（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的真空断路器机械特性测试装置的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 通信设计。 真空断路器机械特性测试装置使用了u s b 接口通信，由u s b 控制器 i s p - 1 5 8 1 及外围电路组成的通信接口，使测试装置数据传输速度大幅提高并且 数据存储更方便。 另外，还采取硬件和软件相结合的方法来增强系统的抗干扰能力，提高系 统工作的可靠性。经试验证明，该测试装置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：真空断路器，机械特性，d s p ，u s b 西华大学硕士学位论文 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n gd e v i c eo fv a c u u m c i r c u i tb r e a k e rb a s e do nd s p d e v e l o p m e n t e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n g r a d u a t e ：p a nh u i m i n s u p e r v i s o r ：z h a n gb i d e v a c u u nc i r c u i tb r e a k e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm e d i u mv o l t a g ep o w e r s y s t e m t h ea v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi sd i r e c t l yd e t e r m i n e db yt h e o p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fv c b s p o w e rl i n ec o n f e r e n c eo ft h ei n t e r n a t i o n a ls u r v e ys h o w st h a tt h ef a u l ti n v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r , t h em e c h a n i c a lf a i l u r e ( i n c l u d i n gt h ea c t u a t o ra n dt h e c o n t r o ll o o p ) a c c o u n t sf o rm o r et h a nf o u r f i f t h so fa l lt h ef a i l u r e s ，o t h e ra r cb l o w - o u t ， i n s u l a t i o nf a i l u r eo c c u p yas m a l l e rp r o p o r t i o no f ，al o w e rp r o p o r t i o no fh e a tf a i l u r e f a c t o r y - i n s p e c t i o no fm a n u f a c t u r ea n di n s p e c t i o nt e s to f u s e r sr e g a r dt h et e s to ft h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e ra sa ni m p o r t a n tt e s t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so fr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d s w h i c hw i t hr e g a r dt ot h et e s t i n gd e v i c eo fc i r c u i tb r e a k e ra th o m ea n da b r o a d ， d e v e l o pam e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n gd e v i c eo ft h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e rb a s e d d s p i nt h i s p a p e r , f i r s t l ya n a l y z e st h et e s tm e c h a n i c a ln a t u r a lp a r a m e t e ro ft h e v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e ro ft h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e