（交通信息工程及控制专业论文）基于DSP的高压断路器机械特性检测装置.pdf

摘要 近年来，随着我国电力事业的迅速发展，人们对电力系统的安全性和可靠性 的要求越来越高。电气设备正朝着大型化、连续化、自动化和智能化的方向发展。 断路器是电力系统中最重要的控制与保护设备，在电网中的作用至关重要，其故 障带来的后果是十分严重的。一旦电力系统发生故障，即使只引起生产设备极其 短暂的停止工作，也会造成巨大的损失。目前国内外断路器机械特性检测装置多 数采用传统的检测方法，普遍存在适用范围小，测试数据不准确，抗干扰能力差 等问题。为了确保断路器的稳定安全运行，必须加强对机械特性的检测，提高检 测装置的测试准确性和抗干扰能力。 本文介绍了断路器机械特性检测的基本原理和系统软硬件的设计。系统采用 光电示波器、光电传感器、滑线变阻器传感器作为前端信号采集断路器的分合闸 时间、分合闸速度和分合闸位移等状态信息。采用t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心处理器，利用c 语言编制信号处理程序，设计了独立的下位 机数据采集单元。由于微处理器内部集成了众多通用模块，本文的检测系统可以 减少外围扩展电路的复杂性，同时提高数据采集的速度、精度和可靠性。上位机 采用人机控制界面，计算并显示各项机械特性参数和电压、电流曲线，行程一时 间曲线。另外，还设计了检测装置的防浪涌模块，提高系统工作的安全性。经试 验证明，该系统不论是动态响应特性还是测试精度都较传统的检测装置有很大的 提高。 关键词：断路器，机械特性，检测装置，d s p a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hc h i n a sr a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y ，t h es e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d e d 7 r h ee l e c t r i c a le q u i p m e n ti s d e v e l o p i n gi nal a 玛e ，c o n t i n u o u s ，a u t o m a t e da n di m e l l i g e n tt r e n d a st h em o s ti m p o r t a n t c o n t r o la n dp r o t e c t i o ne q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m ，c i r c u i tb r e a k e rp l a y sav i t 甜r o l ei nt h eg r i d ， a n yf a u l to fc i r c u i tb r e a k e r sm a y c a u s e ss e r i o u sc o n s e q u e n c e s e v e no n l yc a u s e sam i l l i t e s u s p e n s i o no ft h ew o r i d n gp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，c a na l s or e s u l ti n 口e a tl o s s a sm et e s t d e v i c e o fc i r c u i tb r e a k e r sm e c h a n i c a lp r o p e i r t i e s ，t h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d sa r e b 戚c a l l yu s e db o m a th o m ea n da b r o a d ，w h i c hh a sg e n e r a ld e f e c t s ，l i k es m a l la p p l i c a t i o ns c o p e ， i n a c c u r a t et e s td a p o o ra i l t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i 吼e t c t h ea c c u r a c ya j l da n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i 够o ft h et e s td e v i c em u s tb ei m p r o v e dt oe n s u r et h es t a _ b l ea n ds a f eo p e r a t i o no fc i r c u i t b r e a k e r s t h ep r i n c i p l eo ft e s t i n gm e c h a n i c a lp r o p e n i e sf o rc i r c u i tb 