（机械电子工程专业论文）绝缘子带电水冲洗装置控制系统的研发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 摘要 绝缘子污闪是导致电气化铁道供电线路发生跳闸故障的主要因素，频繁的污 闪跳闸给安全供电带来极大的隐患。采用水冲洗车进行带电水冲洗，可以有效解 决绝缘子污闪事故，降低了劳动强度，省时、安全，得到了铁道部的高度重视。 带电水冲洗车是移动式带电水冲洗装置，主要由控制系统和水路系统组成。 控制系统对水路系统进行控制、监测和保护，其性能的好坏决定着水冲洗装置的 优劣与操作人员的安全。本文通过采用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 电子 设计自动化) 技术思想，利用p r o t e l 、a u t o c a d 、m u l t i s i m 、p r o t e u s 等软件工 具，结合电子电路知识和电气控制理论，研发了绝缘子带电水冲洗装置的控制系 统，该系统具有集成化、操作简单、安全可靠的优点。 本文的主要内容包括：一、控制系统硬件组成的研发。控制系统由供电系统、 调速系统和水阀电气控制系统三部分组成。供电系统采用接触网供电为主，发电 机供电为辅的方法，安全可靠；调速系统采用变频器调速控制的方法，起动稳定、 噪声小、节能效果显著；水阀电气控制系统由监控模块、电源模块、电动调节阀 控制模块、显示模块、水阀控制模块和水炮开关控制模块构成，集成化、控制精 度高。二、控制系统软件程序的开发。利用w i n d o w s 集成开发环境u v e r s i o n2 和 k e i lc 5 1 编译器，用c 语言开发出控制系统的软件程序，并且编译出可以烧写到 单片机中的h e x 文件。三、仿真验证和试验。验证了硬件电路和软件程序的正确 性，与试验测量数据进行了对比，分析了出现偏差的原因，提高了控制精度，缩 减了研发时间和费用。 同时，设计和制作了水阀电气控制系统的印制电路板，组装了系统控制柜， 调试了控制系统，其性能达到了绝缘子水冲洗装置的要求。 关键字：带电水冲洗；控制系统；变频调速；单片机 a b s t r a c t p 0 1 1 u t i o nf l a s h o v e ro fi n s u l a t o r si sak e yf a c t o rw h i c h c a u s e st r i po np o w e rs u p p l y o fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , f r e q u e n tp o l l u t i o nf l a s h o v e rt r i pi sh a r m f u lf o rs a f ep o w e rs u p p l y w a t e rh o tw a s h i n gv e h i c l ew h i c hw a s h e st h ep o l l u t e di n s u l a t o r sb yh i g hr e s i s t i v i t y 口r e s s u r ew a t e r - c o l u m ni ss a f e ，t i m e s a v i n g ，l a b o r - s a v i n ga n d i sp a i dm o g ea t t e n t i o nb y r a i l w a yd e p a r t m e n t s w a t e rh o tw a s h i n gv e h i c l ei sak i n do fm o b i l ew a t e rh o tw a s h i n gd e v i c e ，w h i c h c o n s i s t so fc o n t r o ls y s t e ma n dh y d r a u l i cs y s t e m c o n t r o ls y s t e mc o n t r o l s ，m o n i t o r s a n dp r o t e c t sh y d r a u l i cs y s t e m ，w h i c hd e c i d e sp e r f o r m a n c eo fw a t e rw a s h i n g d c v l c e a n d s e c u r i t y o fo p e r a t o r i nt h i sp a p e r , e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t l o n ) t e c h n 0 1 0 9 yi sa d o p t e d ，s o f t w a r el i k ep r o t e 雌n t o c a 工蛐i u l t i s i n 岬t o t e u s i su t i l i z e d ，a t t h es a m et i m e ，b yc o m b i n i n gk n o w l e d g e o fe l e c t r o n 。