（电气工程专业论文）高压断路器状态监测系统的研究与开发.pdf

摘要 y8 7 7 3 6 9 高压断路器是电力系统中的重要设备之一，起着控制和保护双重任务，其运 行状态直接影响着电力系统的运行稳定性和供电可靠性，当它发生故障或事故时 会引起电网事故或扩大事故，造成相当大的经济及其它方面的损失。我国目前采 用的“定期维修”的计划体制存在严重的不足，如临时性维修不足、维修过剩、 盲目维修或因检修不当而引发检修事故。依靠设备状态监测、建立在设备运行状 态基础上的状态检修是当前科学的状态检修制度，对高压断路器进行在线监测研 究，对提高断路器的检修水平，实现断路器的状态检修，具有重要的经济意义和 技术意义。 本文针对我国断路器的检修现状，论述了高压断路器实施状态检修的必要 性。本文以高压断路器的状态监测为目标，围绕部分关键信息的监测展开研究； 以弹簧操动机构为例，对高压断路器弹簧操动机构的基本构造和动作原理进行了 描述，分析了其可能造成机械故障的部位；并对弹簧操动机构中的储能系统和脱 扣机构中的电磁铁线圈的电流特性进行了分析。在断路器状态监测系统的研究开 发中，首先确定了需要监测的参数，选取合适的监测方法；对监测系统的结构设 计、功能设计思想作了详细阐述，设计了现场监测管理单元的硬件设计方案及各 组成部分的功能实现；并对变电站环境下微机监测系统的抗干扰问题作了专题研 究分析。 关键词：高压断路器，状态监测 a b s 仃a c t h i g hv o l t a g ec i r c u i t b r e a k e ri st h em o s tb r o a d l ya p p l i e dh i g h v 0 1 t a g e e l e c t r i cd e v i c e si np o w e rs y s t e m s i t i su s e dt oc o n t r 0 1a n d s a f e g u a r de l e c t r i cp o w e re q u i p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h es t a t u s o fb r e a k e r sd i r e c t l yi n f l u e n c e s p o w e rs y s t e m ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y w h e ni td on o tw o r kf i n e ， i tw i l lc a u s ee l e c t r i cp o w e ra c c i d e n to ro t h e r i n d i r e c ta c c i d e n t t h et r a d i t i o n a ls c h e d u l e dm a i n t e n a n c eo rt i m eb a s e d m a i n t e n a n c eh a ss o m es e r i o u sd e f e c t s ， s u c ha ss u b m a i n t e n a n c e o v e r m a i n t e n a n c ea n dt h ef a u l t sc a u s e db yt h em a i n t e n a n c ea c c i d e n t c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ， b e i n gb a s e du p o nc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ， i st h em o s t a d v a n c e dm a i n t e n a n c ep r o g r a mn o w d a y s s o ， t oc a r r yo u to n l i n ew o r k i n g c o n d i t i o nm o n i t o r i n gr e s e a r c hf o rh i g h v 0 1 t a g ec i r c u i t b r e a k e ri so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h em a i n t a i n i n go fc i r c u i t b r e a k e r sa n dt o c o n v e r tf r o mp l a n n i n gm a i n t e n a n c et oc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e i na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n tc o n d i t i o no fm a i n t e n a n c ei no u rc o u n t r y ， t h en e c e s s i t yo fe x e r t i n gt h ec