陀a k e r si si n n d u d u c e d ，a sw e l l a st h eh a r d w a r ea n ds o 觚a r e d e s i g n o ft h e t e s t i n gs y s t e m o p t i c a lo s c i l l o s c o p e s y s t e m ，p h o t o e l e c t r i cs e n s o r s ，s l i d i n gr h e o s t a ts e n s o rl i n ea r eu s e da st h e 疗o n t - e n ds i g n a lt o a c q u i r e s w i t c hs t a t u s i n f 0 胁a t i o n ， s u c ha l sd i v i d e s h u t t i m e ，d i v i d e - s h u ts p e e da n d d i s p l a c e m e n t ，e t c an e wd s pc l l i po ft m s 3 2 0 f 2 812m a d ei su s e da st h ec o r e p r o c e s s o r ，p r o c e d u r e sf o r t h ep r e p 删c i o no fs i g n a lp r o c e s s i n ga r ed e s i g n e di ncl a n g u a g e ，a j l i n d e p e n d e n ts 锄p l ea c q u i s i t i o nu 1 1 i ti sd e s i g n e d i t 舒e a t l yr e d u c e st l l ep e r i p h e r a lh a r d w a r e i n t e r f a c ec i r c u i t sa i l di m p r o v e st h es p e e d ，a c c u r a c ya 1 1 dr e l i a b i l i t ) ，o fs 锄p l i n g p 缸锄e t e r so f m e c h a m c a lp r o p e n i e sa r ec a l c u l a t e d ，a 1 1 dv o l t a g ea i l dc u r r e n tc u r v e s ，t r i p - t i m ec u r v ea r e d i s p l a y e db yt l l e m a s t e rc o m p u t e r ，w h j c hh a u sac o n v e i l i e n tm a n - m a c h i n ec o 舢姒m i e a t i o n i i l t e r f i a c e b e s i d e s ，a na n t i s u 略ed e v i c em o d u l ei sd e s i g n e dt oi m p r 0 v et h es y s t e m ss e c 嘶t y p r o v e db yt e s t i n g ，b o t hd ) ，1 1 a i l l i cr e s p o l l s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt e s t i n ga c c u r a c yo ft h ed e t e c t i o n d e v i c ea r eg r e a t l yi m p r o v e dc o m p a r e dw i mm et r a d i t i o n a ld e v i c e s k e y w o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e ；d e t e c t i o nd e v i c e ；d s p 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：例最纬卯尹 年易月厂日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 卯穸年莎月广日 抄少年乡月j ，日 喀 殷 象 期乳瑚影 名 ： 签 名 者 签 作 师 文 导 沦 长安人学硕上学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 我国的电力工业在近几年里保持着快速发展的势头。发电装机容量以每年8 的速 度增长。自1 9 9 8 年开始实施城乡电网改造工程和随后相继实施的西部开发和西电东送工 程以来，电力行业的蓬勃发展给输配电设备制造业创造了巨大的市场需求，市场规模也 随着时常需求而迅速扩大。据统计资料表明，我国今后几年将追加装机3 0 0 0 万千瓦的电 源建设，年增装机容量上升到2 5 0 0 万千瓦，即年增装机可增加3 0 4 0 ，而且与新增 装机较直接的一些开关设备市场容量将会有更大扩容，并且具有更好的市场需求。