c i r c u i t a n d t h e o r y o f e l e c t r i c c o n t r o l ，c o n t t o ls y s t e mf o ri n s u l a t o rw a t e rh o tw a s h i n gd e v i c ei sr e s e a r c h e d a n dd e v e l o p e d ，w h i c hh a ss o m en e wm e r i t s ，s u c ha sm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n e a s y m a n i p u l a t i o na n ds a f e t y t h i sp a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n gc o n t e n t s ： h a r d w a r ef o rc o n t r o ls y s t e m c o n t r o ls y s t e m f i r s t ，r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to f i sm a d eu po ft h r e ep a r t s ，w h i c ha r e p o w e rs u p p l vs y s t e m ，c o n t r o lo fm o t o rs p e e ds y s t e ma n dv a l v e e l e c t r i c - c o n t r o l s y s t e m p o w e rs u p p l ys y s t e ma d o p t sc o n t a c tl i n ew h i c h i sm a i nd e v i c ea n de l e c t n c g e n e i a t o rw h i c hi sa u x i l i a r ye q u i p m e n t ，i ti ss a f ea n dr e l i a b l e c o n t r o lo fm o t o r s p e e d s v s t e mu t i l i z e sf r e q u e n c yc o n t r o lm e t h o dw h i c hi se n e r g y 。s a v i n ga n d l i t t l en 0 1 s e v a l v ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fs i xm o d u l e s ，w h i c ha l e m o n i t o r i n g m o d u l e ，p o 、v e rm o d u l e ，e l e c t r i ca d j u s t i n gv a l v ec o n t r o lm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，w a t e r v a l u ec o n t r o lm o d u l ea n ds w i t c h c o n t r o lm o d u l e s e c o n d ，p r o g r a m m i n gf o rc o n t r o l s v s t e m p r o g r a mi sw r i t t e nb ycl a n g u a g et h r o u g hw i n d o w si n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tu v b r s i o n2 a n dk e i lc 5 1c o m p i l e r , a n dt h e h e xf i l ew h i c hc a nb e d o w n l o a d e do nm c u ( m i c r o c h i pu n i t ) h a sa l r e a d yc o m p i l e d t h i r d ，s i m u l a t i o na n d t e s t c o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e dt oe n s u r et h ec o r r e c t n e s so fc i r c u i t a n dp r o g r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 f u r t h e r m o r e ，o u t c o m eo fs i m u l a t i o ni sc o m p a r e dw i t hd a t ao ft e s ta n dt h er e a s o no f e r r o ri s a n a l y z e d ，t h a ti m p r o v e s c o n t r o l p r e c i s i o n a n ds a v e sr e s e a r c ht i m ea n d e x p e n d i t u r e b e s i d e s ，d o u b l el a y e rp c bi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，c o n t r o ls y s t e mi s a s s e m b l e da n dt e s t e d r e q u i r e m e n t so fp e r f o r m a n c ef o rw a t e rh o