rt e s td e v i c e ，w h i c hm a i n l y i n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： ( 1 ) t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i i i 西华大学硕士学位论文 f i r s to fa l l ，t h eh a l lc u r r e n ts e n s o rt h a ts e n s i t i v et oi n s t a n t a n e o u ss i g n a li su s e d t od e t e c t i o nt h ec u r r e n ts i g n a lo fc l o s e ( o p e n ) c o i li nt h e o p e r a t i n gm e c h a n i s m ；t h e l i n ed i s p l a c e m e n ts e n s o r si sa d o p t e dt om e a s u r ed i s p l a c e m e n ts i g n a lo ft h em o v a b l e c o n t a c tt r a v e l ，a n dc o n v e r t si ti n t ot h e s y n c h r o n o u sv o l t a g es i g n a l ；t h e c l o s i n g o p e n i n g c o n t r o li sa c h i e v e db yr e l a y s ；i td e s i g n e dp 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 、航t ht i sh i g hp e r f o r m a n c es i n g l e c h i pd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h e c o r e ，i n c l u d i n g ：as e n s o ri n p u t ，a n a l o gs i g n a lc o n d i t i o n i n g ，a dc o n v e r s i o n , s w i t c h t h ei n p u f f o u t p u t ，s i n g l e - c h i pa n dp cs e r i a lc o m m u n i c a t i o n se t c ( 2 ) t h es o f t w a r ed e s i g n c o m b i n a t i o no fa s s e m b l yl a n g u a g ew i t hcl a n g u a g et ow r i t es o f t w a r ep r o g r a m ， i n c l u d i n gt h ed s pm a i np r o g r a m ，o rc l o s i n g o p e n i n g s a m p l i n gp r o c e d u r e s ，a d i n t e r r u p t s e r v i c er o u t i n e ，s w i t c h i n gi n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，c o m p u t e ri n t e r f a c e p r o g r a m ，u s ba n dp cc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ( 3 ) c o m m u n i c a t i o nd e s i g n i nt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n g ，t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fv a c u u mc i r c u i t b r e a k e rt e s td e v i c eu s et h eus bi n t e r f a c e ，t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei sc o m p o s e d o fu s bc o n t r o l l e ri s p 1 5 81a n dt h ee x t e r n a lc i r c u i t ，s ot h a tt h et e s td e v i c e s u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e t h e s p e e d o fd a t at r a n s m i s s i o na n dd a t a s t o r a g em o r e c o n v e n