毕业设计（论文）-10kV真空断路器触头系统电寿命在线检测系统的研究.docx

编号： 毕业设计说明书题 目：10kV真空断路器触头系统电寿命在线检测系统的研究院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016年06月03日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第III页摘 要全套设计加扣3012250582作为电力系统中最重要的电力设备之一，断路器不仅可以在系统发生短路、过载等故障时保护电路，同时还可以关合、承载和开断正常回路的电流，即起到控制作用，而随着断路器无油化进程的推进，真空断路器越来越广泛的使用在电力系统当中，并正在逐步取代传统的油断路器而成为中压配电系统的主要开关设备，据已有数据显示，真空断路器在中压领域的占有率已超过98.85%。真空断路器的电寿命指的是断路器在不经检修情况下的开断能力，由于电弧对其触头的影响，真空断路器的电寿命通常较短，仅有数十次；在影响真空断路器使用寿命的因素中，其电寿命被视作最不稳定因素，同时，又由于超过电寿命可能会对系统造成巨大损害，所以对真空断路器电寿命的监测就很有必要。本次毕业设计的主要内容为了解和掌握真空断路器工作和运行条件，深入了解并分析真空灭弧室的结构、组成部件及作用，掌握真空断路器工作性能和特征参数，并了解在线监测和离线监测，确定技术路线，经过必要的理论分析和电路仿真，实现对真空断路器触头电寿命的在线监测。通过查阅相关文献和资料，对于真空断路器触头电寿命的监测，有累计开断电流或电弧能量法、累计开断电流加权法、触头相对电寿命与相对磨损法以及计及燃弧时间加权评估法等几种方法，本文选取开断电流加权法的方法，设计了一个基于单片机的电流采集装置，将触头电寿命的监测转化为对电流的采集，本系统先经由电流互感器采集电流信号，经过相应的整流滤波装置，然后将采集到的信号交由单片机处理，并通过液晶显示，如果未超过极限值则系统正常运行，若超过极限值，则会通过报警电路报警并提示真空断路器电寿命已超过极限。关键词：真空断路器；触头电寿命；在线检测；单片机；电流采集ABSTRACTAs one of the most important power equipment in power system, the circuit breaker can close and open circuit loop current under the normal condition, at the same time, it can protect the electrical power system from fault of short-circuit, overload，which takes the role of the control effect. And with the development of the breaker without oil, vacuum circuit breaker is more and more widely used in electric power system, and it has been gradually replacing the traditional oil circuit breaker. Meanwhile，it comes to become the main switch equipment of medium voltage power distribution system, according to the data we can see that in the field of medium voltage，vacuum circuit breakers share has been more than 98.85% in the field of medium voltage. Its electrical life is the ability of opening and closing circuit in the case of without the maintenance, but because of the influence of the arc of the contact, the electrical life of vacuum circuit breaker is usually short, which has only dozens of times; In the factors influencing the service life of vacuum circuit breaker, the electric life is seen as the most