除了 电力工业自身持续、稳定、快速发展外，“十一五”期间，我国还将投资8 5 0 0 亿元进行 全国电网改造。国家电网公司将以建设高压电网为核心，发展跨区域、跨流域、远距离、 大规模资源优化配置，优化建设跨区电网，区域、省级电网骨干网架和城乡电网。我国 将新建电气化铁道1 5 0 0 0 公里，相当于新增发电装机容量1 0 5 0 万千瓦以及1 1 0 千伏、2 2 0 千伏变电所和线路，电气化铁路和客运专线的建设也将进入一个新的时期。我国电力工 业的大发展，为断路器行业带来难得的发展机遇。根据有关资料显示：2 0 0 8 年，我国断 路器行业继续保持产销两旺的态势，实现工业总产值9 6 0 9 4 亿元，比上一年度增长 1 5 2 2 7 ，同比增长率1 8 8 3 【l 】。此外，其他相关行业如石油、化工、冶金、煤炭等行业 都是国家重点发展的经济领域，在未来相当长的时期内也将保持快速发展的势头。 高压断路器作为绝缘和灭弧的装置，是开关电器中最为关键的一种电气设备，它在 电力系统输配电中占有非常重要的地位，且被国民经济的各个领域所广泛地应用。它广 泛运用于1 0 k v 到5 0 0 k v 电力系统中，数量巨大，据统计，每1 k v a 的发电机容量，需8 8 5 k v a 的变压器与之配套。并且断路器种类繁多，其运行状态好坏对电力系统的安全和 经济运行影响很大。正常运行时，用来进行倒换运行方式，根据需要把设备或线路接入 电路或使其退出运行，当设备或线路发生故障时又能快速切除，保证其他部分安全正常 运行。断路器在电网中起着控制和保护的双重作用，其工作状态的好坏直接影响电力系 统的安全和可靠。 1 1 2 研究意义 在绝大部分运行时间中断路器处于静止状态。在实际应用中，它起到隔断或者接通 l 第l 章绪论 电路的作用，保证电力源原不断地向指定用户系统进行输送。然而，一旦电路系统发生 故障，就要求它必须在数十毫秒甚至百微秒级的极短时间内准确无误地做出反应，瞬时 地切断各种大小和类型的电流，以防止整个电力系统中的设备遭受短路电流的破坏，确 保系统的正常运行。综上所述，断路器担负着限制短路电流、提高系统可靠性的重大责 任。断路器能及时和准确地接通或断开电力供应，其可靠性，在很大程度上依赖于其内 部机械部件的正确动作。断路器实验和实际应用的统计数据表明，在断路器不能正常发 挥作用时，引起的原因大部分由于是其内部的机械部件不能准确而可靠地动作。国际大 电网会议对高压断路器所做的两次世界范围内的调查，以及中国电力科学院对断路器事 故的统计分析显示，高压断路器的大多数故障中以绝缘事故和拒分事故最为突出。1 9 8 9 1 9 9 7 年全国发生的1 5 0 0 次事故中，拒分事故发生3 4 0 次，占2 2 6 7 ；拒合事故9 7 次， 占6 4 8 ；开断与关合事故1 3 6 次，占9 0 7 ；绝缘事故5 3 2 次，占3 5 4 7 ；误动事故1 0 5 次，占7 0 2 ；载流事故1 1 9 次，占7 9 5 ；外力及其他事故1 7 1 次，占1 1 4 3 。绝缘事故 和拒分事故最为突出，占到全部事故的近6 0 【2 j 。 基于以上的数据统计，对于断路器的生产厂家来说，提高断路器的成品出厂检验手 段是十分必须的，尤其是针对其机械特性。断路器检测台在这个环节发挥了重要的作用， 扮演了不可替代的角色。因此，断路器检测台也是高压断路器生产行业中不可缺少的设 备。 近几年来，国内外陆续开发出的一些断路器机械特性检测仪器，普遍存在着适用范 围小，检测数据不准确，抗干扰能力差等问题。基于这些原因，能够高效而准确测量断 路器机械特性的检测装置就有着不可估量的作用与前景。本文就是通过分析断路器工作 原理，设计了用于检测高压断路器机械特性的检测装置，并对其检测性能进行了验证， 结果表明该检测台的设计符合要求。 1 2 断路器机械特性检测装置的研究现状综述 1 2 1 断路器机械特性检测装置的发展历程 断路器机械特性检测装置的发展经历了电秒表、故障测试仪、滚筒测试仪、微分电 路式测试仪、光电计数式机械特性测试仪、电磁振荡器以及多线示波器等多种类型【3 1 。 发展到现在的以d s p 技术为基础的微机型机械特性检测仪，其检测原理和方法都有了很 大的改进，不仅具有较高的精度，并且还能记录断路器动作的整个过程，从而可以方便 地计算断路器分合闸速度。 2 长安大学硕士学位论文 断路器分合闸速度的测量方法也有多种，比如微分法、滑块法、光电法、转鼓法、 电磁震荡器等凹1 。但目前使用较普遍的还是微机型断路器机械特性检测法。微机型断路 器检测装置具有结构简单、轻巧、操作简便等优点，但同时也有一些不尽人意的地方， 主要表现在精度较低和速度计算设置的不灵活上。 1 2 2 断路器机械特性检测技术的发展历程 断路器机械特性的检测技术总体上经历了离线检测、周期性在线检测、长期在线监 测等三个发展过程n 0 j 。 ( 1 ) 离线检测。自5 0 年代开始，我国一直依据电力设备预防性实验规程的规定，对 电力设备进行定期的停电实验、检修和维护。频繁的操作，再加上过度的拆卸检修，这 些都降低了电力设备的动作可靠性。传统的检测方法有：短路电抗法、低压脉冲法、频 响分析法。