i e n t b e s i d e s ，am e t h o dc o m b i n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei su s e dt oi m p r o v et h e i n t e r f e r e n c e - f l e ea b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m b o t hd y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ca n d t e s t i n ga c c u r a c y i s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yc o m p a r e d 、析t 1 1 t r a d i t i o n a ls y s t e mb yt e s t i n g k e yw o r d s ：v c b ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，d s p ，u s b i v 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学术论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或攥写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 鬣豁霉镰日导师签名镪像译月 西华大学硕士学位论文 西华大学 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彳牛和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华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 、不保密彤适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 指导教师签名：搬 蹶，6 8 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 真空断路器机械特性测试装置研究的目的和意义 断路器是电力系统中最重要的开关设备，担负着控制和保护的双重任务。 国际电工标准( i e c ) 中，关于断路器的定义是：“所设计的分合装置，应能关合、 分断和承载正常状态的电流；并能于规定的短路电流等异常状态下，也能进行 关合、分断以及一定时间内的导通和开断 n 3 。具体地讲，断路器必须具有的 基本功能，如下所述： ( 1 ) 关合状态时应为良好的导体：不仅包括正常电流，对于短路电流也能承受 其热的与机械的作用，在开断状态时具有良好的绝缘性，在清洁和污秽两种状 态下，皆能承受对地及同相端子间的电压； ( 2 ) 在关合状态的任意时刻：应能在不发生异常电压的情况下，在尽可能短的 时间内开断额定电流及额定电流以下电流； ( 3 ) 在开断状态的任意时刻：应能在断路器触头不产生熔焊的情况下，在短时 间内安全地关合于短路状态下的电路； ( 4 ) 在电力系统发生短路故障时能将故障部分及时从电力系统中切除，尽可能 缩短断路器切除故障的时间，以减轻短路电流对电力设备的损害，提高电力系 统的稳定性； ( 5 ) 能够配合自动重合闸进行多次关合和开断，以提高系统的稳定性和供电的 可靠性。 总之，高压断路器是高压电器中最重要的一种电器。在电力系统的一次设 备中，就单台设备而言，断路器是仅次于发电机和变压器的大型电力设备，但 就需要数量和所占电站设备的投资大小而言，它又排在两者之前。正常运行时， 用来进行倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用。 当设备和线路发生故障时能快速切除，保证无故障部分正常运行，起着保护作 用。 近年来，电力系统对供电的可靠性和经济性提出了越来越高的要求，高压 西华大学硕士学位论文 输变电设备的安全运行已成为影响电力系统安全、稳定、经济运行的重要因素。 断路器作为开关电器中十分重要的一种电气设备，是发电厂和变电所配电装置 中必不可少的、最关键、最广泛的保护设备，要求具有高度的可靠性。如果断 路器发生故障，带来的后果是十分严重的。直接的危害是被断路器所保护的线 路、设备受损，电量损失；间接的危害则造成用户大面积停电，影响正常的生 活、生产甚至社会稳定。 国际大电网会议对高压断路器可靠性所做两次世界大范围的调查，以及中 国电力科学院对高压开关事故的统计分析均表明，高压断路器的大多数故障( 主 要故障的7 0 和次要故障的8 6 ) 发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装 置和辅助装置等，主要是由于机械特性不良造成的，例如拒分、拒合或误动作 等心 5 1 。因此，对高压断路器实施状态监测，掌握其运行特性及变化趋势，对提 高电力系统输电的连续性和高效性，降低设备故障率，提高断路器工作的可靠 性日益成为发展中的一项重要研究课题7 1 。 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。