tw a s h i n gd e v i c ea r e a c h i e v e df i n a l l y k e yw o r d s ：w a t e rh o tw a s h i n g ；c o n t r o ls y s t e m ；f r e q u e n tc o n t r o lo fs p e e d ；m c u 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、通过采用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n 电子设计自动化) 技术思想 和模块化设计思路，使控制系统具有集成化、操作方便的性能特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 西南交通大学曲南爻逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密衫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：雷鑫 指导老师签名： 日期：嘶上月j 弓司 日期： o z 叫 | 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 绝缘子的污闪及危害 使带电部件绝缘，并对其起到机械支持与定位的设备称之为绝缘子。尤其是 在户外运行的绝缘子，除了应具有一定的电气绝缘性能和一定强度的机械性能之 外，还应具备耐受各种自然环境的侵袭和污染而保证安全供电的条件。 绝缘子在长期运行中，大气中的尘埃微粒沉积到其表面形成污秽层，在干燥 气候时，污秽层电阻很大，绝缘性能不会降低，但在雾、露、小雨、雪等气象条 件下，污秽层中的电解质湿润后，使表面电导率增加，绝缘性能下降，而其中的 灰分等保持水分，促进污秽层进一步受潮，从而溶解更多的电解质，造成绝缘子 湿润表面的闪络放电，简称污闪。污闪放电过程分为四个阶段，即绝缘子表面的 积污、污秽层的湿润、形成干带、局部放电的产生和发展并导致沿面闪络。因此 污闪的三要素是：绝缘子表面积污、污秽层湿润和电压作用。 绝缘子污闪是导致电气化铁道供电线路发生跳闸故障的主要因素，多发生在 冬末春初和秋末冬初。频繁的污闪跳闸给正常的供电带来不良影响，严重时还能 引起断线事故的发生，给安全供电带来极大的隐患。随着工业污染的加重，全球 气候环境的逐年恶化及高电压等级电网的投入使用，电网设备污闪事故更加呈现 出频率高、发生面积广的趋势。电网污闪大多出现在电压等级高、临近城市市区 的电气设备上，往往会造成大面积的停电，而且检修恢复时间长，给国民经济造 成巨大损失，同时会对设备本身造成不可恢复性损伤。据统计，电网污闪事故造 成的电量损失为雷害事故的9 3 倍1 1 1 。华东电网5 0 0 k v 输电线路自1 9 8 7 年6 月 投运以来多条线路发生污闪，1 9 9 6 年1 2 月底，已投运的2 3 条5 0 0k v 线路中有 1 1 条发生闪络，跳闸7 2 次，对华东电网的安全运行构成严重威胁。2 0 0 1 年2 月， 辽宁、河北、河南等地发生大面积污闪事故，线路跳闸3 0 0 多条次，1 8 个变电 站全部失电，在事故中辽宁损失电量9 3 7 5g w h r , ! 。 污闪是个区域性的问题。其显著特点是同时多点跳闸的机率高。绝缘性愈低， 跳闸机率愈大，重合成功率愈小。华北电网1 9 7 5 - - - 1 9 8 5 年统计表明，输电线路跳 闸率为2 7 。1 9 9 6 - 1 9 9 7 年，京，津，唐电网变电设备的几次重合也大都失败。 重合不良则意味着存在永久性故障，而多点故障则意味着多处供电失去电源，甚 至会造成大面积的事故。 污闪的上述特点，是由其本身的特殊性造成的。一个大、中型变电站，对地 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的绝缘设备大约有几百支至上千支。而变电站的进线、出线也有几条至十几条。 在周围几十或上百平方公里的地区，大气的污染几乎是相近的，雾、雪、毛毛雨 等潮湿的气象条件也几乎是相同的。一旦一处污闪跳闸，则表明这个地区近乎相 同的几百个或上千个绝缘子个体均处于临界污闪跳闸的状态。一处跳闸，重合闸 动作，还会造成电网的振荡，使临近闪络设备又多承受一个操作过电压的作用， 使设备处于更加不利的状态。特别是当较多设备的外绝缘抗污闪能力远低于实际 污秽度要求时，往往会造成区域性的大面积污闪事故。1 9 8 9 年末至1 9 9 0 年初， 全国若干个省市的大面积停电的根本原因就是输电线路配置的外绝缘水平相对于 设备表面实际染污程度的要求相差太多的缘故。 污闪事故造成的电量损失，以及给国民经济带来的损失是十分惊人的。例如 1 9 7 6 年2 月上海闸北电厂一次事故，就少发电1 0 1 3 万k w h ，导致上海北部地 区大面积停电。又如，1 9 7 7 年1 - - 2 月份，山东省淄博、昌邑、烟台、惠民四个 地区相继发生了地区性大面积污闪，涉及3 5 - - - 2 2 0 k v 线路，6 3 条跳闸，1 0 5 个变 电站停电，损失电量4 3 1 万k w h 。同时，造成多口油田关闭、输油管凝固等重 大事故。对于9 0 年代，我国的华东、华中、华北、东北、西北等地发生跨省市的 大面积污闪事故，都曾造成地区网络的停电损失。 1 9 8 9 年末至1 9 9 0 年初，我国跨省市的大面积污闪，特别是5 0 0 k v 线路的大 量跳闸，引起了电力部门的高度重视，曾投入大量人力、物力解决输变电设备的 污闪问题，也收到了相当大的效果，电力系统的污闪跳闸率和事故率在几年内连 续下降。