o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c et oh vb r e a k e r i sd i s c u s s e d i ti sd i s c u s s e dt h a tt h e m e c h a n i c a ld a r a m e t e r so f h i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r ss h o u l db em o n i t o r e d t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h v 0 1 t a g ec i r c u i tb r e a k e r sa r em o n i t o r e db yt h e m e a n so fr e c o r d i n gt h es i g n a l sd u r i n gt h eo p e r a t i o n t h ew h o l ef r a m e w o r k a n df u n c t i o nd e s i g n m e n ta r ee x p a t i a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n a n di ta l s o d e s i g n st h eh a r d w a r eo ft h el o c a l es u p e r v i s o r ya n da d m i n i s t r a t i o nu n i t a n da n t i i n t e r f e r e n c eu n i ti ns u b s t a t i o ne n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：h i g h v 0 1 t a g ec i r c u i tb r e a k e r ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 高压断路器是电力系统中的重要设备之一，在电站设备中数量多、投资大， 在电网中起着控制分配电能和保护设备的双重任务，其性能的可靠性直接关系到 电力系统的安全运行。当它发生故障时会引起电网事故或扩大事故，造成很大的 经济损失及社会影响。 浙江省台州电业局目前管辖的1 1 0 k v 及以上的变电所共有4 8 所，1 0 k v 及以 上的高压断路器1 3 2 6 台，每年设备花费的大修费用需一千多万，而且由于台州 地区电网网架结构薄弱，许多地方停电困难，设备难以进行定期检修，给设备的 安全运行带来了极大的隐患。根据浙江省电力公司的科技项目计划，2 0 0 4 年开 始在台州电业局临海变开发安装电气一次设备的在线监测系统，高压断路器状态 监测系统作为这个项目的分项一起开发。 1 2 高压断路器状态监测的意义 1 2 1 状态检修的提出 在我国的电力行业中，目前高压断路器的维护基本上采取定期检修制度。定 期检修又称预防检修、计划检修，主要是根据设备的运行周期编制大修和小修计 划，贯彻预防为主的方针，做到“到修必修，修必修好”。一旦设备运行到预先 规定的时间周期，无论是否出现故障，都要停电检修，以做到防患于未来。这 种检修方式源于1 9 3 2 年的苏联，相对于被动的事后检修有很大进步。它贯彻以 “预防为主”的检修策略，在很大程度上减免了事故的发生。但定期检修在长期 应用中也暴露出其缺点检修的盲目性。对断路器来说，大修每隔3 l o 年 进行一次。在这样长的大修时期间隔内，设备若发生事故，定期检修不能恰好捕 捉到，就会丧失其预防的作用，造成检修不足。另外，设备的解体和重新装配会 引起很多缺陷，经常对设备进行检修可能造成设备的过度检修，使得设备不是用 坏而是被修坏，而且在对断路器事故的责任分类调查中也发现，检修维护不当占 到了很大的比重。 浙江大学硕士学位论文 对于断路器的哪些部件运行多长时间需要更换，仍是一个存在争议的问题。 事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时仍 性能良好，而由于没有及时发现，某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时 有发生。因此能够了解断路器的状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，做 到应修则修，就可显著提高电力系统可靠性和经济性。随着社会经济科学技术的 发展，电力系统成为越来越复杂的大系统，电器设备的制造水平也有很大提高， 定期检修既不经济，又难以应付这个复杂系统中的众多电力设备，容易造成生产 力的巨大浪费。在这种背景下，一种新的检修理念被提出，这就是预知性检修， 即状态检修。 状态检修是在定期检修和现代检测技术基础上提出来的一种新的检修理念。 事后检修是完全被动的，定期检修虽然具有主动性，但其本身的固有缺陷又限制 了它的发展，状态检修较之二者，是在设备不停运的情况下，根据设备运行的实 时参数评估其健康状况。状态检修既可以捕捉故障征兆，防止事故发生或事故扩 大，又可做到少停运，保证系统正常供电，真正做到了“该修才修，修必修好”。 