它是高压 断路器中的一种。自从一九六二年美国g e 公司研制成功第一台真空断路器以 来，其研制和开发已取得了很快的发展，得以广泛应用。可用作配电网络或电 线线路中，以及工厂用电的配电开关；电炉和电动机的控制开关；高层建筑成 套配电站的保护开关等，在电力、冶金、矿山领域中发挥着巨大的作用。 作为电力输配电系统中应用最为广泛的开关电器设备，真空断路器具有自 身的优越性：灭弧能力强，绝缘强度高，无污染，体积小，重量轻，使用维护方 便等优点。真空断路器以其卓越的性能和突出的优点获得迅速发展并很快成为 断路器的替代产品，在6 3 5 k v 电压等级中成为主导产品。据统计在1 0 k v 、 3 5 k v 配电系统中，国外真空断路器的占有率大致已从1 9 8 0 年的1 9 增加到1 9 9 3 年的6 5 。国内真空断路器的占有率也在逐年提高，1 9 9 8 年已达6 0 - - 7 0 哺】。 在我国，真空断路器的研究工作在充分吸收国外先进技术的基础上，经过 二十多年的努力，其技术水平达到了国际9 0 年代初的先进水平，产品的可靠性 有较大的提高，但是通过调试、运行、检修情况来看，同发达国家的同类产品 相比，其机械可靠性有较大差距。另外，由于技术水平的不均衡，不同时期不 同厂家生产的产品质量差异也很大，造成目前挂网运行的真空断路器机械可靠 2 西华大学硕士学位论文 性参差不齐，因此在使用过程中需要经常检查、调整和维护。而长期以来的计 划检修，盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力和财力，同时也造成了停电 损失和设备寿命的降低。 真空断路器经过几十年的研究，积累了较丰富的经验，产品的可靠性有较 大的提高，但是通过调试、运行、检修情况来看，同发达国家的同类产品相比， 其可靠性有较大差距，突出表现为： ( 1 ) 国产真空断路器在使用过程中，必须经常检查、调整、维修，尽管维修工 作量大大降低，但同国外发达国家的真空断路器相比，差距还很大。 ( 2 ) 由于真空断路器各组件的安装工艺水平较低，突发性事故经常发生，给人 身、设备、及电网的运行带来极大危害。真空断路器的性能可靠性直接关系到 电力系统的可靠运行，在使用过程中需要经常检查、调整和维护阳儿1 0 1 。 真空断路器的可靠性在很大程度上取决于其机械操动系统的可靠性n u 。国 际大电网会议组织的国际调查表明，在真空断路器的故障中，机械故障( 包括操 动机构和控制回路) 占全体故障的8 0 9 6 以上，其它灭弧、绝缘故障占有较小的比 例，发热故障比例更低。制造产品出厂检验和用户检修试验，都把机械特性的 测试作为重要的试验项目。因此，真空断路器机械特性的测试显得尤为重要。 1 2 真空断路器测试装置的国内外发展现状 断路器机械特性测试仪的发展经历了电秒表、滚筒测试仪、装故事测试仪、 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。早期传统的测试方法中，检修试验人员通常使用电秒表、同步灯、 光线示波器、电磁振荡器和转鼓测速仪等试验设备进行测试。但这些设备运输 困难，不但占用现场面积大，测试时接线复杂，读取记录的数据要进行人工处 理和计算，而且测量的误差大，检修工作的时间长。在工业发达国家，自7 0 年 代初就着手把计算机应用于断路器的测量之上n 引。 8 0 年代末9 0 年代初，通过模拟数字电路技术的运用，先后研制投产了集 箱式断路器机械特性测试仪。这类仪器综合了上述部分仪表的测量功能，简化 西华大学硕士学位论文 了试验接线和操作，且具有携带方便等优点；但仍然采用传统的检测技术和试 验方法，由可控硅直流电源测速器控制电路、门控电路及计时显示电路和同期 灯等几部分组成，存在自动化程度低、测量误差大和功能不强等缺点。随着微 电子技术的发展及微机技术在国内外的广泛应用，9 0 年代开始出现微机型高压 开关机械特性测试仪n 副。国外在这方面的研究较早，目前已有功能齐全、抗干 扰性能高的成熟产品，如美国d o b l e 公司开发研制的t r - 3 0 0 0 型数字式断路 器试验系统。国内先是出现了以z - 8 0 单板机作微处理器的产品，继而出现了以 m c s - 5 1 系列单片机作微处理器的产品，现在也有采用m c s 一9 6 系列单片机作微 处理器。以z - 8 0 单板机作微处理器的微机系统测速误差大、导电杆总行程和导 电杆超行程测量精度低、达不到对速度、行程、超行程的测量精度，随着m c s 一5 1 系列单片机的出现而逐渐被淘汰n 钔。9 0 年代中出现的以8 0 3 1 单片机作微处理 器，以各种传感器作为行程传感器的高压开关特性测量仪，测量精度较以前有 较大提高，时间误差不大于0 1 m s ，行程误差不大于l m m ，速度误差不大于 0 0 1 m s ，但是接线和操作仍较复杂。在使用前检修试验人员必须仔细阅读使用 说明，即使这样，在变电站现场检修中还是出现试验人员接线或使用不当而导 致测量出错或仪器损坏的情况，因此仍需进一步改进。目前，国内一些单位和 厂家仍在改进该类产品，使其应用于各种断路器，以及进一步提高测量精度、 系统稳定性和抗干扰性等，并进一步改进操作n 5 叫7 1 。清华大学电机系在这方面 做了大量的研究工作，研制出了几代用于高压状态参数微机化测试仪，已在国 内的高压断路器出厂检验和运行部门检修中使用。 