以上这些方法均需使断路器退出运行才能对断路器机械特性进行检测，即均 属离线方法。对电力设备实施状态诊断或实时在线检测，及时了解其运行状况，掌握其 运行特性及变化趋势，对提高其运行可靠性是极为重要的。同时，停电事故给生产和生 活带来影响和损失随着电力系统朝着高电压、大电容的方向发展也越来越大，保证电力 设备的安全运行越来越显得重要。因此，迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时 的在线检测，以便及时采取预防措施，减少或避免停电事故的发生。 ( 2 ) 在线检测。指对运行中的设备的状态量进行不问断的检测，将采集到的信号 量进行加工处理，使之成为有用的信息，通过对信号的识别来判断设备出现故障和异常 的部位、原因及程度，并预测设备故障和异常可能发展的速度和后果，制订相应的维修 计划和项目。根据资料显示，美国于1 9 9 5 年颁布的电气设备绝缘诊断方法导则现已 逐渐转向为以机械特性在线检测方式为主的检测法则，并已制定出有关标准。日本2 0 世 纪8 0 年代开始进入以机械状态检测为基础的预知维修时代，该项技术的研究与应用进展 很快，并己积累了大量的数据和经验，并逐步形成了一些标准和较成熟的方法【4 0 】。现 如今，一些发达国家对断路器设备的机械特性检测技术已逐渐成熟，并且已有了功能较 齐全、抗干扰性能较高的产品。在我国，断路器机械特性在线检测技术发展起步较晚， 近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性检测装置研发方面的工作。清华 大学高压教研室于1 9 9 5 研制了c b a 一1 高压断路器机械参数测量分析系统，该系统可以检 测分、合闸线圈电流、行程一时间特性曲线及振动信号【8 9 】。此时的研究工作主要是围绕 着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，生产了高压断路器机械特性在线检测装置， 第l 章绪论 不过由于存在着只能对其中的一个或几个机械特性参量进行检测的问题，检查结果的适 用性和部分项目的检测方法仍然很不理想。 目前，高压断路器机械特性检测技术存在着一些值得注意的问题，下面以北大试验 厂的k g 一4 2 型为例给以说明n 蛆： ( 1 ) 传感器的选择一定要做到适合检测装置的使用和设计。针对不同的高压断路器 机构安装适应性差别的问题：即针对不同电压等级和不同操动机构的断路器，所选择的 传感器类型并不一样； ( 2 ) 以往检测装置对机械运动的过程关心并不多，而只是注重机械参量的计算结 果；虽然现有的检测模块也可以对断路器分、合闸特性曲线进行测量，但对于机构的状 态仍然只能做出好或坏的判断，而对于故障究竟发生在什么部位却无法做出准确的判 断； ( 3 ) 数据处理的问题。目前对机械特性在线检测主要是针对断路器合、分闸时间， 分、合闸速度、三相同期性等参量的测量，根据这些测量值，经过简单的阈值判断来对 机构状态做出预测。因此，当前的机械特性在线检测装置功能不完善，缺乏足够的数据 积累，即使有了大量数据，故障判断的分析能力也不足； ( 4 ) 在线检测装置模块过短的寿命导致安装维护困难，致使价格过高且精度低。 综上所述，高压断路机械特性的在线检测技术发展较晚，进步较慢，还要进一步完 盖 口o 1 2 3 断路器机械特性检测装置的现状及问题 以前国内传统的检测方法是采用1 6 线示波器进行检测，但1 6 线示波器现场操作复 杂而且测试读数精度不高( 主要是采样频率低) 。 近几年来，国内外陆续开发出一些断路器机械特性检测仪器，但普遍存在适用范围 小，测试数据不准确，抗干扰能力差等问题。进口检测仪( 如瑞典p r o g r a m m a 公司的 t m l 6 0 0 m a 6 1 开关测试仪) 虽然性能较好，但价格比较昂贵，且英文界面使用不方便， 因此在国内也无法得到普及。而且该机械特性测试仪的配套软件功能简单，对于大量数 据的查询检索极为不便，不适合目前我国断路器设备型号复杂和对历史数据进行比较查 询的要求。 下面是目前使用的机械特性测试仪存在一些缺陷： 1 由于测速时对于不同型号的断路器需要更换不同芯片，因此导致检测比较麻烦且 4 长安人学硕士学位论文 使用时间长芯片容易损坏； 2 由于没有进行数据存储结构的开发，导致测试的数据不能长期大量存储，只能现 场打印( 现场不使用笔记本电脑的情况下，只能存储一组数据) ； 3 环境对现场使用的情况影响较大( 感应电压) ，抗干扰能力差。 4 目前市场使用的测试仪都采用2 3 2 串口通讯，由于测试采集的量大，使得现场使 用起来较麻烦，导致数据传输慢，不能满足快速高效率的要求。 5 传感器固定方式较为单一，不能适合目前断路器种类繁多，测试部位差别大的现 状，存在着固定不便的缺点。 6 断路器数据管理软件：目前还没有理想的断路器资料管理、试验数据管理软件和 指导现场检修的软件。只有简单的存储数据的软件，并且每次测试的数据存储为一个文 件，数据量大的情况下查询管理极为不便。 从上面的举例可以看出，断路器机械特性测试仪现场使用应能满足如下条件： 1 可以分别以直流电源和交流电源供电，从而满足现场没有交流电时的试验要求。 