unstable factors, at the same time, there will be the damage when the electrical life is over，so the electrical life of vacuum circuit breaker monitoring is necessary. The content of this graduation design is to understand and grasp working and operating conditions of the vacuum circuit breaker, understand and analysis the vacuum arc extinguish chamber structure, components and functions of the vacuum circuit breaker, master the causes and characteristics of parameters affecting the vacuum circuit breaker performance, and understand the on-line monitoring and off-line monitoring to determine the technical route, finally realize the electrical lifes online monitoring of vacuum circuit breaker contacts after the necessary theoretical analysis and circuit simulation.Through consulting relevant literature and data, for the electrical monitor of the vacuum circuit breaker contacts electrical life, there are accumulated the breaking current or arc energy method, the accumulative open circuit current weighting method, relative electrical contact life and relative wear method, and weighted assessment method and arc time and so on, this paper selects the breaking current weighting method, and design a current acquisition device based on single chip microcomputer, it turns monitoring of the contacts electrical life into the current collection, This system collects current signal first through a current transformer, after rectifying filtering by the corresponding rectifying filter device, and then send the signal to single chip microcomputer processing, and displaying through the LCD, if the electrical life is not over, the system will run normally, but if it exceeds the limit value, there will be warning that the electrical life is over through the alarm.Keywords: vacuum circuit breaker； electricity life of contact terminal；on-line inspection； single chip microcomputer；current collection桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 研究背景、目的及意义11.2 行业发展现状11.3 真空断路器的检修现状21.4 监测方式的发展与选择21.5 章节小结32 关于真空断路器的研究42.1 