总之，近年来随着电子技术、计算机技术及数据处理技术的快速发展，检 测手段有了很大的提高，国内外陆续开发出一些断路器机械特性测试仪器。目 前我国的断路器测试系统是以单片机为核心，多使用光电传感器检测断路器的 行程和时间来测试断路器的机械特性，这种方法是通过计数光电传感器中的编 码所发出的脉冲个数实现测量的。不足之处是分辨率不高，只在l m m 左右，且 不易提高。进口测试仪( 如瑞典p r o g 洲m a 公司的t m l 6 0 0 m a 6 1 开关测 试仪、德国威尔斯s a l 0 0 & s a l 0 0 r 断路器机械特性测试仪) 性能较好，但价 格昂贵，英文界面使用不方便。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 4 西华大学硕士学位论文 历史数据进行比较查询的要求。目前使用的国内机械特性测试仪，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。如： ( 1 ) 测试时对于不同型号的断路器需要更换不同芯片，使用比较麻烦且使用时 间长芯片容易损坏； ( 2 ) 测试的数据只能现场打印，不能长期大量存储，( 现场不使用笔记本电脑的 情况下，只能存储一组数据) ； ( 3 ) 现场使用时受环境的影响较大( 感应电压) ，抗干扰能力差。 ( 4 ) 数据传输速度慢：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。 现在的微机型机械特性测试仪，其原理和方法都有了很大的改变。不仅具 有较高的精度，还能记录断路器动作的整个过程，从而计算断路器分合闸速度。 但是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。 未来的断路器机械特性测试仪应能满足如下条件： ( 1 ) 更高的测试精度，使用高精度的传感器元件测试 ( 2 ) 具备较大的数据存储容量，能够大容量的存储数据 ( 3 ) 传输速度快。传统的串行口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 ( 4 ) 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，并能随时分析图形和结果。 西华大学硕士学位论文 1 3 真空断路器机械特性测试装置研究的主要内容 由于真空断路器的性能可靠性直接关系到电力系统的可靠运行，它在使用 过程中需要经常检查、调整和维护。据国内外资料统计，在多种真空断路器的 故障中，机械故障占多数，达7 0 9 0 。因此，加强对真空断路器机械特性的 检测与诊断，具有十分重要的现实意义。针对目前的现状，综合已有真空断路 器机械特性测试技术的优缺点，设计开发了真空断路器机械特性测试装置，对 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，以 改善系统的性能价格比，为进一步的故障诊断和预测工作做准备，提供一种数 据积累的有效手段。开发研制的真空断路器机械特性测试装置，可用于一般电 力系统及变电所。 该测试装置由d s p 、传感器、信号调理电路、计算机等组成检测系统，u s b 接口通信，结合虚拟仪器技术对数据进行采集、传输、处理和分析。所做的主 要的工作为： ( 1 ) 前端信号采集传感器的选择 选择合适的前端信号采集传感器以便迅速、准确、可靠地完成检测任务。 采用磁平衡式霍尔电流传感器对真空断路器操动机构动作时的分、合闸回路线 圈电流信号进行测量，采用w d l 2 5 导电塑料直线位移传感器，来测量真空断路 器动触头移动的位移，采用光电耦合器采集断路器断口状态的变化信号，采用 c s n e l 5 1 1 0 0 霍尔磁平衡式电流传感器对分合闸线圈电流信号进行测量记录， 采用s 0 1 t 型霍尔磁平衡式电压传感器分合闸线圈电压信号进行测量记录。 ( 2 ) d s p 测试模块的软硬件设计 采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 作为微处理器，并进行外围硬件电路 设计，主要包括模拟信号的输入调理电路、开关量的输入调理电路、数据存储 器的扩展电路、通信接口电路，电源设计等。然后根据原理图制作印刷电路板 ( p c b 板) ，分别对相关的硬件功能电路用c 语言结合汇编语言编制程序并调试 数据采集程序。 ( 3 ) 数据通信设计 针对真空断路器的实际运行现场，上位机和下位机通信采用u s b 串行通信 6 西华大学硕士学位论文 接口协议，将采集的数据传送至上位机。将u s b 接口技术使用在测试仪上，进 行数据传输，提高了数据传输的速度，使现场应用更快捷方便。 ( 4 ) 抗干扰设计 为了保证产品的可行性和稳定性，对产品的电磁兼容问题进行了分析和研 究。从硬件和软件两个方面给出了具体的抗干扰措施。硬件方面针对接地技术、 电磁屏蔽技术和滤波技术、隔离技术、p c b 布局布线等方面进行了具体分析； 软件方面针对指令冗余技术、数字滤波技术和监视定时器进行了具体的分析。 同时针对p c b 的设计给出了抗干扰设计的具体原则和具体的措施。 西华大学硕士学位论文 2 真空断路器机械特性参数分析 2 1 真空断路器简介 2 1 1 真空断路器的基本结构 真空断路器是2 0 世纪初发展起来的一种新型开关电器，它是以真空作为灭 弧和绝缘介质，在真空容器中进行电流开断与闭合的断路器。