但是，到了1 9 9 6 年末 - - 1 9 9 7 年初，全国性的大面积污闪再度发生。使 我们再一次认识到抗污闪工作的长期性和艰巨性。 1 1 2 绝缘子污闪的防治 为了防止绝缘子污闪造成停电、断线事故的发生，必须加强绝缘子的防污闪 工作。首先要正确了解线路通过地区的大气污秽程度和污秽性质，确定线路的污 秽期和污秽等级，正确划分出污秽区，以便为防污闪工作提供可靠依据。其次， 根据实际情况选择适合本地区的防污闪方法。 目前，在供电运营中防治污闪的主要方法如下： 定期清扫绝缘子。在污秽季节到来之前，逐杆清扫绝缘子，除去绝缘表面 的污秽物。一般每年在雨季前清扫一次，可用干布或蘸去污粉的湿布擦干 净，也可带电水冲洗。对污秽严重，不易在现场清扫的绝缘子，更换新的 绝缘子，将1 日绝缘子带回工厂进行清扫。 更换不良和零值绝缘子。定期对绝缘子串进行绝缘检测，发现不良绝缘子 和零值绝缘子，及时更换。 增加绝缘子串的单位泄漏比距。绝缘子表面泄漏电流越大，污闪越严重， 而泄漏电流的大小与绝缘子串的单位泄漏比距成反比。因此，可以增加绝 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 缘子片数或改为耐污型绝缘子来增加绝缘子串的单位泄漏比距。 采用防污涂料。对污秽严重地区的绝缘子，可采取定期在表面涂憎水性防 污涂料的方法，增强其抗污能力。 采用合成绝缘子( 又称硅橡胶绝缘子_ ) 。合成绝缘子由环氧玻璃纤维棒制成 芯棒，以硅橡胶为基本绝缘体构成。环氧玻璃纤维棒抗张强度相当高，硅 橡胶绝缘子具有良好的耐污闪性能。采用合成绝缘子最近几年在新建线路 上应用较广，是防污闪的有效措施。 上述的绝缘子防污闪方法的优缺点比较如下： 定期清扫。这种方法是应用最为广泛，也是最简单的防污闪方法，一直被 各供电部f - j n 延用。缺点是按周期进行清扫，每年要专门计划出一两个月 的时间进行成批绝缘子的清扫工作。在一些重污区，几乎是每季都要清扫 一次或是每月清扫一次，职工劳动强度大，而且在天窗点压缩的客观情况 下，浪费了许多宝贵的停电时间，造成全年平推检修任务十分紧张。使用 带电水冲洗进行带电冲洗，越来越得到供电段的重视，它是用高电阻率的 压力水柱清洗绝缘子的一种带电作业方式。只需利用区间无列车时的空闲 时间，不停电就能对接触网绝缘子进行冲洗，职工劳动强度小，工作进度 快，对于一些停电困难的区段比较适合。但在冲洗前要先对所用水源进行 严格的检测化验，水的电阻率要求一般不低于1 5 0 0 欧姆厘米，对于水质 含盐量超标的地区不适合使用此方法。目前，也有利用化学清洗剂代替水 冲洗的，效果比水要好，只是成本高一些。 在线监测和更换零值绝缘子。使用此种方法的前提条件是需要有相应的仪 器才能进行。在绝缘子数量大的情况下，劳动量也很大。并且目前开发出 的一些在线监测仪器，在使用中受温度、湿度、风速等气候条件影响较大， 准确率起伏很大。市场新开发的玻璃绝缘子虽然具有零值自爆特点，为绝 缘子的绝缘检测提供了一条新的途径但由于其自洁能力差，积污重，很 不适应中污区及重污区使用，并且造价高，应用也不广泛。 增加绝缘子片数以提高泄露的方法在现场应用较多，通常的做法是在馈 线、拉杆处多加一片悬式绝缘子以提高绝缘性能，但受强度影响，绝缘子 片的数量不能一味的增加，新增加的绝缘子被污闪后，在一些重污区还是 会经常出现污闪故障。绝缘子的生产厂家实践中也在不断摸索，研制新型 绝缘子，通过改进绝缘子技术水平以提高抗污闪的能力。将耐污型绝缘子 设计成大小相问或者伞形。由于小伞处于大伞的保护下不易受污染，且大 伞间距较大、改善了放电特性，因而提高了绝缘子的耐污性能，并有利于 带电水冲洗。 采用憎水性涂料是一种比较先进且成本较低的方法，优越性也比较明显。 我国从六七十年代就开始使用耐污涂料，最初使用硅油、硅脂、地蜡。8 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 年代以来，又开发出室温硫化硅橡胶( r t v ) 涂料应用于现场，由于其具 有憎水性和包容污秽物的特点，当污秽物落上后，被防污涂料包围成一个 个孤立的细小微粒，使其不被雨水或潮雾中的水分所润湿，因此，该污秽 物质不被离子化，从而能有效地扼制泄漏电流，极大地提高了绝缘子的防 污闪能力。在实际应用中，使用r t v 涂料，要严格按使用说明书操作。 施工工艺要求较高，太薄或龟裂、脱皮都会失去应有的作用，造成闪络事 故。在保证喷涂质量的条件下，一次使用可保持绝缘子五年内不用清扫。 合成绝缘子是近几年开始应用的新型绝缘子，它重量轻、机械强度高，轴 向拉力特别强，为普通钢铁的1 5 倍，是高强瓷的3 0 倍；抗污闪性能好， 具有憎水性，下雨时在合成绝缘子的伞形波纹表面不会沾湿形成水膜，而 是呈水珠状滴落，不易构成导电通道，其污闪电压较高，为同电压等级瓷 绝缘子的3 倍；清扫周期长，具有自洁性，可4 0 年清扫一次。缺点是 合成绝缘子价格高，承受的径向( 垂直于中心线) 应力小，伞部为硅橡胶， 质地比较软，极易损伤而破坏密封性，导致绝缘性能下降。 近年来，国内外带电水冲洗作业发展很快。美国、加拿大、日本、俄国、捷 克等国在超高压的输电线路及变电所都广泛地开展起来。移动式作业工具包括带 电水冲洗车，机械手( 遥控喷头) 及直升飞机；固定式水冲洗装置包括多种喷嘴 的喷射系统及水幕，还包括全套自动化启动系统。带电水冲洗适用的电压等级已 从交流1 1 5 k v 扩展到交、直流的5 0 0 k v 。 图1 - 1 为直升飞机带电冲洗作业过程。 ：基 可 衡 图1 - 1 直升飞机带电冲洗过程 1 1 3k j 系列绝缘子带电水冲洗车 k j 系列绝缘子带电水冲洗车是由西南交通大学新型驱动技术中心成功研制出 来的。该装置可以利用列车运行间隙实现带电水冲洗作业，从而减小对运输组织 工作的影响，极大地提高了工作效率，改善了作业人员的工作条件，降低了劳动 强度。 嘴 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 系列绝缘子带电水冲洗车有如下特点： 变频器方案减小了系统的体积和噪声。 变量单泵驱动、多水嘴射水方式简化了设备配置。 炮杆和喷嘴经过c f d 优化设计，取得了良好的射流效果。 可实现单炮或多炮的变射程控制，以适应不同的应用需求。 可精确控制水嘴出口压力和流量，降低能耗。 在不降低冲洗效果的前提下节省水量约5 0 1 3 l 。 图1 - 2 为系列绝缘子带电水冲洗车的作业过程。 图1 - 2 绝缘子带电水冲洗车 1 2 论文的研究内容和目标 本文结合电机控制与供电技术、变频调速技术、模拟电路、数字电路、单片 机控制等知识，利用m u l t i s i m 、p r o t e u s 电子电路仿真软件，采用模块化设计的思 想和e d a 技术思路，研发了绝缘子带电水冲洗装置的控制系统，使其具有集成 化、操作简单等特点。 论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 控制系统方案研究。 ( 2 ) 硬件研发。 ( 3 ) 软件开发。 ( 4 ) 仿真优化与试验。 ( 5 ) 设计和制作了印制电路板，组装了系统控制柜，调试了控制系统。 通过论文的研究，实现如下目标： ( 1 ) 硬件组成集成化、操作简单。 ( 2 ) 软件程序精简化，可读性强。 ( 3 ) 仿真过程准确化，缩短研发时日j 与经费。 ( 4 ) 控制系统达到绝缘子带电水冲洗装置的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章控制系统的功能分析与总体规划 2 1 绝缘子带电水冲洗装置的系统组成 绝缘子带电水冲洗装置是一种移动式带电水冲洗装置。由西南交通大学新型驱 动技术中心研制的褂系列绝缘子带电水冲洗装詈如图2 - i 所示。 图2 - 2 绝缘予带电水冲洗装置的系统组成 其中，水路系统由水罐( 车) 、水泵电机、水压系统和水炮等单元构成，各单 元功能如下： 水罐( 车) ：储水。 水泵电机：驱动水泵。 水压系统：对水流压力和流量进行控制。 水炮：水冲洗操作机构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 控制系统由供电系统、调速系统、水阀电气控制构成，各单元功能如下： 供电系统：给水泵电机、生活、照明和控制装置提供电源。 调速系统：对水泵电机进行调速控制。 水阀电气控制：对水压系统进行电子、电气控制。 此外，还有一些辅助装置，如：底架、栏杆、总控制室( 休息室) 等。 2 2 控制系统的功能分析 绝缘子带电水冲洗装置的水路系统由水罐、水泵、电动调节阀、泄水阀、电 磁阀1 和电磁阀2 组成。水路系统给水冲洗车提供用水和通道，用来调节炮嘴入 口处的压力并为炮嘴供水，水流通过炮嘴射出，达到对绝缘子进行压力冲洗的目 的。炮嘴的出水通断由电磁阀控制。系统的工作压力和喷水流量由电动调节阀进 行自动调节，可以保持压力和流量的稳定。通过调节水压系统的工作压力可以实 现对水柱长度的控制。水压系统的溢流水量直接流回水泵入口，减少了管路的布 置。水路系统原理图如图2 3 所示。 图2 3 水路系统原理图 绝缘子带电水冲洗装置水路系统控制要求如下： ( 1 ) 通电。泄水阀打开，电动调节阀、电磁阀1 和电磁阀2 关闭。 ( 2 ) 电机启动，水泵工作。泄水阀打开，电动调节阀处于状态( 设定电 流，可调) ，电磁阀1 和电磁阀2 关闭。 ( 3 ) 单炮使用。电磁阀1 或电磁阀2 打开，电动调节阀处于状态( 设定 电流，可调) ，泄水阀关闭。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 单炮关闭。泄水阀打开，电动调节阀处于状态( 设定电流0 ，可调) ， 电磁阀1 和电磁阀2 关闭。 双炮使用。电磁阀1 和电磁阀2 全开，电动调节阀处于状态 ( 设定 电流 ，可调) ，泄水阀关闭。 一炮关闭( 相当于单炮使用) 。电磁阀1 或电磁阀2 打开，电动调节阀 处于状态 ( 设定电流 ，可调) ，泄水阀关闭。 双炮关闭。泄水阀打开，电动调节阀处于状态( 设定电流，可调) ， 电磁阀1 和电磁阀2 关闭。 ( 4 ) 断电，水泵停。泄水阀、电动调节阀、电磁阀1 和电磁阀2 全都关闭。 根据水路系统的控制要求，控制系统应该具有下述功能： ( 1 ) 控制水泵电机变速运行，为系统节约用水和能量。 ( 2 ) 控制泄水阀、电动调节阀、电磁阀1 和电磁阀2 按照控制要求运行。 ( 3 ) 监控和显示运行状态。 ( 4 ) 安全保护。 2 3 控制系统的总体规划 根据控制系统的功能要求，控制系统总体规划由三部分构成：供电系统、调 速系统和水阀电气控制系统。如图2 - 4 所示。 供电系统为绝缘子水冲洗装置控制系统和照明、空调等供电。采用接触网和 发电机“双保险”供电方式，一般情况下，接触网供电为主，发电机供电各用。 调速系统对水泵电机进行调速控制，达到控制精确、操作简单以及节能的目 的，同时在系统控制柜上对泵电机的受控状态进行监测。 图2 - 4 控制系统总体规划 水阀电气控制系统对水压系统的泄水阀、电磁阀、电动调节阈进行逻辑控制 对系统的运行状态进行跟踪和监控，以达到系统韵控制要求，如图2 - 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 5 水阀电气控制示意图 监控系统：负责处理整个系统的控制逻辑。 