真空断路器简介42.1.1真空断路器的发展42.1.2真空断路器的特点42.2 真空断路器的主要结构52.2.1真空灭弧室52.2.2操作机构72.2.3其他部件72.3 真空断路器的主要参数72.3.1触头开距72.3.2接触行程72.3.3平均分、合闸速度72.3.4分、合闸时间82.3.5真空断路器的回路电阻82.4 章节小结83 真空断路器触头电寿命的监测方法及方案选择93.1 关于真空断路器触头电寿命的折算方法的研究93.1.1累计开断电流法93.1.2累计开断电流加权法93.1.3相对电磨损法103.1.4累计开断电流加权改进的方法103.2 方法选择103.3 在线监测的选择113.4 具体方案的选择与实施113.4.1设计预期目的113.4.2主要思路113.4.3确定方案123.5 章节小结124 硬件的设计及其制作134.1 电源模块134.1.1器件选择134.1.2主要电路134.1.3注意事项144.2 电流检测模块154.2.1器件选择154.2.2主要电路164.2.3注意事项174.3 系统控制模块174.3.1器件选择184.3.2主要电路184.4 相关芯片介绍214.4.1单片机STC12214.4.2 LCD1602液晶显示214.5 电路板制作224.5.1印制电路板224.5.2电路板的腐蚀234.5.3钻孔与元器件的焊接234.6 章节小结235 软件设计245.1 程序语言的选用245.2 程序设计245.2.1 LCD1602显示模块245.2.2 报警模块245.3程序硬件联调255.4 章节小结256 结论及展望276.1 结论276.2 展望27参考文献29附 录30附录一：电路原理图30附录二：PCB原理图32附录三：安装接线图34附录四：程序部分35桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第39页 共38页 1 绪论 1.1 研究背景、目的及意义在电网中真空断路器的应用变得日益广泛。在电力系统中，断路器具有很多实用功能，第一控制功能，即在通常情况下，断路器可以根据运行需要切除或投入部分电气设备或线路，其次还有保护功能，即当电网的正常运行产生故障时，为了使非故障部分的运行不受其影响，电网的自动保护保护装置会动作而于断路器，断路器开断就使故障部分从电网中隔离开。自上个世纪七、八十年代以来，在全球范围内开始了中压开关无油化的进程，从八十年代开始，在中压领域基本确立了无油开关的主体地位，作为典型无油开关的真空断路器与常规断路器相比有很多优点，比如具有体积小、重量轻、寿命长、免检期长等诸多优点，在电力系统中被迅速推广和使用，我们国家跟随中压开关的无油化进程也开始发展真空断路器，在中压开关领域，我国真空断路器的使用已经占到85%以上，真空断路器的产量增长迅速，2003年，国内真空开关行业年产各种类型的真空开关达20万台以上，这让我国成为世界上最大的真空开关生产国，同时真空开关的品种类型号数量也居世界前列。作为重要的开关设备，真空断路器在被广泛应用的同时，由于自身检修周期长、维护量小等特点，所以其存在的使用寿命的问题很容易被忽略，在长时间的使用过程中，首批投入使用的真空断路器开始出现问题，其使用寿命存在的问题日益突出，应当引起重视，真空断路器的使用寿命主要由机械寿命、电寿命以及储存寿命组成，其机械寿命较长，通常在数万次以上，其储存寿命也较长，而容易被忽略的就是其电寿命，而电寿命被认为是影响真空断路器使用寿命的各个因素中最不稳定的因素，其使用寿命通常被认为由其电寿命所决定，而当其电寿命超过时，可能会导致真空灭弧室无法正常使用，同时电弧可能无法正常断开，可能会导致真空灭弧室爆炸，从而可能会引发重大事故，因此对真空断路器电寿命的监测就显得尤为重要。1.2 行业发展现状真空断路器是指其触头处于真空状态下关合、开断的开关设备，与传统断路器相比，具有无油、电寿命长、维护少等优点，19世纪末，美国人里顿豪斯首先提出了简单结构的真空灭弧室模型，到1920年瑞典成功研制真空开关，受到当时技术水平的限制，真空开关并未能实际投入使用，经过三十年左右的发展，真空技术有了很大的提高，于是在50年代美国才造出了符合实际要求的真空断路器，直到1961年开始研制15kV以及其分断电流为12.5kA的真空断路器，随后真空断路器就开始在高压、较大容量的系统中使用，从上世纪70年代开始，随着中压开关无油化进程的推进，真空断路器开始逐步替代传统的断路器，并逐渐成为中压开关设备的主体；我国从1958年开始研制真空开关，70年代之后，我们国家基本可以独立生产各个类型的真空开关；相关数据表明，在中压领域，我国真空断路器的占有率逐年增加，已占到85%以上，产量也连年在增加，2000年其产量占到所有中压断路器的87%，而2004年占有率已达98.85%，在自主研究和发展的同时，又引进和吸收西方发达国家已有的经验和技术，我国自主研发了一批性能优秀、符合中国国情的真空断路器，开发出了ZN28-12、ZN96-12、ZW6-12、ZW7-12等诸多型号的真空断路器。