2 对目前各厂家速度定义的多样性，应能适用于国内外各厂家生产的各种断路器的 时间及速度等参数的测试，可以根据各厂家的不同定义灵活设置速度计算； 3 数据分析方便准确，显示断路器动作全过程的波形，可以分析波形任意一段的时 间和斜率，并能随时打印分析的图形和结果； 4 更高的测试精度：速度检测采用高精度的传感器元件； 5 仪器本身应具备较大的数据存储容量，能够大容量的存储数据，可以在仪器内部 永久存储多组测试数据； 6 由于在现场进行检测时随着电压等级的不断升高，感应电的干扰越来越显著，因 此必须提高检测仪器的抗干扰能力，应能适用于5 0 0 k v 及以下电压等级断路器的测量； 7 传输速度快，传统的串行2 3 2 接口传输速度慢，不适应现有的大量数据快速传输 的需要，应使用一种新的与p c 机连接方式提高传输速度，实现微机数据管理和分析。 8 应有一种较好的数据管理方法，使对于试验数据存储和历史数据查询都非常方 便。 鉴于上述情况，又考虑到断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，在系统的 运行中起着重要作用。断路器的分合闸时间和速度直接影响到断路器的遮断容量、灭弧 性能等特性，通过对断路器历史分合闸速度的分析比较可以发现断路器机械特性的变 化。此套检测装置要求能完成以下的功能： 5 第l 章绪论 ( 1 ) 能自动检测高压断路器的分、合闸时间、速度和位移；分、合闸同期性及断 口弹跳时间，合闸电阻投入时间。 ( 2 ) 能自动检测高压断路器的合一分一合操作时间、速度以及断路器三相断口之间 的同期性弹跳等特性数据。 ( 3 ) 可以进行隔离开关和接地开关的合、分闸时间和速度的测量。 ( 4 ) 能在显示界面显示电流、位移、三相断口通道曲线。 1 3 本文所做的工作 本文所做的工作包括以下几个方面： 1 阐述了国内外断路机械特性检测装置的发展现状及问题。 2 论述了断路器机械特性检测的必要性和检测台的工作原理。 3 选取了能准确反应断路器机械特性的特征参数，围绕这些参数的检测提出了几种 不同的检测方案，并对这些方案的优缺点进行对比论证。针对目前断路器机械特性检测 的要求选择合适的检测方案。通过对比新检测方案和传统的检测方案，说明新方法测试 精度的提高和工作情况的稳定。 4 将d s p 技术引入到断路器机械特性的检测中，以此保证了控制和信号处理的快速 性和实时性。以d s p 芯片为核心处理器，并围绕它开发设计各检测模块的硬件电路。 5 在硬件中设计了防雷防浪涌装置，大大提高了检测台工作的安全性和稳定性。 6 开发合适的计算机人机界面，通过软件编译能准确计算出断路器各运行参数，并 显示其参数曲线。 7 介绍了断路器机械特性检测台的构成。论述了检测台测量部分和操作控制部分的 要求。 8 对检测台进行实验，对所测得的参数曲线进行分析，并依据曲线计算出各参数的 实际值，以此来判断检测台的设计符合要求。 6 长安人学硕士学位论文 第2 章高压断路器检测台设计的基本理论 2 1 高压断路器简介 2 1 1 高压断路器的作用 高压断路器在电力系统中主要起保护作用，同时还承担着电网正常运行的重任。在 正常情况下，断路器能可靠地接通和断开电路；在电路发生故障的情况下( 如：短路、 过载、欠压等) ，能迅速地切断故障电流，保护发电机、变压器、线路等元件，使其不 被损坏，提高了电力系统运行的可靠性。 2 1 2 高压断路器的工作原理 高压断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器等的组合。它主要由 触点、操作机构、脱扣器和灭弧装置等组成n2 j 。由于断路器的种类繁多，因此其结构也 有所不同，但其工作原理是不变的。断路器工作原理：将三对主触头串接在三相电路中， 依靠主触头吸合和断开来控制电路的接通和断开。如图2 1 为高压断路器的工作原理图。 释放 图2 1 高压断路器工作原理图 2 2 高压断路器机械特性检测的内容 器 在断路器的现场试验中，包括以下内容：时间项目的测量包括分闸时间，合闸时间， 分、合闸同期性。除此之外，还要测量合闸弹跳以及断路器分、合闸速度等项目。对于 具有重合闸操作的断路器，还需要分一合时间和合一分时间。 1 、分、合闸时间： 固有分、合闸时间是指断路器从分、合闸控制线圈接收到脉冲信号到断路器三相全 7 第2 章高压断路器检测台设计的基本理论 部分开或闭合的时间【l l 】。 2 、总行程、接触行程： 总行程是指断路器动触头在分、合闸过程中，从初始位黄到最终位置总的位移【1 1 1 。 它的数值在一定程度上反映断路器在分断电流后的工频电压绝缘能力。接触行程，真空 开关又叫压缩行程，对于插入式触头的断路器来讲，是指断路器在分闸时，从触头开始 运动位置到触头刚刚分开点的行程值。或者断路器合闸时，从触头刚刚接触到合闸终了 位置的行程，在一定程度上反映触头的接触情况。对于对接式触头，它是动触头压缩弹 簧从分闸位置到合闸位置的压缩量，反映触头间的压力情况1 1 3 】。 3 、分、合闸同期性 三相分合闸不同期是指三相分、合闸时间差值的最大值【1 1 】。它包含有相间不同期， 对于多断口断路器来说包含同相不同期。因此只有测出断路器三相各断口的分、合闸时 间，才能求出三相不同期。 