状态检修的必要性体现在如下几个方面：( 1 ) 状态检修是降低设备检修费 用的重要措施。据统计，定期检修费约占设备资产总额的7 9 ，定期检修很 难做到减负增效。 ( 2 ) 状态检修是根据设备的实际运行状况确定其健康水平， 相对定期检修来说，具有一定科学性和合理性，避免了检修不足和检修过度。( 3 ) 状态检修减少设备停电时间，提高了供电的可靠性。 1 2 2 状态监测的意义 依靠状态监测方法进行的状态检修，是一种更为科学的检修模式，它克服了 定期检修盲目性的缺点，避免了人财物的浪费，使劳动生产率、供电可靠率以及 经济效益和社会效益都有明显提高，能够使电力部门制定灵活的检修计划，节省 大量的生产维护费用，因而状态监测技术受到了电力部门的广泛关注。电机工程 学会高压电器分专委会9 7 年学术会议上，与会专家们认为，由于供电连续性和 可靠性的要求，定期检修是不合适的，状态检修是电力设备检修的发展方向。状 态检修的实现基础是对设备的在线监测，使我们能获得设备在运行电压条件下的 各参数。但目前的状态检修多依靠经验和感觉，科学性不够，应该对主要性能参 数开展有效的状态检测，制定控制指标，以提高状态检修的科学性。 浙江大学硕上学位论文 高压断路器作为发电和用电之间的联系环节，其重要性不言而喻。随着经济 的繁荣发展，对电力系统容量与能量的需求随之增加，电能供应的安全可靠性、 电能质量、经济性，都对高压断路器的可靠性都提出了更高的要求。 高压断路器依靠其机械部件的正确动作来完成其职能，因而每个组成部件的 机械牢固性和可靠性极为重要。国际大电网会议第1 3 研究委员会对高压断路器 的可靠性作过两次世界范围的调查，第一次调查于1 9 7 4 1 9 7 7 年进行，调查对 象为6 3 k v 及以上电压等级的高压断路器，第二次调查于1 9 8 8 1 9 9 1 年进行，调 查对象为7 2 5 k v 及以上电压等级的现代单压式s f 6 断路器。调查结果显示，操 动机构机械故障和电气控制、辅助回路故障在主要故障中比重占到7 8 以上，在 次要故障中也超过了5 9 ，可见断路器的主要故障为机械故障。我国对1 9 8 9 年 至1 9 9 7 年间高压断路器发生的4 6 3 2 次故障进行统计，发现因操动机构引起的故 障占全部故障的6 6 4 ，其中机构故障占全部故障的5 5 ，二次部分故障占全部 故障的1 1 4 。其后对我国电力系统配电电压等级高压开关设备1 9 9 0 1 9 9 9 年 事故情况的统计分析也表明全部故障中的大部分是机械故障。 高压断路器的在线监测和故障诊断可以及时发现故障，从而提高其运行可靠 性。此外，当电力设备由定期维修转变为状态维修时，高压断路器的在线监测对 开关设备的重要参数能进行长期连续的监测，不仅可以提供设备现有的运行状 态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障的先兆，为设备 的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少 维修保养费用。 因此，研究高压断路器状态的髓测和机械故障的诊断，尽量提前发现潜在故 障，将现有的定期检修制度推向状态检修，对避免设备故障及事故的发生和发展， 降低设备故障率，有效提高断路器的可靠性，增强电力系统的安全性、可靠性、 经济性都具有十分重要的意义。 1 3 断路器状态监测的研究现状 用于判定断路器状态进行故障诊断的信号主要有如下几种：( 1 ) 采用语音识 别的方法对断路器动作过程中产生的声学信号进行信号抽取、比较和表达，以发 现早期的故障征兆。( 2 ) 选取断路器动作时间、三相分合闸同期性及历史数据进 3 浙江大学硕士学位论文 行分析比较来诊断操动系统的故障。( 3 ) 对脱扣线圈电流波形进行详尽全面的分 析，与正常状态下的“指纹”电流波形进行比较。( 4 ) 根据振动信号分析来确定 断路器的机械故障，采用离线测量接触电阻的方法评估断路器活动接触处的劣化 状态及其载流状态。( 5 ) 通过测量断路器动作时触头两端的电压，以及分合闸 线圈的的电流，从这些信号中获取分合闸时间、燃弧时间、电弧电压、电弧能 量等信息，从而判断断路器的状态及寿命期限。 统计过程控制方法是应用较广泛的一种故障诊断方法之一。断路器的许多机 械参数都可以直接用数值进行表达，如：分( 合) 闸速度、分( 合) 闸时间、三 相分( 合) 闸同期性、触头开距、刚分( 合) 速度、平均速度、最大速度、触头 行程、超程、触头合闸弹跳时间、弹跳速度、触头分闸反弹幅值等。对这些信号 常采用统计过程控制方法进行分析，它选定相应的标准判据，进而分析故障，确 定断路器的状态。 采用监测振动信号来判断机械故障的方法，一直广受关注。振动传感器尺寸 小、重量轻、工作可靠、价格低等优点，而且振动信号监测是一种非侵入式的检 测方法，实现手段简单，因而受到各国研究者的亲睐。振动监测方法成功与否的 关键是振动信号的处理方法。已有的处理方法包括事件时刻提取及幅值分析法、 时频域复合分析法、动态时间归整法、短时谱法、人工神经网络法、小波分析法 等等。但是，断路器的振动信号不是平稳信号，不能简单的套用旋转机械振动信 号的经验和处理方法。加之研究开发工作量大，通用性不够；测量信号对传感器 的安装位置十分敏感，信号中含有不稳定因素，处理过程复杂，发现故障的灵敏 度不高。