压、功率因数或时间常数以及规定的试验程序下，相应分断预期短路电流（在交流时以有效值表示）的能力。额定极限短路分断能力的试验程序为 o-t-co其中 o表示分断动作； co表示接通操作后紧接着分断操作； t表示二个相继操作之间的时间间隔。2. 额定运行短路分断能力（）额定运行短路分断电流（ ）是指断路器在规定的试验电压、功率因数或时间常 数以及相应的试验程序下的一种比额定极限分断电流小的分断电流值。额定运行短路分断能力试验程序为o-t-co-t-co额定运行分断能力试验后，要求断路器应仍有能在额定电流下继续运行的能力，而额定极限短路分断能力试验后，并无此项要求，因此额定极限短路分断电流是断路器的最大分断电流。l 额定短路接通能力（ ）额定短路接通能力是指断路器在相应规定的工作电压、功率因数或时间常数下的能够接通短路电流大小，它用最大预期电流峰值表示。断路器要求的最小额定短路接通能力和额定短路分断能力之间有一定的比例关系，它主要由短路电流冲击系数所决定。标准规定它们之间的关系如表2.1所列表2.1 （交流断路器的）短路接通和分断能力与有关的功率因数之间的比值n短路分断能力 ika(有效值)功率因数n要求的最小值n=短路接通能力/短路分断能力4.5i66i1010i2020i5050i0.70.50.30.250.21.51.72.02.12.2对于交流，断路器的额定短路接通能力应不小于其额定极限短路分断能力乘以表2.1所列系数n的乘积）。对于直流，断路器的额定短路接通能力应不小于其额定极限短路分断能力。l 额定短时耐受电流（ ）断路器的额定短时耐受电流是指断路器处于闭合状态下，耐受一定持续时间的短路电流能力，它包括经受短路电流冲击峰值的电动力作用以及一定时间的短路电流（周期分量有效值）的热作用。当额定运行短路分断能力等于额定短时耐受电流时，它可以按额定短时耐受电流值（ka）规定之，只要它不小于表2.1中相应的最小值。如果使用类别a的 超过200 ka，或使用类别b的 超过100 ka，则制造厂可申明 值为50 ka。表2.2 和 之间的标准比值使用类别a（ %）使用类别b（ %）25507510050751002.6 zn42-27.5主要技术参数zn42-27.5主要技术参数如下：序号 名 称 单 位 数 值 1 额定电压 kv 27.5 2 最高电压 kv 31.5 3 额定频率 hz 50 4 额定电流 a 1250、1600 5 额定短路开断电流 ka 25、31.5 6 额定短路关合电流 ka 63、80 7 额定峰值耐受电流 ka 63、80 8 额定短时耐受电流 ka 25、31.5 9 额定短路持续时间 s 4 10 额定电容器组开断电流 a 400 11 动静触头累计磨损量 mm 3 12 额定短路开断电流开断次数 次 30 13 机械寿命 次 10000 14 触头接触压力 n 3000300 15 合闸时间 ms 150 16 分闸时间 ms 25s60 17 开断时间 ms 80 18 分、合闸电磁铁额定电压 v ac110v、dc110v、ac220v、dc220v 19 触头开距 mm 2620 主回路电阻 50（1250a）、35（1600a） 21 平均合闸速度 m/s 0.922 平均分闸速度 m/s 1.40.2 23 触头合闸弹跳时间 ms 3 第3章 plc3.1 plc的发展历史世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司(dec)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的plc主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时，计数功能.20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使plc增加了运算,数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器,接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的plc为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物8。 20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃.更高的运算速度,超小型体积,更可靠的工业抗干扰设计,模拟量运算,pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位.20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用.这个时期可编程控制器发展的特点是大规模,高速度,高性能,产品系列化.这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升.这标志着可编程控制器已步入成熟阶段.电气制造商协会nema（national electrical manufacturers association）于1980年正式命名其为可编程序控制器（programmable controller），简称pc。为与个人计算机（personal computer）相区别，同时也使用其早期名称plc。国际电工技术委员会iec（international electro technical commission）分别于1982年11月和1985年1月颁布了plc的第一稿和第二稿标准。以后plc开始向小型化、高速度、高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在80年代工业控制领域中占据着主导地位9。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把plc认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。1985年1月，国际电工委员会（iec）的可编程序控制器标准草案第2稿对可编程序控制器作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计” 10。20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要.从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力,温度,转速,位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元,通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易.目前,可编程控制器在机械制造,石油化工,冶金钢铁,汽车,轻工业等领域的应用都得到了长足的发展. 3.2 plc的组成plc主要由cpu模块、输入模块、输出模块、和编程装置组成（见图3.1）11。l cpu模块cpu模块主要由微处理器（cpu芯片）和存储器组成。在plc控制系统中，cpu模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。图3.1 plc控制系统示意图l i/o模块输入（input）模块和输出(output)模块简称为i/o模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和cpu模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来自开关量的输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。cpu模块的工作电压一般是5v，而plc的输入/输出信号电压较高，例如dc24v和ac220v。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏cpu模块中的元器件，或使plc不能正常工作。在i/o模块中，用光耦合器、光控晶闸管、小型继电器等器件来隔离plc的内部电路和外部的i/o电路，i/o模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。l 编程器编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改、和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型plc编程，或者用于现场调试和维护。