，在同类产品中已处于先进水平。由于我国真空断路器的发展落后发达国家，所以在各个方面都存在一些问题：（1）目前我国真空断路器的生产厂商众多，但其集中度较低，规模效益难以实现，已有数据表明，2003年，我国生产真空断路器的厂家有几百家，但是年产超过两千台的只有3家，而其他规模较小的厂家经济效益都很低。（2）产品的重复开发与从外引入较多，品种繁多但是质量参差不齐，比如12kV户内真空断路器现有品种已达百种以上，但是大同小异，很少有可以与国外名牌产品媲美。（3）由于我国真空断路器刚开始落后较多，产品质量与产品稳定性与国外名牌相比还粗在诸多问题，比如产品的使用稳定性和灭弧室的寿命等等。1.3 真空断路器的检修现状作为电力系统中最重要的开关设备之一，真空断路器起到保护和控制的作用，其在被广泛应用的同时，也是电力系统的一次设备中维修和检修工作量最大的设备之一，相关数据表明，开关设备的维修费用可以占到变电站维修费用的50%以上，而且其中很大一部分是用在断路器的定期检修上。以某电力公司为例，其管辖范围内的134座变电站内，真空断路器共有1400台以上，占总数的80%以上，其定期检修一般定为一到三年，检修项目主要由真空灭弧室真空度的测量、导电回路电阻的检测、绝缘电阻检测以及交流耐压实验等几个项目组成，通常一台真空断路器的检修需要9人左右以及2个工作日，而对于上千台真空断路器的检修来说，可能会消耗大量的人力财力物力和时间，同时其检修还会影响供电的可靠性。而随着技术和工艺的提高，目前我国所使用的真空断路器型号主要有ZN28型、西门子公司的3H2型等，而断路器的检修开始逐渐由周期检修转变为状态检修，此外除了个别真空断路器外，大部分真空断路器的检修间隔时间都可以调整为46年。1.4 监测方式的发展与选择真空断路器的检修每年会花费大量人力财力，由于检修失误而造成事故的报道时有发生，有关资料表明，超过11%的断路器故障的起因是检修不当，而且以往的离线监测的方法会影响用户的用电质量。作为传统设备的监测管理方式中最早使用也是最为普遍使用的一种方式，离线监测指的是对传统的设备进行规定期限的周期检查，在设备停止运行之后对设备的各种参数进行检查，从而查找出其已有的的问题和可能发生的状况，离线监测也由于自身所具有的诸如投资力度小、检测面宽以及检测设备较为简单且使用方便等诸多优点，所以离线监测在我国采用相对广泛，但是其缺点也比较明显，比如其反应相对迟钝，无法检测出设备在运行状态时的问题，而且离线监测数据不全，而数据不全对设备的状态分析和维修决策可能会造成重大事故；相对的，在线监测是在运行电压下对设备进行实时监测，在实现测量和分析自动化的同时，在线监测摆脱了周期性的缺点，由此可以提高设备使用的可靠性以及检测工作的效率，还可以避免盲目停电，有些重要的电气设备无法轻易停止运行，这时也需要在线监测来实时监测。虽然在线监测有很多优点，但是以目前的技术和状况来看，离线监测所具备的优点还是让它成为目前监测手段的主体，特别是在设备离线情况下的参数测量可以为设备的检修提供必要数据，随着技术的发展与进步，在线监测在逐步取代离线监测而成为主要监测方式的同时，离线监测过程中的不足在线监测也可以很好的弥补，所以为了保证电力系统的正常运行和供电可靠性，在检测方式选择时，必须综合考虑两种监测方式的优缺点，避免盲目选择而造成问题。1.5 章节小结本章主要介绍了真空断路器在电力系统中被广泛使用的原因及意义通过分析其检修现状引出真空断路器的在检修方面存在的问题，并且通过比较说明了在线监测的优越性，从而简述了本题目提出的目的和背景。2 关于真空断路器的研究2.1 真空断路器简介真空断路器指的就是其灭弧室高度真空，其触头间隙的灭弧介质也保持高真空，在中压开关无油化的进程中，真空断路器越来越普及，同时作为电力系统中最重要的开关设备之一，真空断路器既有控制功能同时还有保护功能，它直接影响到供电的可靠性，同时还影响电网的正常运行。2.1.1真空断路器的发展断路器的发展史即是灭弧介质和材料的发展史，早在上个世纪初，真空状态就早已经被认为是可以作为灭弧介质，只是当时的真空密封技术落后，高真空度无法实现，同时冶炼技术也还不够成熟，导致真空作为灭弧介质的想法无法实现，但是随着陶瓷灭弧室外壳技术跟铜钴触头材料等技术的出现，直到上世纪七、八年代以后，真空断路器的发展才开始有了里程碑式的进步，比如其开断电流能力和降低截流值的能力大大增强，同时其抑制过电压能力以及小型化和寿命提高等方面都开始有了进步和提高，并且引领了开关设备无油化的进程，开始逐步替代常规的油断路器，并且开始逐步挑战六氟化硫断路器的主体地位。