所以，振动信号监测和诊断断路器机械故障的方法在实际应用中并没有 很好的应用例子。此外还有结合人工智能等新技术的基于知识、基于模型、基于 案例以及模型辅助的故障诊断方法。 国内外对断路器状态监测这个课题都作过许多研究。断路器的检测技术大体 上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程，到9 0 年代 出现了微机型高压开关机械特性测试仪。 国外目前已有高压断路器状态监测功能较齐全的产品，高压断路器状态在线 检测技术正逐步进入实用化阶段。其实现方法一般都是在断路器设备中引入微处 理器，对断路器设备的重要参数进行长期连续的监测。这不仅可以提供设备现有 4 浙江大学硕士学位论文 的状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，识别潜在的和存在的故障，为 设备的状态检修提供依据。 一些国外的开关设备制造厂商已经将状态在线监测技术应用于产品中。如德 国西门子公司在高压断路器和g i s 中采用了在线检测子系统。a b b 公司在其开发 的新型中压开关柜中，采用了温度传感器和感应式位移传感器来实现对断路器状 态的检测。新的技术和方法还在不断的引入，在信号传感方面新的技术，如光学 技术已被用在断路器的状态监测上。 目前，国内一些科研单位和厂家也在断路器机械特性监测和故障诊断方面进 行了有益的探索，但尚没有成熟的断路器状态监测产品。基于单片机的高压开关 柜状态监测系统，能够检测断路器的行程和速度以及分合闸弹簧的状态等参数。 采用霍尔器件监测分合闸线圈电压特性，利用光电编码器监测分合闸速度特性的 高压断路器机械特性在线监测系统也是不错的实现方法。 断路器在线监测的实质性进展缓慢，原因一方面在于断路器结构复杂，例如 最重要的一个部件灭弧室，由于其封闭性较强，电弧燃烧的不确定性，测量 方式很难确定，测量效果也不能保证；二是传感技术跟不上，这也限制了监测的 发展；最后，由于断路器各部件繁多，如操动机构，很难判断哪些部件容易发生 故障，以便对其进行监测，这就造成了监测的盲目性，缺乏监测经验。断路器在 正常运行时很少发生动作，这也造成关键数据的缺乏，不利于经验的累计。 1 4 断路器状态监测的主要技术难点 从总体上来看，无论在国外还是在国内，现有的断路器状态监测产品还处在 探索阶段，还不够成熟，并没有真正达到实用化。 断路器状态监测技术和产品做不到实用化原因是多方面的。有的是由于检 测、处理方法复杂、缺乏通用性，有的是由于过高的系统成本，有的是由于方法 上的局限性，从而在目前不能被广泛使用。 断路器是电力系统中最复杂的电器设备之一，现在对断路器的内部运行规律 缺乏系统和完善的了解，对其机械、温度等特性的研究还不够深入，对其故障发 生、发展的机理还不清楚。并且现有的研究范围还比较窄，涉及面还不全面。因 5 浙江大学硕士学位论文 此，有必要对断路器的状态检测分析方法作更深入的研究，找出更具有实用性的 方法，以满足对电力系统可靠性越来越高的要求。 由于断路器是由灭弧室、操动机构等多个设备组合而成，涉及电、磁、力学 等多个方面，各种故障的表现形式和产生机理千差万别。因此对断路器进行状态 监测并做出准确的故障诊断，必须了解断路器的工作特性和故障特点。由于断路 器本身所具有的特性，造成了断路器状态监测工作的困难，这些特性可概括的表 述如下： ( 1 ) 工作状态的多样性：断路器应用于各种不同的场合和电压等级。有些断 路器需要频繁开合，而有些则在投入后很少动作；有些在寿命期限内要多次开断 短路电流，而有些则很少开断。这种工作状态上的差异给断路器的在线监测与故 障诊断工作带来了困难。在通过断路器开合过程中的信号来获取断路器机械状态 信息的应用中，如果断路器投入运行后长期不执行分断关合操作，则无法获取想 要得到的信号。这样，在两次检修周期之间若因外力等造成了断路器的机械损伤 是无法判别的，只有等到下一次检修时通过检测才能知道。 ( 2 ) 产品结构的差异性：为了适用于不同的电压等级和应用场合，断路器的 种类多种多样。从灭弧原理上讲有多油、少油、压缩空气、六氟化硫、真空等多 种类型，各类型的断路器又配以各自不同的操动机构，操动机构的机械元件和电 气元件的工作原理又存在很大差别。因此各种断路器产品在原理和结构上差别很 大。即使是同一类型的断路器，由于厂家、生产年代、技术参数的不同，在结构 上也存在很大差别。结构上的差异性造成了故障形式的多样性，故障形式的多样 性给监测项目的选取、传感器的选择和安装带来了困难，因为所选的传感器类型、 性能、数量和安装部位都将赢接关系到状态检测的有效性和故障诊断的可信度。 ( 3 ) 故障发生的随机性：电气设备的故障不仅决定于设备的当前状态，还跟 它的历史状态有关系；同一种故障可能是由于不相关的多种原因造成的，而同一 种原因也可能造成不同的故障。对于同样的状态参数，故障的严重程度不会完全 一样，甚至可能发生故障也可能不发生故障。也就是说断路器的状态变量与故障 特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系，这种映射关系表现在了断路器故 障发生的随机性上。 目前在断路器的状态监测和故障诊断中存存的丰兽问题是：( 1 ) 现有的在线 6 浙江大学硕士学位论文 监测系统尚须对其设计和功能进行完善，缺乏数据积累，只能简单参照历史数据 记录。