输入部分：脚踏开关、小型拨码开关，小型按键。 输出部分：高低电平用于控制泄水阀、电磁阀1 和电磁阀2 ； o - - 5 v 的可变直流电压用于控制电动调节阀； 显示模块( 数码管、l e d ) 用于跟踪、监控系统运行状态。 电源部分：提供工作电源。 根据模块化设计思想，水阀电气控制系统由监控模块、电源模块、电动调节 阀控制模块、水阀控制模块、水炮开关控制模块、显示模块组成。 ( 1 ) 监控模块。以单片机为核心，负责处理系统的逻辑运算以及协调外围器 件的相互关系。 ( 2 ) 电源模块。为系统的核心芯片和个别外围器件提供驱动能量。 ( 3 ) 电动调节阀控制模块。为电动调节阀提供可调的o - - - 5 v 的直流电压。 ( 4 ) 水炮开关控制模块。用来检测水炮脚踏开关的状态，通过监控模块来控 制水阀控制模块。 ( 5 ) 水阀控制模块。根据监控模块发出的控制信号，驱动相应的电路，实现 对电磁阀1 、电磁阀2 、泄水阀的控制，达到控制系统的功能要求。 ( 6 ) 显示模块。主要由两部分组成，一部分用来监测水阀控制模块的状态， 另一部分用来跟踪显示电动调节阀控制模块的控制电压。 在后面的章节中，将对控制系统的各组成部分进行详细的阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章控制系统硬件研发 控制系统主要由供电系统、调速系统和水阀电气控制系统三部分构成。 3 1 供电系统 3 1 1 供电方式 ( 1 ) 接触网供电 接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由 接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成，如图3 - 1 所示。 f 图3 - 1 接触网 接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置 架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。支持装置 用咀支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。根据接触网所在区问、 站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串， 棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。定位装置包括定位管和定位器，其功 用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与 受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。支柱与基础用以承受接触悬挂、 支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。 接触网的电压等级是工频单相交流制2 7 5 k v 。 接触网供电方式有单边、双边供电和越区供电。单边和双边供电为正常的供 电方式。单边供电是供电臂只从一端的变电所取得电流的供电方式。双边供电是 供电臂从两端相邻的变电所取得电流的供电方式。越区供电是一种非正常供电方 式( 也称事故供电方式) 。越区供电是当某一牵引变电所因故障不能正常供电时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 故障变电所担负的供电臂，经开关设备使相邻的供电臂接通，由相邻牵引变电所 进行临时供电。复线区段的供电情况与上述类同，但牵引变电所馈出线有四条， 分别向两侧上、下行接触网供电。牵引变电所同一侧上、下行实现并联供电，提 高供电臂末端电压。越区供电时，通过分区亭内的开关设备去实现。 接触网供电要求接触网对地绝缘好，安全可靠。 ( 2 ) 发电机供电 发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由柴油机、汽油机、 汽轮机、水轮机或其他动力机械驱动，将燃料燃烧、气流、水流、或原子核裂变 产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机的形式很 多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则 是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁 功率，达到能量转换的目的。 发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包 绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯( 或磁极、磁 扼) 、绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。由轴承及端盖将发 电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动， 从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。 柴油发电机是柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。 