我国真空断路器 的生产发展很快，已在1 0 k v 电压级开发出户内式额定电压1 2 k v ，额定电流 4 0 0 0 a ，额定短路开断电流6 3 k a ，额定短路电流开断次数1 6 次，机械寿命1 0 0 0 0 次的新产品；户内式额定电压1 2 k v ，额定电流6 3 0 a ；额定短路开断电流2 0 k a ， 额定短路电流开断次数3 0 次，机械寿命1 0 0 0 0 次的三极户外真空断路器。电压 3 5 k v 、开断电流2 5 k a 的真空断路器也己作为油断路器的替代产品而广泛使用。 真空断路器由载流灭弧装置和操动机构两部分组成。操动机构对断路器在 分、合闸时，提供所需要的操作功，由于真空断路器的开距短、电弧能量小， 与开断参数相同的其他断路器相比，操作功所需量远小于瓯断路器及油断路 器。 一、真空灭弧室的基本构造n 踟 真空灭弧室的基本构造( 如图2 1 所示) ，不论德国、英国、美国与日本的 各家制造厂大致相似，但材料和触头结构方面却大不相同，且各有专利，互相 保密。真空灭弧室的基本结构可分为以下几个主要部分： ( 1 ) 外壳 外壳是为真空灭弧室造成一定真空度的机械承力空间，按制造材质分为玻 璃、陶瓷与金属壳( 将金属屏蔽罩外露于空气中，而在两端绝缘) 。我国以往使 用玻璃外壳居多，但陶瓷外壳的烘焙温度高，可实现一次排封封接工艺，易于 实现机械化、自动化高效生产，而且比玻璃外壳有更高的机械强度和真空度。 8 0 年代开始，我国引进美国西屋公司的真空断路器制造技术如：采用陶瓷外壳。 ( 2 ) 动触头和静触头 真空断路器内的一对触头，既是闭合时的通流元件，又是开断时的灭弧元 8 西华大学硕士学位论文 卜灭弧室金属上端盖2 灭弧室金属下端盖3 灭弧室上部陶瓷外壳4 一灭弧室f 部陶瓷外壳5 中间 封接环状金属部件6 金属屏蔽罩7 动触子8 静触子9 导向管1 0 金属波纹管1 卜动触于导电杆 1 2 一动触子金属基座1 3 一动触子铜铬台金表层1 4 一静触子铜铬台金表层1 5 定触子导电杆1 6 一定触 于金属基座 f i # 1v a c u u ma r c - c h u t eb a s i cs t r u c t u r e 圈21 真空灭弧室的基本构造 件，其几何造型和金属元素成分随制造厂而各不相同。因触头在真空环境内工 作，表面不易生成氧化膜，所以要求能抗熔焊；截流值小，就要求会属饱和蒸 气气压高；另一方面又要求材料含气杂质少，开断电流大，过零后介质强度要 高，这又要求金属的饱和蒸气气压不能太高。这些性能要求既苛刻而又互相矛 盾的。 ( 3 ) 波纹管 使动触头有一定的活动范围而不使灭弧室内真空空间压强发生变化，可使 用金属波纹管来承受触头活动时的伸缩。真空断路器每分合操作一次，相应地 使波纹管产生一次机械变形，它是真空灭弧室中最易损坏的部件，其金属材料 的疲劳寿命，决定了真空灭弧室的机械寿命。 ( 4 ) 屏蔽罩 触头周围装设的金属屏蔽罩，通常称为主屏蔽罩，屏蔽罩需要具有高的导 热率和优良的凝结能力。屏蔽罩有三个作用： 止燃弧过程中触头间产生大量的金属蒸气和金属粒喷溅到外壳绝缘筒的内 西华大学硕士学位论文 壁，造成真空灭弧室外部绝缘强度降低或闪络。 改善真空灭弧室内部电压的均匀分布，提高其绝缘性能，有利于真空灭弧 室向小型化发展。 冷却和凝结电弧生成物，使电弧的热量能通过屏蔽罩发散出去，有助于电 弧熄灭后残余等离子体的迅速衰减，对增大灭弧室的开断能力起很大作用。 二、真空断路器操动机构 操动机构在断路器中占有重要地位。它不但要保证断路器长期可靠动作， 而且要满足灭弧特性对操动机构的要求。断路器的分合闸时间或速度必须满足 其开断和关合要求，以便通过快速切除故障而不使故障扩大，从而保持电力系 统的稳定，并减轻设备、线路、绝缘的损伤。为此要求断路器具有良好的操作 性能。另外，断路器多次分合可能造成触头及操动机构可动部分的机械磨损， 因而国家标准中规定要对断路器进行机械寿命试验，验证在规定的机械特性及 不更换零部件的条件下，断路器能否承受规定的分、合闸空载操作次数口引。 目前在中压断路器中广泛使用的操动机构主要有电磁操动机构和弹簧操动 机构，以及目前正在研制开发的永磁机构。 ( 1 ) 电磁操动机构 早期设计的真空开关的机构为直流电磁操动机构( 以下简称为电磁机构) ， 电磁机构在开关合闸时，螺管式电磁铁逐渐接近端面，产生的吸力会增加，这 样就与真空断路器的机械特性相匹配， 但它仍需要一个机械锁扣，使断路器保持在合闸位置上。并且，其需要一 个较大的直流电源。电磁机构直接利用电能，通过直流螺管线圈或电动机将电 能转换为机械能，储能装置为一只或一组弹簧，在合闸时吸收动力装置的一部 分机械功并转化为弹簧的位能。分闸时，由弹簧释放位能实现断路器分闸的目 的。 ( 2 ) 弹簧操动机构 弹簧操动机构与电磁操动机构有很大不同，它的合闸动力也是即备的。弹 簧操动机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。弹簧储能通常采用手动或小功 率电动机通过减速装置来完成，它将电动机的机械功在短时间内储存在合闸弹 簧中，然后将合闸弹簧中的能量释放进行合闸，同时，分闸弹簧储能，提前储 1 0 西华大学硕士学位论文 备分闸动力。 ( 3 ) 永磁操动机构啪3 永磁操动机构技术是二十世纪世界最新技术，它采用全新的工作原理和结 构，具有其它技术无法比拟的独特之处，通过将电磁铁和永磁铁相结合，实现 传统断路器操动机构的全部功能，并在一定程度上实现了智能化。永磁操动机 构工作时运动部件很少，零件总数比弹簧操动机构大大减少。 在结构上与传统断路器操动机构的最大区别在于无需脱扣、锁扣装置即可 实现机构终端位置的保持功能，是一种传统观念的突破，从而可使断路器可靠 性大大提高。同时，所需的操作电能非常小，并可实现免维护运行。 永磁操动机构与电磁操动机构和弹簧操动机构相比有以下优点： ( 1 ) 永磁操动机构的结构简单，运动部件只有一个动铁心，零部件也非常少。 和传统的弹簧操动机构相比，永磁操动机构的零部件数量大大减少了，这就大 大提高了它的机械可靠性，机械故障的概率大为降低。 ( 2 ) 永磁操动机构采用永磁作为保持力，不会产生传统操动机构的漏油等故障， 方便真正实现免维护运行。 ( 3 ) 永磁操动机构的输出特性和真空断路器的开关机械负载特性相匹配，从而 能够达到良好的速度特性。 ( 4 ) 永磁操动机构传动机构十分简单，由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直 接驱动动铁心，动铁心又直接和断路器的主轴相连。由于动作部件少和中间传 动部件都很少，所以永磁操动机构和传统的操动机构相比有更好的可控性，为 断路器实现智能化控制打下了基础。 2 1 2 真空断路器的工作原理 由于永磁操动机构相比电磁操动机构和弹簧操动机构有很多的优点，再加 上其与真空断路器的良好匹配特性，因此它将代表了真空断路器操动机构的主 流方向，推动了全世界范围内的配永磁操动机构的真空断路器的迅猛发展。 目前市场上的永磁操动机构，按照机构在终端位置的保持方式，永磁操动 机构可以分为双稳态和单稳态两种形式，双稳态是完全通过激磁线圈做功完成 西华大学硕士学位论文 分合闸操作，而单稳态则在进行分闸操作时需借助分闸弹簧。按外部形状又可 分为圆柱形结构和方形结构永磁操动机构，如图22 及图2 3 所示。 l f i 9 22c o l u m nf l a m e 图22 圆柱形结构图 p 烈 l f i 9 23 r c e t a n g l e f r a m e 图23 方形结构 永磁操动机构的工作原理是将电磁机构与永磁铁有机地结合起来，配制系 统实现真空断路器所要求的全部功能。从现在开发的永磁机构来看，结构怎么 变化，其原理只有两种：双线圈( 对称式) 和单线圈( 非对称式) ，它们在分、合闸 极限位置时，永磁铁提供了保持力，前者属于双稳态式的永磁机构，而后者则 属于单稳态式的永磁机构“”。 ( 1 ) 双稳态永磁操动机构的工作原理 双线圈永磁机构采用永磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置 上，使用合闸激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推到合闸位置，使用分闸激磁 线圈将机构的铁心从合闸位置推到分闸位置。图2 4 为双线圈双稳态永磁机构 在合闸位置时的结构简图。从图中可见，双线圈双稳态永磁机构主要由六个零 件组成：1 为静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形结构一般采用硅钢片叠形 结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢；2 为动铁心，一般采用电工纯铁；3 为永久磁铁，为机构提供合分闸保持力，一般采用钦铁硼永磁材料：为驱动杆， 使用非磁性材料，一般采用不锈钢，是操动机构与断路器传动机构之间的连接 件；5 、6 为合、分闸线圈。 当断路器处于合闸位置时，永久磁铁通过上部磁路的磁阻很小而通过下部 磁路的磁阻因空气隙很大而很大。永久磁铁的磁通大部分都通过上部磁路，将 动铁心牢固地吸在合闸位置。磁力线的分布图如图2 4 中曲线i 所示。要使断 西华大学硕士学位论文 路器进行分闸操作时，只要在分闸线圈6 中通以直流电流，该电流产生的磁力 线方向与永磁体在静铁心上端产生的磁力线方向相反，如图2 5 中的磁力线i i 和i i i 。分闸线圈中的电流所产生的磁场使动铁心所受的吸力减小，当此电流 增大到一定值时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负载( 如作用在动 铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反) ，这时动铁心就将向下运动。 一旦动铁心向下运动，动铁心上端与静铁心上磁极之间就出现了空气间隙，上 端的磁阻增大，下端的磁阻减小。静铁心上磁极对动铁心的吸力减小，下磁极 对动铁心的吸力增大。动铁心上向下的合力增大，使动铁心加速向下运动，直 到完成分闸动作为止。这时，动铁心重新被永磁体吸合，出现稳定状态，即使 切断分闸线圈的电流，动铁心也不会恢复到合闸状态了。图2 5 所示为操动机 构分闸到位后，磁力线的分布情况心刳。 