应该使监测系统实现数据库建立功能。( 2 ) 以往人们所关心的是机械参数 的计算结果( 只要结果偏离不大，就认为没什么问题) ，而对机械运动过程细节 关心不多。( 3 ) 许多系统的设计者将状态监测和故障诊断割裂来看，设计出来的 系统只是采集数据，虽然得到了大量的状态参数但基本上没有数据分析功能，数 据的整理、状态特征量的提取、分析仍然要靠人工完成。( 4 ) 现场运行人员普遍 反映，监测仪器寿命过短( 通常不超过1 0 年) ，精度不够高。( 5 ) 一般来说，状 态的变化，设备由正常状态到故障的发生都是有一个过程的。但是现有系统对故 障机理研究尚不够透彻，监测与诊断的手段不多，获取的信息也不够全面，在故 障的诊断率和诊断的正确率、系统的稳定性等方面还存在问题。这些原因都使状 态监测和故障诊断工作进展缓慢。 l5 本文主要工作 考虑到断路器的上述特性，本课题以断路器的状态监测为主线，围绕部分关 键信息如储能电机的电压和电流、分合闸线圈电压、三相断口开关量、行程信号、 分合闸线圈电流等信息的监测展开研究。对于机构的动力学特性的仿真分析作为 一种重要的研究手段，为状态监测提供理论上的指导。 对于断路器机械状态监测的研究，首先要明确需要监测的参数，选取合适的 监测方法；然后根据监测到的信号进行分析诊断。由于监测原理的不同，对于各 参数的处理也不会相同。对某些信号可能处理方法相对简单，而信号的采集比较 复杂；而某些信号获取起来比较简单，要对之进行处理获得有用信息却要困难得 多，因而二者应该抓住重点，区别对待。 基于以上的考虑，本文将围绕高压断路器关键状态参数监测及故障诊断方法 展开如下方面的研究工作： ( 1 ) 针对高压断路器上的弹簧操动机构的构成，研究其机构特性，为状态监 测提供理论依据。 ( 2 ) 设计实现高压断路器状态监测的硬件系统，利用它采集断路器动作信号。 ( 3 ) 采用试验方法对仿真结果其进行验证，提出有效的特征量提取方法。 ( 4 ) 对变电站环境下微机监测系统的抗干扰问题进行初步研究并实现抗干 浙江大学硕士学位论文 扰回路的设计。 ( 5 ) 在台州电业局临海变完成安装调试高压断路器的在线监测系统。 浙江火学硕士学位论文 2 1 高压断路器简介 第二章高压断路器机构特性分析 高压断路器一般指额定电压在3 k v 以上的断路器。在电力系统中则指1 1 0 k v 及以上的输配电断路器。它可以根据电网运行的需要，控制指定的线路或电力设 备退出或投入运行，起控制作用；另一方面一旦系统发生故障它又可以及时切除 故障点，保证电网无故障部分的安全运行，起保护作用。总之，断路器能够开断、 关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异 常电流，如过载电流和短路电流。如果它们在运行中出现故障，小则引起一条线 路、一个小区域的断电，大则引起系统事故的连锁反应，造成不可估量的损失。 传统的高压断路器是由灭弧室和操动机构构成，通过灭弧室触头的分、合动 作达到开断与关合电路的目的，这依赖于一定的机械操动机构来完成。如图2 一l 所示，从提供能源到触头运动的全部环节总称为操动系统。它包含了操动机构、 传动机构、提升变直机构，缓冲装置和二次控制回路等几个部分。操动机构是控 制回路和传动机构之间的联系环节，同时又负责为断路器的动作提供动力，因而 操动机构的可靠性在很大程度上决定了断路器工作的可靠性。 圈同旨 图2 一l 高压断路器操动系统组成框图 高压断路器按断路器灭弧原理来划分，目前应用最多的是多油断路器、少油 断路器、真空断路器和六氟化硫断路器。二十世纪电力系统中多油、少油断路器 的使用数量占绝大多数；而随着触头材料的发展，真空断路器目前已经抢占了中 低压等级的市场；六氟化硫断路器一般用在1 1 0 k v 及以上电压等级，在高压输电 9 浙江大学硕士学位论文 系统中占据绝对优势地位。 高压断路器的种类是多种多样的，而其操动机构又各不相同。常用的几种操 动机构有弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构、电磁操动机构和手力操 动机构等。 2 2 弹簧操动机构简介 要对高压断路器的状态作出正确的判断，有必要了解断路器系统的行为特性 及故障发生、发展的机理和过程。弹簧操动机构因其要求电源容量小，性能可靠， 交、直流电源都可用，暂时失去电源时仍能操作一次，成为中小型断路器操动机 构的发展方向。目前，在自能式s 断路器中也得到越来越多的应用。因此，在 这一章中将以弹簧操动机构为目标，围绕弹簧操动机构的特性展开讨论，对高压 断路器弹簧操动机构的动力学特性进行分析，从而为高压断路器的状态诊断提供 理论依据。 以c t l 7 弹簧操动机构为例，机构的主要构成部分有储能机构、传动调节部 分、分合闸锁扣、脱扣部分等。c t l 7 型弹簧操动机构的结构如图2 2 所示。 其动作的基本原理是：电动机电源接通之后，储能电动机通过齿轮减速机构 带动储能轴转动，储能弹簧被拉伸。当到达弹簧的最长位置时，储能轴在合闸弹 簧力的带动下自行越过死点，微动开关切断电机电源，输出轴上的凸轮被定位件 顶住分、合闸扇形板，扣接到半轴上，完成储能。在机构接到合闸指令时，合闸 电磁铁通电运动，撞击合闸半轴上的脱扣板，带动合闸半轴运动，储能维持被解 脱。