4 、合闸弹跳 合闸弹跳是针对真空断路器这种对接式触头提出来的，它是指真空断路器在合闸过 程中触头接触后由于机械力造成反弹，使触头在反弹分离时的最大反弹幅值1 1 】。它的大 小反映了真空断路器在合闸时对于负荷设备的冲击情况，尤其对于电容器这类非阻性严 重者反复4 5 次，持续2 6 m s 。当断路器带电操作时，两触头之间若存在弹跳，真空电 弧的燃弧时间延长。真空电弧是一种高温等离子体，弧体温度可达到七、八千度。燃弧 时间的增加使触头表面熔化的深度和广度都增加，合闸时就会造成两触头液面接触，瞬 间冷却后两触头熔焊在一起。这种熔焊，靠操作机构几千牛顿的分闸力是拉不开的。有 时熔焊点很小，分闸力能拉开，但常常把触头表面拉变形，造成开断后恢复电压短路。 因此，熔焊的结果可能使断路器分合闸失败。 5 、分一合时间 是断路器在自动重合闸时，从所有极触头分离瞬间起至首先接触极接触瞬间为止的 时间间隔。 6 、合一分时间 是断路器在不成功重合闸的合分过程中或单独合分操作时，从首先接触极的触头接 触瞬间起到随后的分操作时所有极触头均分离瞬间为止的时间间隔。 7 、触头刚分速度 指开关分闸过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。技术条件无规定时，国 8 长安人学硕七学位论文 家标准推荐刚分后o 0 1 s 内平均速度作为刚分点的瞬时速度，并以名义超程的计算点作 为刚分计算点。 8 、触头刚合速度 指开关合闸过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。技术条件无规定时，国 家标准推荐刚分后o 0 1 s 内平均速度作为刚合点的瞬时速度，并以名义超程的计算点作 为刚合计算点。 9 、最大分闸速度 指开关分闸过程中区段平均速度的最大值，但区段长短应按技术条件规定，如无规 定，按o 0 1 s 计算。 1 0 、断路器分、合闸速度 断路器的速度是指依据断路器生产厂家的定义得到的在规定区间( 或时段) 上的平 均速度。它反映的是断路器在分合闸过程中灭弧和预击穿阶段的速度特性。国家电力公 司在1 9 9 9 年8 月颁发的断路器设备反事故技术措施中指出：分、合速度特性是检修 调试断路器的重要质量指标，也是直接影响开断和关合性能的关键技术数据【14 1 。各种断 路器在新装和大修后必须测量分、合闸速度特性，并应符合技术要求。在对高压断路器 进行出厂检测时，要进行机械特性试验，以便对高压断路器机械性能进行性能评判。而 机械试验又包括机械操作试验、机械特性试验和机械寿命试验。 2 3 断路器机械特性检测台 2 3 1 断路器机械特性检测台的用途 断路器检测台就是为了对高压断路器和隔离开关进行机械性能和机械特性的出厂 检测而设计的。该仪器可完成高压断路器和隔离开关的以上所有操作( 单分、单合、分 一合、合一分、分一合一分及寿命试验的操作) ；并可检测高压断路器和隔离开关的分、合 闸操作时间、速度、以及三相断口之间的同期性、弹跳时间等特性数据，同时伴有状态 显示，能清楚地显示出被测产品的分、合闸状态。 2 3 2 断路器机械特性检测台的工作原理 由于电力系统中使用的高压断路器和隔离开关体积庞大，加之触头闭合和断开的时 间要求较短，因此，依靠人力操作触头的闭合和断开是不可能办到的。实际检测时，通 常由电机带动触头闭合和断开。断路器检测台的控制电压输出端分别与合闸电机( 控制 9 第2 章高压断路器检测台设计的基本理论 断路器进行合闸操作的电机) 和分闸电机( 控制断路器进行分闸操作的电机) 相连，当 输出合闸指令时，分闸电机断电合闸电机工作，控制被检测的断路器触头闭合；当输出 分闸指令时，合闸电机断电分闸电机工作，控制被检测的断路器触头断开。 按照以上对高压断路器和隔离开关的机械试验的试验内容，进行出厂检测时，其模 式共有以下六种： 单分：控制断路器或隔离开关进行单分闸操作( 只有在合闸状态下，方能进行此项 操作) 。 单合：控制断路器或隔离开关进行单合闸操作( 只有在分闸状态下，方能进行此项 操作) 。 分一合：控制断路器或隔离开关进行分t 1 合操作，t 1 = 分闸时间+ 分闸到合闸的间隔 时间，t l 由定时器控制。 合一分：控制断路器或隔离开关进行合t 1 分操作，t 1 = 合闸时间+ 合闸到分闸的间隔 时间，t l 由定时器控制。 分一合一分：控制断路器或隔离开关进行分t 1 合t 2 分的操作，t 1 = 分闸时问+ 分闸到 合闸的间隔时间。t 2 = 合闸时间+ 合闸到分闸的间隔时间，t l 、t 2 均由定时器控制。 寿命试验：控制断路器或隔离开关进行分t 1 合t 2 、分t 1 合t 2 、分t 1 合t 2 等操 作，t l = 分闸时间+ 分闸到合闸的间隔时间；t 2 = 合闸时间十合闸到分闸的间隔时间；t l 、 t 2 均由定时器控制。寿命试验的次数由计数器控制。 断路器检测台不仅可完成以上所有操作，并将这六种操作模式以按钮的形式出现在 面板上，同时伴有状态显示，能清楚地显示出被测产品的分合闸状态，使用户操作起来 简单易行。这就解决了对高压断路器或隔离开关的控制问题。那么，检验又是如何实现 的呢? 当检测台对断路器或隔离开关发出某种控制信号后，断路器或隔离开关将进行相应 的操作。同时，断口信息将通过连接在检测台与断路器或隔离开关断口间的断口线圈送 给检测台，最后由数据采集卡将信息送入计算机。