在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压 雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油 的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为 “作功”。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动 曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。将交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就 可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用“电磁感应”原理，发电机就会 输出感应电动势，经闭合的负载回路产生电流。 结合绝缘子带电水冲洗装置的实际工况，控制系统采用接触网供电和柴油发 电机供电的方式。 受电弓从接触网上取下单相2 7 5k v 的电压，经高压保险、隔离开关，送至干 式变压器，输出3 8 0v 和2 2 0v 的单相电压。 柴油发电机作为系统备用的供电装置，提供3 8 0v 的三相电压，配置简单， 操作方便。 3 1 2 供电系统原理 控制系统采用接触网供电和发电机供电两种方式，接触网供电为主，发电机 供电备用，为系统提供3 8 0v 三相或单相电压和2 2 0v 的交流电压。供电系统原 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 理图如图3 2 所示。 接触网的电压等级是工频单相交流制2 7 5 k v ，通过受电弓取电，经高压保险、 隔离开关，送至三相绕组干式变压器t ，输出绕组一边输出3 8 0v 单相电压，另 一边输出2 2 0v 的交流电压。 柴油发电机线电压( u 、l 2 、l 3 两两之间) 是3 8 0v 三相电压，相电压( l 3 与n 之间) 是2 2 0v 交流电压。 3 8 0v 三相单相电压经过空气断路器q ，接触器k m ，快速熔断器f u 为调速 系统供电。 2 2 0 v 交流电压为水阀电气控制系统、继电器控制、照明、空调、生活用电提 供电源。 图3 2 供电系统原理图 供电系统相关配置功用说明如下： ( 1 ) 三相绕组变压器t ：将接触网上取得的电压降压得到3 8 0v 单相电压和 2 2 0 v 交流电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 2 ) 空气断路器q ：为控制系统接通电源；隔离，当控制系统需要检查或修 理时，断开空气断路器，可以使控制系统和电源隔离；保护，空气开关具有过电 流保护和欠电压保护，能有效地对变频器电路进行短路保护及其他保护。 ( 3 ) 电磁接触器k m ：接通或切断控制系统电源。 ( 4 ) 快速熔断器f u ：主要用于短路保护。当控制系统电路发生短路时，可 以快速熔断，其保护作用快于空气断路器。 供电系统控制电路如图3 3 所示： 图3 - 3 供电系统控制电路图 控制电路由a c 2 2 0 v 提供电源。 供电切换开关s 是一个三档拨动开关，当拨动到发电机档位的时候，电磁接 触器k m l 线圈带电，其常开触点闭合，常闭触点断开，发电机开始为系统提供 3 8 0v 三相电压和2 2 0v 交流电压，指示灯l a m p l 亮，提示系统处于发电机供电 状态。 当s 拨动到接触网档位的时候，电磁接触器k m 2 线圈带电，其常开触点闭合， 常闭触点断开，接触网开始为系统提供3 8 0v 单相电压和2 2 0v 交流电压，指示 灯l a m p 2 亮，提示系统处于接触网供电状态。 当s 拨动到空档位的时候，调速控制系统不上电。 s b 是急停开关，在紧急情况下当系统出现故障时，可通过s b 立即切断调速 控制系统的供电电源，避免产生更大的损失和事故。 两个接触器常闭触点k m l 和k m 2 构成了“互锁”，保证接触网和发电机不能 同时向系统供电，防止故障的发生。 供电系统控制柜的实物图如图3 - 4 所示。其中，是供电切换开关，用来切 换控制系统的供电方式。是接触网电压显示表，用来显示电网电压值的波动。 是供电参数显示表，用来显示发电机、接触网2 2 0 v 、接触网3 8 0 v 的电压值和电 流值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 调速系统 3 2 1 调速方式 甭萌一一_ 一习鼻 。口口口p 。目i i 毫；f 图3 - 4 供电系统控制柜 ( 1 ) 直流电动机的调速方式和优缺点 直流电动机的转速n 和其他参量的关系如下 吐一异。 ”可一 式中吒电枢供电电压( v ) ； 电枢电流( a ) ； r 。电枢回路总电阻( q ) 0 励磁磁通( w b ) ； c e 电磁系数。 ( 3 1 ) 由此可知，只要改变叱、r 一口三个参量中的任何一个参量，就可以改变直 流电动机的转速，所以，直流电动机的调速方式有三种：改变电枢电压调速、改 变电枢回路总电阻调速、改变励磁回路外串电阻调速( 即改变励磁磁通0 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 直流电动机调速方式及优缺点的比较如表3 - 1 。 表3 - 1 直流电动机调速方式优缺点 直流电动机 优点缺点 调速方式 改变电枢调速范围宽广， 电压调速便于自动控制。 要用直流调压设备，投资大。 改变电枢回路设备简单，在总电阻上会产生铜耗，使功率降低，而且转速只 总电阻调速调节方便。能在低于同有机械特性的范围内调节。 