在合闸弹簧力的作用下经齿轮带动输出轴转动，输出轴上的凸轮推动四连杆 机构带动断路器合闸，此时分闸弹簧被拉伸储能。合闸完成后，辅助开关转动切 断合闸线圈回路电源。在机构接到分闸指令时，分闸电磁铁通电运动，撞击分闸 半轴上的脱扣板而带动分闸半轴运动，使扇形板与半轴的闭锁解除，四连杆机构 失去平衡，在分闸弹簧的带动下使断路器实现分闸。分闸之后辅助开关转到分闸 位置，切断分闸电磁铁电源，接通电机电源使储能机构完成储能。在手动按钮的 作用下，也可以使扇形板和半轴之间的闭锁解除，完成断路器的分闸动作。 0 浙江大学硕士学位论文 图2 2c t l 7 型弹簧操动机构的构成 1 一储能指示；2 一合闸按钮；3 一微动开关；4 一分闸按钮；5 一脱扣板； 6 一分闸电磁铁：7 一储能电机；8 一侧板；9 轴；10 一分合闸指示； 11 一合闸电磁铁；l2 一辅助开关；13 一合闸扇形板； l4 一分闸弹簧 15 一储能轴；l6 一分闸半轴；l7 一合闸弹簧；18 一分闸扇形板 在上面的储能、合闸、分闸的过程中有任何一个环节出问题都有可能造成高 压断路器的故障。如由于润滑不足等原因造成的阻力矩增加就有可能造成储能电 机做功增加，引起储能时间的加长；由于磨损引起扇形板与半轴不能可靠锁扣而 造成分、合闸不能保持；电磁铁铁心卡涩造成分、合闸电磁铁带电时间过长而线 圈烧毁等。总的来说在操动机构和传动系统上具体表现为机构卡涩，部件变形、 位移或损坏，分合闸铁心松动、卡涩，轴销松断，脱扣失灵等；在电气控制及辅 助回路上表现为二次接线接触不良、端子松动、辅助开关切换不灵、操作电源故 障等。 浙江大学硕士学位论文 2 3 储能系统 弹簧操动机构中储能系统是分、合闸动力的基础。通常由电动机、减速装置、 弹簧上紧( 拉伸或压缩) 机构所组成。储能电机多采用单相串励交直两用电动机。 减速装置常见的种类有蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、带传动、链传动、棘轮棘爪传 动等。弹簧上紧机构常见的有偏心拐臂、凸轮一拐臂、连杆一拐臂旋转上紧等机 构。储能电动机得电之后作旋转运动，通过齿轮减速带动储能轴转动，从而拉动 储能弹簧使其储能。可以采用两种方法来监测储能机构的工作状态：一种是应用 压力传感器测量合闸弹簧压力直接判断弹簧状态；另一种是应用电流传感器测量 储能电动机的电流波形间接判断弹簧的工作状态。 在忽略阻力影响的情况下，弹簧储能时的电机负载情况可以作如下简化：弹 簧的一个端点绕储能轴作圆周运动，以弹簧固定点与储能轴轴心连线为基准轴， 当传动轴转过的角度为a 时弹簧转过的角度为b ，弹簧原始位置的长度为l ，轴 心到弹簧动端的半径为r ，得到图2 3 ： y 彳f舔、 o x 一 图2 3 简化受力分析 假设弹簧在初始位置( 未储能状态) 没有受预压缩载荷，则有： x = r ( 1 一c o s 口)( 2 1 ) v = r s l n 口 弹簧伸长量为 1 2 浙江大学硕十学位论文 ，= 拓再产可一， 对于弹性系数为k 的弹簧，其拉力为 f = k 越 储能轴所受力矩的力臂就是r ，受弹簧拉力在圆周切向的分力为 厂k 肛 州i 中间经过传动比对力矩进行换算可以得到储能电机在储能过程中承受的负载变 化情况，定性地来看二者的力矩负载变化情况相似。用m a t l a b 计算得到结果如 图2 4 所示，此时储能轴的转角被限定在o n ，由于弹性系数k 未知，图中 的纵轴只是对负载变化的定性表达，并不代表具体负载的大小。 图2 4 电机负载分析 考虑到预压缩负荷和阻力矩的存在，电机的负荷曲线会有变化。在电机动作 过程中，刚开始阶段电机速度比较小，其负载将有一段缓慢的增加过程，其后有 一段负载曲线随角度增加较快，到最大负载之后又迅速减小。实际上典型的电流 波形与分析比较吻合，如图2 5 所示，分为4 个阶段： 浙江火学硕士学位论文 o t2 t3 t s 图2 5 典型的储能电机电流波形 ( 1 ) t o 一1 ：在t o 时刻电机开始通电，这一阶段由于电动机的启动电流比较 大，波形上表现出一个尖峰脉冲。 ( 2 ) t 1 一t 2 ：电机平稳工作，电机电流为i a 。 ( 3 ) t 2 t 3 ：负荷逐步增大，在t 3 时刻达到最大，相应的电机电流也增大到 其最大值i m 。 ( 4 ) t 3 一t 4 ：过了最大负载点之后，电流减小，在t 4 时刻，行程开关分断，电 源被切除。 通过分析电流波形，可以把o 、1 、o2 、3 、4 、i a 、i m 作为特征参数 来对弹簧的运动及储能状态进行诊断。 2 4 脱扣机构 外部指令是通过控制电磁铁铁芯的吸合，从而使脱扣机构的被扣件得到释 放，实现断路器的分、合闸、重合等动作。为了便于对电磁铁分析可作等值电路 浙江大学硕士学位论文 将电磁铁等值为理想电感线圈l 和电阻r ，如图2 6 。 u k 图2 6 电磁铁的等值电路 电磁铁等值电路的微分方程式为 u ：崩+ 坐 出 v 为电磁铁线圈中的磁链，设铁芯不饱和则l 不随i 变化，但随气隙6 变化 u ：尉+ 掣：矗f + 上粤+ f 粤坐：崩+ 三堕+ f 堕v d td t d 6d td td 6 式中v 就是铁芯的运动速度。依据麦克斯韦公式 f ：堡竺 2 “o s ( uo 为真空磁导率，s 为磁极面积，中为磁通。) 