l 一静铁心2 一动铁心3 一永磁体4 一驱动杆5 一合闸线圈6 一分闸线圈 f i 薛4 t h es t r u c t u r eo fb i - s t a b l ep m a 图2 4 双稳态双线圈永磁操作机构结构图 f i 醇5 t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da tt h eo p e n i n gp o s i t i o n 图2 5 双稳态永磁机构分闸位置时的磁场分布 西华大学硕士学位论文 合闸过程和分闸过程正好相反：在合闸线圈中通电，线圈电流在下部间隙中 产生反磁场，动铁心上受到的总吸力减小，当吸力小于动铁心上的机械负荷时 动铁心向上运动，最后达到合闸位置，动铁心重新为永磁体吸合。切断合闸线 圈电流后，动铁心仍然保持在合闸位置，合闸过程结束。 ( 2 ) 单稳态永磁操作机构的工作原理 单线圈永磁操动机构也是采用永磁铁使真空断路器分别保持在分闸或合闸 极限位置上，但分合闸共用一个激磁线圈。在进行分合闸操作时，分别对激磁 线圈通以方向相反的激磁电流。它的合闸能量来自激磁线圈，而分闸的能量来 自分闸弹簧和触头弹簧，但这些弹簧释放出来的能量则是在合闸操作时储存起 来的。因此，单线圈机构在合闸操作时将消耗比双线圈大的多的能量。 1 一传动杆2 一动铁心3 一永磁体4 一静铁心5 一等效弹簧6 一激磁线圈 f i 9 2 6 t h es t r u c t u r eo fm o n o - s t a b l ep m a 图2 6 单稳态单线圈永磁操作机构结构图 分闸操作时，它的原理则和双线圈机构有所不同。如图2 6 所示，单线圈 永磁操动机构处在合闸位置，当线圈电流为零时，永磁体产生的磁力线为w 所 示，将断路器保持在合闸位置。当机构接到分闸命令后，给线圈通以特定方向 的电流，该电流产生的磁力线如v 所示，与永磁体产生的磁场方向相反。当动 铁心下端合成磁场所产生的吸力小于触头弹簧与分闸弹簧的合力时，动铁心开 始向下运动，驱动断路器分闸。在整个分闸过程中，线圈电流很小，仅需提供 一个抵消永磁磁铁的磁场瞳3 ，。 当永磁机构处于分闸位置时，使其合闸。在操作线圈中通以与分闸操作时 方向相反的电流。这一电流在静铁心上部产生与永久磁铁磁场方向相同的磁场， 1 4 西华大学硕士学位论文 在动铁心下部产生与永磁体磁场方向相反的磁场，使动铁心下端所受的磁吸力 减小，当操作电流增大到一定值时，向上的电磁合力大于下端的吸力与弹簧的 反力，动铁心向上运动，实现合闸，并给分闸弹簧储能。 2 2 真空断路器的主要机械特性参数 2 2 1 机械特性试验的相关规定 机械特性试验是验证开关设备的空载操作机械特性( 合闸时间、分闸时间、 行程、速度等) 是否符合规定的试验心4 j 。根据j b t3 8 5 5 2 0 0 8 高压交流真 空断路器机械特性试验和环境试验的各项规定，实验前后应记录的断路器的 特性和整定值： ( 1 ) 合闸时间； ( 2 ) 分闸时间； ( 3 ) 一极中各单元之间的时间差； ( 4 ) 极间的时间差( 如果进行多极实验时) ； ( 5 ) 操动装置的恢复时间； ( 6 ) 控制回路的损耗； ( 7 ) 脱扣置的损耗，可能时还应记录脱扣的电流； ( 8 ) 分闸和合闸指令持续的时间； ( 9 ) 密封性( 适用时) ； ( 1 0 ) 气体密度或压力( 适用时) ； ( 1 1 ) 主回路电阻； ( 1 2 ) 时间一行程特性曲线； ( 1 3 ) 制造厂规定的其他重要的特性或整定值乜引。 其中，动触头的行程一时间曲线，分( 合) 闸线圈电流一时间波形，分( 合) 闸速度，分( 合) 闸时间，分( 合) 闸不同期性对断路器开断和关合各种电路影响 最大，也是用户和生产厂家最关心的几个特性参数。断路器机械部分的磨劳老 化、生锈、阀的缓慢动作以及零件装配不当等均会影响断路器的机械特性，监 测开关动作的行程一时间特性，提取各种机械特性参数并分析其变化可发现较 西华大学硕士学位论文 多机械故障隐患，并可预测可能的故障部件。监测线圈电流波形的变化可以诊 断出断路器机械故障的趋势，对断路器中发生几率危害最大的拒动、误动故障 的诊断尤为有效乜6 | 。 2 2 2 机械特性参数的定义及对真空断路器性能的影响 众所周知，真空断路器合、分闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动 触头速度，对断路器的开断性能有至关重要的影响。分闸速度的降低将使电弧 的燃烧时间增加，加速了断路器触头的电磨损、降低断路器的使用寿命，而且 不利于正常开断；分闸速度过高，使操动机构承受过大的机械应力和冲击，造 成结构部件的损坏或者缩短其使用寿命；断路器合、分闸的严重不同期将造成 线路和变压器的非全相运行，可能出现操作过电压、继电保护误动作等不利现 象，导致绝缘损坏。因此，真空断路器的机械特性参数对电网的稳定运行意义 重大。 真空断路器的机械特性参数主要包括：合( 分) 闸时间、触头行程、开距、 超行程、合( 分) 闸不同期、合( 分) 闸平均速度、刚合( 分) 速度、合( 分) 闸最大 速度、触头合闸弹跳时间、触头分闸反弹幅值等。真空断路器的机械特性参 数是保证断路器正常工作的重要依据，从真空断路器动触头的行程一时间曲线、 合( 分) 闸线圈电流一时间曲线以及结合刚合、刚分位置信号可以确定机械特性 参数。 在合闸时，动触头迅速移动，并接触静触头，使真空断路器导通，接入负 载。但由于动触头存在惯性，还会运动到最高点，而后返回到平衡点，形成一 个振荡过程。因此，在曲线中存在一超调的过程。如图2 7 图2 8 所示，来定 义断路器的机械特性参数。 ( 1 ) 主触头总行程和接