改变励磁回路方法简便，容量小，只能在高于固有机械特性的范围内调节，最高转速 外串电阻调速能量损耗小。受电机所承受的机械强度及换向的限制。 ( 2 ) 交流电动机的调速方式和优缺点 目前较常用的交流电动机有两种：三相异步电动机、单相交流电动机。由于 三相异步电动机多用在工业上，单相交流电动机多用在民用电器上。所以只讨论 三相异步电动机的相关内容。 三相异步电动机的转速n 和其他参量的关系如下： 忍；6 0 f ( 1 - s )( 3 2 ) p 式中，电源电压的频率( h z ) ； s 转差率； p 磁极对数。 由此可知，改变供电频率厂、电动机的磁极对数p 及转差率s 均可达到改变转速 的目的。 交流电动机调速方式及优缺点的比较如下： 变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。它的优点是效率高，调速过程 中没有附加损耗，应用范围广；可用于异步电动机，调速范围大，特性硬，精度 高。缺点是技术复杂，造价高，维护检修困难。 变磁极对数调速方法 用改变定子绕组的接线方式来改变电动机定子磁极对数达到调速目的。它的 优点是具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 制方便、价格低。缺点是有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。 串级调速方法 是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差， 达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的 装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用 的方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速的形式， 多采用晶闸管串级调速。 优点是可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装 置容量与调速范围成正比，投资省；适用于调速范围在额定转速7 0 一9 0 的生 产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产。缺点是晶闸管串级 调速功率因数偏低，谐波影响较大。 ( 3 ) 直流电动机和交流电动机的比较 综上所述，可知从性能上而言，直流电动机有以下特点： 调速性能好。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调 速，而且调速范围较宽。 起动力矩大。 但是，由于机构上的原因，直流电动机存在以下缺点： 需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； 由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境 中； 结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机； 价格较贵。 与直流电动机的缺点相比，交流电动机则具有下述的优点： 结构坚固，工作可靠，易于维护保养； 不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； 容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 但是，单纯的交流电动机的调速性能却逊于直流电动机，然而，变频器的应 用却弥补了这一不足。 ( 4 ) 变频器调速的优点 应用变频器对交流电动机进行调速，是目前公认的最好的调速方法，变频器 调速具有以下优点： 容易实现对现有电机( 尤其是交流电机) 的控制。 变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意设 定，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。 变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开 关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量 消耗在制动电阻上，也可以回馈给供电电网，但回馈给电网需要增加专用附件， 投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动 机加上一含直流电压进行制动，无需另加制动控制电路。 节能效果显著。 由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到 2 0 6 0 ，这是因为风机、水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需 要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果是十分可观的。而传 统的挡板和阀门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约占 交流电动机总容量的2 0 - - 3 0 ，它们的节能就具有非常重要的意义。 对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可以节能。除 此之外，原有调速方式耗能较大者( 如绕线转子电动机等) ，原有调速方式比较庞 杂，效率较低者(