对于直流电磁铁分析电磁铁在吸合过程中的电流i 的变化，当电磁铁线圈刚 浙江大学硕士学位论文 接电源时，由于电感l 的作用，电流i 不能立即增大，而是逐步由零增大，吸力 也随之增大。在吸力不足以克服反力，还不能使铁芯动作时，气隙就是其最大值 6m ，铁芯运动速度v = o ，式( 2 7 ) 变为 u 划+ 厶罢 ( 2 9 ) ( l o 是气隙最大时电磁铁线圈的电感。) 解得 f ：旦f 1 一。赤1 r ij 可见，在铁芯开始运动前，线圈电流i 小于稳定电流，电流的变化是从o 开 始的指数曲线。当电流增加到使吸力大于反作用力时，铁芯开始运动，即v 0 。 从此，电流满足式( 2 7 ) 与( 2 8 ) 。比较可知电路中增加了一项反电动 势，因此一般情况下，线圈电流i 将比铁芯开始运动之时的电流小，而且铁芯速 度越快，电流减少越多。在这个过程中铁芯因为撞击到脱扣板，而造成速度的突 然减小，此时电流波形上应该有一个波尖，在此过程中其他因素造成的电磁铁铁 芯的阻滞导致速度的突变，也会产生同样的效果。直到铁心吸合后，速度重归于 0 以后，线圈电流又按指数规律上升。 交流电流线圈的电磁铁，线圈电流由负荷电流决定，电流有效值和线圈安匝 数不随工作气隙变化，其电流计算方法与直流电磁铁基本相同。而交流电压线圈 电磁铁总磁链保持不变，线圈电流随工作气隙磁阻的增大而增大。 但是就交流电磁铁的吸力特性来看，若不考虑气隙中散磁的作用，设磁通中 按正弦规律变化，其最大值为中m ，根据( 2 8 ) 式可知交流电磁铁的吸力 f 。尘：! 垫：! ! ：旦一生。2 珂f 2 “o s4 “o s4 “o s 可见交流电磁铁吸力变化频率是电源频率的两倍。由上面的分析知，如果电 磁铁的吸力足以克服反力而吸合，必在电流第一个半周之内。否则，如果其后反 力不减小电磁铁就一直不能吸合。 浙江大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章高压断路器状态监测的实现 当前，在高压断路器状态监测的研究上尚没有系统化、理论化的方法，本章 在这方面进行了一定的尝试。考虑到断路器机械参数需要在断路器的动作过程中 获得，也因为断路器动作过程信号蕴含了丰富的机械状态信息，因此研制高压断 路器在线监测装置的目的正在于对高压断路器分、合闸过程中的信号进行记录， 提供更高精度、更高时间分辨率的数据，实现高压断路器的状态监测，为进一步 的故障诊断和预测工作做准备。 本章的基本思想就是利用设计的数据采集系统采集高压断路器动作过程中 的信号来实现高压断路器的状态监测。 3 2 数据采集系统简介 3 2 1 数据采集系统基本理论 随着数字系统应用领域的不断扩展，需要将各种外部信号转换成数字系统易 于处理的信号，这时就要用到数据采集系统。要采集的信号有以下三类： 开关信号：只有两个状态( 0 或1 ) 的数字信号，如开关的合与断、继电器 的激励与释放等等。 数字信号：用二进制表示的数，如数字电压表、键盘等的输出信息。频率输 出型数据传感器的信号也为数字信号。 模拟信号：在规定的连续时间内，输入信号的幅值可以在连续范围内任意取 值的信号。 对于开关信号或者数字信号计算机常可直接采集处理，所以数据采集技术主 要讨论模拟信号( 特别是模拟电压信号) 的采集。 l 、 采样定理 我们知道，要用计算机对现实世界中的物理信息进行处理，通常是把代表物 理信息的模拟信号x a ( 时间连续且幅度连续的信号) 加到a d 变换器的输入端， 浙江大学硕士学位论文 而后每隔一定的时间间隔t s 对模拟信号采样一次，随后再经过量化把采样结果 变换为数字信号x d 。上述过程可以理解为具有一定频谱的模拟信号和以f s ( 1 t s ) 为速率的采样信号( 周期为t s ，宽为t ，高为一个单位的脉冲量) 被加在同一个 系统上。根据电子技术的有关理论，系统中会产生这两种不同频谱所包含的各频 率分量的频率之和信号及频率之差信号。一个频谱上限为f m 的模拟连续信号， 经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴每隔一个采样频率f s 重复出现一次， 即其频谱产生了周期延拓，如图3 1 所示。 x s ( f j j 厂、门一 图3 1 采样频率正确 一般情况下，所有的和频信号和( 2 f s f m ) 以上的差频信号为频率较高的信 号，因而可以在重建输入的模拟信号时由低通滤波器消除掉，故不会对系统构成 影响，唯有( f s f m ) 是对系统构成影响的差频信号。当f s f m f m 时，即 f 。 2f m 时，此时f s f m 的结果也属于高频信号，可以被信号重建时的低通滤 波器消除，故不会对系统构成影响。当f s f m f m 时，即f s 心刘x f o 2 一q 2 ( b ) 图3 4 模拟信号x a 的量化过程 如果用数学表达式来说明，设量化电平q 与模拟量具有同一量纲，则模拟信 号可精确地表示为 以= q r 6 1 2 + 6 2 2 2 + + 吃2 ”+ ) 而由于二进制数化的限制( 码位限制) ，设变换到n 位停止，有 五= q r 岛2 + 6 2 2 2 + + 玩2 ”) 被忽略的b 。+ l ，b 。+ 2 表示了变换误差，即量化噪声。 模数转换器的位数是a d c 的分辨率，也表征了a d c 的动态范围。通常将模数 转换器的动态范围定义为转换器最高有效位与最低有效位的比值。