计算机“高压开关测试分析系统 将 测得的数据信息转化成波形。通过对波形的分析，我们可以清楚的看出：断路器或隔离 开关在何时断开，何时闭合，以及断口在分、合时的弹跳情况和断口的同步性问题等等。 工作人员( 即用户) 可根据该波形判断被测产品的各项机械性能是否符合要求、达到出 厂标准。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 3 3 断路器机械特性检测台的特点 断路器检测台，其实质是基于计算机技术的断路器综合测试仪。综上所述，其特点 有以下几点： ( 1 ) 断路器检测台能够完成高压断路器与隔离开关的机械操作试验、机械性能试验 和机械寿命试验。 ( 2 ) 通过“断路器测试分析系统，能够在测试过程中将高压断路器与隔离开关的分、 合闸速度，分、合闸时间，触头分、合闸时的不同期程度等多项特性参数同时进行检测。 ( 3 ) 根据波形对高压断路器和隔离开关的机械状态进行分析，并能对测得的数据进 行计算。 ( 4 ) 试验结果便于管理，可以任意保存及打印。 ( 5 ) 操作过程简洁明了，操作方法简单、容易掌握。 ( 6 ) 能够在最大范围内允许实验人员的误操作，提高了试验的成功率和工作效率。 2 4 参数测量方案论证选择 2 4 1 高压断路器的机械操作试验 机械操作试验是断路器处于空载( 即主回路没有电压和电流) 的情况下，按照规定 条件进行各种操作，验证其机械性能及操作可靠性的试验。 高压断路器按其绝缘和灭弧介质的不同可分为油、真空、六氟化硫等类型，它所配 用的操作机构有电磁、弹簧、气动和液压等种类。这些种类断路器本体和操作机构可以 组成各种各样的断路器，它们的机械操作试验项目不完全相同。下面仅讨论操作试验项 目的基本内容和要求。 对每一种配上操作机构进行分合闸操作的断路器，必须给电磁铁一个控制电压，有 的还有储能所用的电源电压、储能的气体压力和液压油的压力等。由于现场实际使用中 供给断路器操作机构的电源电压和储能的气压或油压，不可能稳定在额定值，而是在一 定范围内变化。因此，要求断路器在电压、气压和油压变化范围内也能够正常操作。国 家标准及电力行业标准对操作能源变化范围作了如下规定： l 、储能用的电源电压为额定电压的8 5 ll o 时应可靠储能。 2 、当操作控制电压为交流电压，数值为额定电压的8 5 1 1 0 时，断路器应可靠 分闸和合闸。当采用支流操作控制，操作控制电压为额定电压的8 0 1 l o 时，断路器 应可靠合闸；为额定电压的6 5 1 2 0 时，断路器应可靠分闸。此外，当操作控制电压 l l 第2 章高压断路器检测台设计的基本理论 在额定电压的3 0 以下时，断路器应不能分闸。 3 、对于气动机构，当储能的气体压力为额定压力的8 5 1 1 0 时，断路器应可靠 分闸和合闸。液压机构的油压变化范围应符合制造厂规定。对于进口设备，其操作能源 变化范围应符合制造厂的规定。 断路器的分、合闸速度，分、合闸时间，分、合闸不同期程度，以及分合闸线圈的 动作电压，直接影响断路器的关合和开断性能。断路器只有保证适当的分、合闸速度， 才能充分发挥其开断电流的能力，以及减小合闸过程中预击穿造成的触头电磨损及避免 发生触头熔焊。对于油断路器，刚分速度的降低将使燃弧时间增加，特别是在切断短路 故障时，由于阻碍触头烧损、喷油。甚至发生爆炸。而刚合速度的降低，若合闸处于短 路故障时，由于阻碍触头关合电动力的作用，将引起触头振动或使其处于停滞状态，同 样容易引起爆炸，特别是在自动重合闸不成功情况下更是如此。反之，速度过高，将使 运动机构受到过度的机械应力，造成个别零件损坏或使用寿命缩短。同时，由于强烈的 机械冲击和振动，还将使触头弹跳时间加长。真空断路器和s f 6 断路器的情况相似。 断路器分、合闸严重不同期，将造成线路或变压器的非全相接入或切断，从而可能 出现危害绝缘的过电压。 断路器机械特性的某些方面是用触头动作时间和运动速度作为特征参数来表示的， 在机械特性试验中一般最主要的是刚分速度、刚合速度、最大分闸速度、分闸时间、合 闸时间、合一分时间以及分一合同期性等。 2 4 2 测量断路器时间参量的方法 由于分合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳。对于断路器而言，要求其分合闸 的不同期性要小于2 m s ，因此在时间的测量上要满足以下两个条件：时间测量的精度要 达到0 1 m s ，并且还要能精确测定三相断口的同期性。 l 、用电秒表( 数字电秒表) 测量时间 电秒表具有测量简单、使用方便等优点。但是对于普通的电秒表而言，其测量精度 只能达到1 0 m s ，这远没有达到时间参量检测的要求；数字电秒表的测量精度为0 1 m s ， 但数字电秒表只能测量单路的空接点闭合、断开时间，正电压的作用以及双路信号的时 间差值，很难检测断路器的三相断口同期性。因此用电秒表测量时间的方案不能取用。 2 、光线示波器测量时间 光线示波器利用振动子偏转反射的光束在感光记录纸上记录一个或多个参数 1 2 长安大学硕士学位论文 的瞬时值，以确定其波形的记录仪器。光线示波器用光束记录，光束无惯性，光 记录无摩擦，又可用增加光臂长度的方法来提高光学的放大作用。