使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并用可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到plc，也可以将plc中的程序上传到计算机。程序可以存盘和打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。l 电源plc一般使用ac220v电源或dc24v电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源，小型plc可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供dc24v电源，驱动plc负载的直流电源一般由用户提供。3.3 fx2n-32mr的工作原理3.3.1 fx2n-32mr系统结构图fx2n-32mr系统结构图如图3.2图3.2 fx2n-32mr系统结构图3.3.2 fx2n-32mr的特点fx2n系列可编程序控制器具有超高速的运算速度(0.081a s/step), 50%小型化设计，程序容量:内置8k step ram，最大可扩充至16k step，可使用fx系列模块，可做主机连线。其主要特点是:（1） fx2n系列的小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于fx系列中最高档次的超小形程序装置;（2） 除输入出16点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的plc.（3）系统配置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。3.3.3 fx2n-32mr的工作原理plc工作方式：plc是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。plc循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分。 plc通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使plc的输出及时地响应各种输入信号，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。1、读取输入在plc的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。cpu以字节为单位来读写输入/输出过程映像寄存器。在读取输入阶段，plc把所有外部数字量输入电路的i/o状态读入输入过程映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入过程映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。图3.3 扫描过程2、执行用户程序plc的用户程序由若干指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在run工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，cpu从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。在执行指令时，从i/o映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1 状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应措施的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入过程映像寄存器的 状态也不会随之改变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器的，而不是实际的i/o点，这样做有以下好处：(1) 程序执行阶段的输入值勤是固定的，程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点，便系统的运行稳定；(2) 用户程序读写i/o映像寄存器比读写i/o点快得多，这样可以提高程序的执行速度。3、通信处理在通信请求处理阶段，cpu处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信请求方。4、cpu自诊断测试自诊断测试包括定期检查cpu模块的操作和扩展模块的状态是否正常，监控定时复位，以及完成一些别的内部工作。5、改写输出cpu执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯型图中输出点的线圈“断电”对应的输出过程映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作12。3.4 plc编程语言iec（国际电工委员会）于1994年5月公布了可编程序控制器标准（iec1131），其中的第三部分（iec1131-3）是可编程序控制器语言标准。iec1131-3详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言（见图3.4）的表达方式：（1）顺序功能图（2）梯形图（3）功能块图（4）语句表（5）结构文本图3.4 plc的编程语言标准中有两种图形语言梯形图（ld）和功能块图（fbd），还有两种文字语言语句表（stl）和结构文本（st），可以认为顺序功能图（sfc）是一种结构块控制程序流程图。l 顺序功能图（sfc）这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件（见图3.5）。步是一个逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个任务到另一任务的原因。可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地画出梯形图程序。图3.5顺序功能图l 梯形图（ld）梯形图是使用得最多的plc图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图 很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于数字量逻辑控制。有时把梯形图称为电路升程序。梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出条件等。功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直“电源线”之间有一个左正右负的直流电源电压，当左侧触点接通时，可以假想的能流流往右边。触点和线圈等组成的独立电路称为网络（network），用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络以单位，给梯形图加注释。在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行，与能流的方向一致。各网络按从上到下的顺序执行，执行完所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。l 功能块图（fbd）这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。l 语句表（stl）由若干条指定组成的程序叫指定表程序，有的厂家将指定表称为语句。plc的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，但是小型可编程序控制器的指定系统比汇编语言的简单得多，使用20来条基本逻辑指定，就可以编制出能替代继电器控制系统的梯形图。l 结构文本（st）结构文本是为iec61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，结构文本有两个很大的优点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是编写的程序非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序可能只占一页纸12。3.5 可编程序控制器控制系统的设计和调试步骤 plc控制系统设计调试如下图（图3.6）所示l 研究被控对象这一步是系统设计的基础。设计前应熟悉图纸资料，深入调查研究，与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合，共同讨论，解决设计中出现的问题。应详细了解被控对象的全部功能，如机