当峰值量化误 差为o 5 q ，相应噪声均方根值为o 2 9 q 时，在输入满量程时有( 对n 位a d c 而 言) ： 峰值信号峰值噪声= ( 2 ”一1 ) o 5 ( 3 4 ) 峰值信号均方根噪声一( 2 “一1 ) o 2 9 ( 3 5 ) 2 1 浙江大学硕士学位论文 显然，随着位数增加模数转换精度提高，信噪比s n 也不断提高。而且，输 入信号不是满量程时，量化误差也相应加大。 4 、编码 模数转换器有的是单极性工作的，其工作范围由0 到+ v ，。( 满量程电压) ， 或由o 到一v ，。在单极性二进制编码中常采用的有直接二进制编码和互补二 进制编码。对于直接二进制编码，有如下公式： 圪沪竺。( 2 ”) ( 3 6 ) 其中口。= 1 或o ，圪。是对应于，4 。口。，口。，d ：，n 。的转换器输 出。对于n 位的转换 圪。= 么( 1 1 2 ”)( 3 7 ) 通过引入适当的偏置，模数转换器可以在双极性方式下工作。 5 、孔径时间 采用a d c 对模拟信号进行转换时，总需要一定时间来完成采样、量化及相应 的编码工作。a d c 的转换时间7 ：n ，取决于器件采用的转换方法、转换位数等多 个因素。如果在a d c 转换时间7 ；。，内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化 显然会产生一定的误差。 以正弦波信号矿= s i n2 万为例，在a d c 转换时间，内，信号电压最 大变化发生在正弦信号过零时，此时信号变化率为： 驯出= 2 万几( 3 8 ) 在转换时间z ；。，内最大可能出现的误差，可用下式进行估算： 由此得出 矿= 2 口，s d r( 3 9 ) 刀= 勿馒刍， 浙江火学硕士学位论文 其中，为输入的正弦波信号q = 2 “的频率。如果要求在转换时间内输入 模拟信号的变化不带来l 位的量化误差，也即要求误差v 小于量化电平q ，而 q = 2 ”( n 为模数转换器的分辨位数) 。 所以数字化的最大正弦波信号频率可用式3 1 1 进行估算： 二= 1 2 “1 万7 j 。 我们可以在a d c 前加一个采样保持放大器来改善，。，的影响。这相当于在 a d c 转换时间开了一个窄“窗孔”，将此窗孔开启瞬时内的模拟信号快速采样进 来，此窗孔成为“孔径时间”t a ，t a 一般远小于转换时间z 之。，。显然，如在孔 径时间内，输入模拟信号的变化仍然不可以忽略，这也会引入一定的误差，称其 为“孔径误差”。我们仍考虑对输入正弦信号采样，那么对n 位a d c 采用s h a 的数据采集系统，数字化的最大正弦信号频率为 厂= 1 2 “1 万乃 这样就可以根据给定正弦信号频率与a d c 的分辨率确定要求的孔径时间。这 种在数据采集系统的a d c 前加s h a 的方法解决了a d c 转换时间较长与分辨率高时 要求孔径时间短之间的矛盾。其实质是把模拟信号的离散化与量化分两步进行。 s h a 先完成模拟信号的离散化，a d c 接着进行离散信号的量化，最终获得所需的 数字信号。 3 2 2 典型数据采集系统框图 在实际工作中，要检测或采集的信号多种多样，需要先将之通过传感器变换 为电信号，经过信号调理电路、模拟多路开关( 删x ) 、测量放大器( i a ) 、采样 保持放大器( s h a ) ，进入模数转换器( a d c ) 后转换为计算机可接受的数字信号。 在许多情况下，数据采集系统都带有d a c ，将数字信号转换为模拟信号，再经输 出信号调理电路送往外部世界的接受器。这里只讨论采集输入部分，图3 5 示 出一个典型数据采集系统框图。 浙江夫学硕士学位论文 图3 5 典型数据采集系统框图 3 2 3 数据采集系统构成 现代数据采集系统的构成，可以采用多种方式。 采用分立元件、单体器件以及各种集成芯片等安装在一块印刷电路板上构成 的数据采集予系统，有数据采集模块和板级产品。单片器件或混合电路可以提供 远较模块电路或板级产品更高的性能指标，且在整个时间与温度范围内均能保持 额定精度。 1 、各通道相互独立 如图3 6 ( a ) 所示，这种结构的系统采用多个低速a d c 并列运行，来换 取整个系统的高通过速率。为高速传输数据，多采用童接存储器存取技术，所以 速度快、精度好。但是由于使用的器件多，费用大，而且由于各通道间延时不等 而引起采样点偏移，通道增益不一致，使得输入信号被采样后难以无失真地复合。 这种多通道并列技术多用在高速和超高速数据采集中。 2 、各通道共用一个a d c 如图3 6 ( b ) 所示，这种结构的系统在通过速率( 吞吐率指每各通道、 每秒钟可采集处理的样本数) 和分辨率要求不太高的情况下很实用。一般来说在 数据采集系统中，投资最大的是a d c ，这种结构在很大程度上比图3 6 ( a ) 所示结构节约成本。 浙江大学硕士学位论文 图3 6 ( a ) 数据采集系统构成方法一各通道独立 图3 6 ( b ) 数据采集系统构成方法一各通道共用a d 浙江大学硕士学位论文 3 、各通道共用s h a 和a d c 如图3 6 ( c ) 所示，这种结构的系统与图3 6 ( b ) 基本相同。现在的 许多单片机和单片数据采集系统均含这种结构的模拟通道，在选用这些器件构成 系统时，使结构简化、易于调试、实现，而且选用不同的单片机或单片数据采集 系统，可使应用单片化的同时容易地满足各种