与其他记录仪 相比，光线示波器的工作频率较高，可达1 0 0 0 0 赫，其测量精度能达到0 1 m s 。使用 光线示波器可以测量断路器分、合闸时间，同期性及分、合闸电磁铁的动作情况。这种 方法具有测量准确、直观，且能同时测量多个时间参量等优点。 ( 1 ) 测量基本原理。接线原理如图2 2 所示，光线示波器的测试回路由电源e 、开 关s 、可调电阻、光线示波器振子g 回路串联组成。 s g 图2 2 光线示波器振子回路接线原理图 ( 2 ) 单相单断口断路器的时间测量，其测量接线如图2 3 所示。 测量前，事先将电阻箱中的电阻r 。、r 2 调节到适当值，当电路接通时，电路中的电 流值应在示波器振子允许的范围之内。 图2 3 用光线示波器进行断口测量接线原理图 ( 3 ) 电流信号。在断路器的机械试验中，通常将分闸和合闸电磁铁在操作断路器 分、合闸时的电流波形，称为电流信号。它是断路器接受分闸和合闸操作指令的标志， 这个标志是断路器时间测量中不可缺少的信号，其测量原理接线如图2 4 所示。 第2 章高压断路器枪测台设计的基本理论 分合闸信号 k q 图2 4 抽取分、合闸先驱电流信号原理图 k q 一线圈 ( 4 ) 断路器的三相时间测量。一台断路器一般由三相组成，所以在机械试验中必 须测量三相的时间参数。图2 4 示出了用光线示波器进行三相时间测量的接线图。 抽取三相信号 图2 5 用光线示波器进行三相时间测量接线图 由于光线示波器时标范围宽、精度高，且能直观反映出断路器在动作过程中有关参 量的变化情况。 2 4 3 测量断路器速度参量的方法 断路器的速度参量以其分、合闸速度来表示。由于断路器在运动过程中每一时刻的 速度是不同的，一般所关心的是刚分、刚合速度和最大速度。根据以上定义要求，下面 介绍几种测量断路器运动特性的方法。 1 、电磁振荡器测速法 电磁振荡器测速原理如图2 6 所示。运动纸板通过测速杆与动触头连接。当振荡电 磁铁线圈中通入5 0 h z 交流电时，振动笔以1 0 0 次s 的频率振动，在运动的纸板上绘出 周期为0 0 1 s 的振荡波形。纸板上波形长度就是触头总行程，行程间对应的周波数，就 是触头总运动时间。在触头运动过程中，由于每相邻波峰间时间间隔为0 o l s ，振动曲 线最大波峰间的厘米数就是触头的最大速度值v m a x 。刚分( 合) 点位置的确定如图2 7 1 4 长安大学硕士学位论文 所示。 4 图2 6电磁振荡器测速原理示意图 1 一运动纸板； 2 一振动笔；3 一衔铁；4 一振动簧片；5 一线圈 在振荡波形图上，首先要分清楚分( 合) 闸曲线的两个端头中哪一端是分闸位置s 1 ， 哪一端是合闸位置s 2 ，然后以合闸位置s 2 为起始点，向分闸方向量取一段等于断路器 超行程值的长度s o ，以这一线段终点位置为动静触头刚分( 合) 时刻。按国家标准规定， 取触头分离后( 接触前) 1 0 m s 内的速度为刚分( 合) 速度，所以视超行程终点落在曲线 的什么相位，再取同相位的一个波长，即为所求刚分速度v f 或刚合速度v h 。 八人入 l jij 1r1 - s o v f 图2 7 a 分闸速度曲线 3 l v hs o - 厂八。、 vv yyvv 图2 7 b 合闸速度曲线 2 、转鼓式、电位器式测速仪 转鼓式测速仪是以连接在动触头系统上的记录笔，沿以恒定角速度转动的转筒上所 画的曲线来反映其运动情况的。而电位器式测速仪则是以其滑动触点在电阻杆上的不同 位置所反映的电压值来测量断路器的动作状况。这两种测量方法能直观判断断路器触头 在整个运动过程中有无卡涩和缓冲不良等异常现象，能够粗略测出断路器的固有分、合 闸时间，速度测量精度较高。 第2 章高压断路器检测台设计的基本理论 以上两种方法较为简单，缺点是较为笨重，功能单一，已很少使用。 3 、光电测速原理 由于光电测速方式结构简单、可靠，大多数开关测试仪都采用光电传感器进行开关 的测速。光电测试是利用对检测到的光信号进行计数( 或计时) 来实现对触头行程和速 度的测量的。图2 8 中示出了光电测速结构示意图。 图2 8 中，开有光孔的光栅尺通过测速杆与开关动触头连接。动触头运动时，带动 光栅尺上下运动。发光管5 发出的光线可通过光栅尺上的光孔照射到光敏接收管6 上， 或被光栅尺不透光部分遮挡。被检测到的光信号，经整形电路7 转换成相应的方波信号， 送入测试仪进行计算处理【”】。 图2 8 光电测速结构示意图 1 一传感头；2 一光栅尺；3 一测速杆；4 一动触头 5 一发光管；6 一光敏接收管；7 一整形电路 2 4 4 测量断路器触头行程的方法 断路器触头行程本不作为断路器机械特性检测的一个重要方面，但是由于本设计是 以断路器触头的行程来作为分合闸速度的计算依据，因此在这里也介绍一下断路器触头 行程的测量。 这里采用滑线变阻器传感器的方法来测量。将滑阻传感器的滑块连接至断路器触 头，当断路器进行分合闸动作时，触头会带动滑阻滑块进行滑动，滑块的滑动会相应的 改变滑阻输入外围电路的有效阻值，于是降落在有效阻值上的电压值也会随阻值的变化 1 6 百 长安大学硕士学位论文 而变化，利用电压值的变化和滑阻感应器单位长度的阻值就可以算出滑块所移动的距 离，滑块移动的距离也即触头移动的行程。 图2 9 所示为断路器触头行程测量原理图