同以往的油断路器相比，真空断路器具有很多优点，比如结构相对简单，寿命较长，检修间隔长等，同时它对于环境污染较低，体积较小，同时其更适合于频繁操作，跟同类型的SF6断路器相比具有很大的优势，所以真空断路器开始逐步取代常规断路器。2.1.2真空断路器的特点真空断路器的工作原理是其触头在操作机构的作用下合、分闸操作时，动导电杆上下波动，波纹管被压缩或拉伸，使真空灭弧室内的真空度得到保持Error! Reference source not found.。当断路器分闸时，触头间产生电弧，触头表面在高温下挥发出金属蒸气，由于触头设计为特殊形状，在电流通过产生磁场，电弧在此磁场力的作用下沿触头表面切线方向快速运动，在金属圆筒(即屏蔽罩)上凝结了部分金属蒸气，电弧在自然过零时就熄灭了，触头间的介质强度又迅速恢复起来Error! Reference source not found.。由于真空断路器的结构和工作原理，其优点有以下几点：（1）触头开距小，其触头开距很小，所以在断路器动作时机械行程小，从而使其能耗降低，这样就可以加长断路器的使用寿命。（2）其燃弧时间极其短。 （3）体积小、重量小、污染小、噪声小。（4）开断容性电流能力较强。（5）电弧熄灭后，其触头间的介质强度可以迅速恢复，所以其开断性能优良。（6）其触头在开断电流时的磨损量较小，因此其触头的电气寿命较长，在满容量时开断可达40次左右，额定条件下开断次数可达五千次以上，所以适合需要频繁操作的场景。由于以上诸多优点，真空断路器在电网中使用变得流行，并且在长期改进和发展过程中也衍生出很多型号。同时，真空断路器也有无法避免的问题：（1）操作过电压：其在工作时可能会产生较高的过电压，包括载流过电压跟电弧过电压，所以必须要防止和抑制过电压，方法有可以在国定范围内加大接触开距，从而防止电弧过电压，同时要装设安装避雷装置等保护装置来进行保护和预防。（2）真空灭弧室漏气问题：由于真空断路器的长时间的使用，其开断次数会增加，再加上天气等其他因素的影响，其真空灭弧室可能会漏气导致真空度下降，它的耐压水平和开断电流能力可能会受到影响。虽然以目前常用的灭弧理论和触头材料可以一定程度上降低触头的损耗，但是一旦导电杆同心度不匹配的话，就会使真空灭弧室的机械稳定性受到影响，从而漏气导致其真空度下降，灭弧室无法正常使用。所以为保证真空灭弧室的封接强度避免漏气，就必须要调整好导电杆的同心度。（3）温升：真空断路器的温升产生的主要原因是回路电阻，而灭弧室的回路电阻通常要占回路电阻的50%以上1。由于在触头跟外壳之间的间隙形成了热绝缘，因而产生的热量只能通过动、静导电杆向外部散热；真空灭弧室静端直接与静支架相连，动端则通过导电夹、软连接与动支架相连。由于动端连接环节较多，导致导散热路径变长，所以温升的最高点多集中于动导电杆与导电夹搭接部位；在实际应用中，应结合过载能力差的特点，严格控制负荷电流，使其低于额定电流1。（4）合闸弹跳：在真空断路器合闸时的时候，其触头刚接触到触头稳定接触的时刻为止的时间被称为合闸弹跳时间，实践及理论分析均表明，它是影响灭弧室电寿命的重要因素1。但由于合闸弹跳时间远小于合闸过程中电弧燃烧时间，而在一定范围内，弹跳最主要的危害是加速触头的摩损，可能会导致真空灭弧室的电寿命缩短，合闸弹跳是由于动静触头的非弹性碰撞引起的，弹跳值的大小跟很多因素有关，诸如触头弹簧的弹力、合闸速度、开距、触头材料、安装、调试质量、零部件的加工精度等等1。2.2 真空断路器的主要结构真空断路器的组成部分主要有真空灭弧室、绝缘和操作机构等，如图2.2。2.2.1真空灭弧室按照开关型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空灭弧室、中间封接杯状纵磁场小型化真空灭弧室、内封接式玻璃泡灭弧室，其基本结构如下3，如图2.1：图2.1真空灭弧室结构图（1）气密绝缘的外壳：真空灭弧室需要保持高度真空状态，所以真空灭弧室必须是一个气密性良好的封闭系统，除了由诸如陶瓷灯绝缘材料制成的气密外壳外，还有盖板以及其他部分，共同组成一个封闭的绝缘系统，因此在早期虽然已经提出真空断路器的构想，但是焊接技术和材料的选择不成熟导致其无法实现。 （2）屏蔽系统：屏蔽罩是真空灭弧室中不可缺少的元件，并且有围绕触头的主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压用屏蔽罩等多种。而主屏蔽罩在其中会起到很重要的作用，即为：a.防止在燃弧过程中电弧会生成一些化学物质而喷溅到绝缘外壳的内壁，可能会降低外壳的绝缘强度;b.改善灭弧室内部电场分布的均匀性，有利于降低局部场强，促进真空灭弧室小型化;c.冷凝电弧生成物，吸收一部分电弧能量，有助于弧后间隙介质强度的恢复3。（3）导电系统：对于要频繁动作的断路器来说，导电系统的稳定也很重要，其主要由动、定触头还有动、静导电杆等部分构成。真空断路器的触头目前常用的除了圆柱形触头外还有纵向磁场触头，而基于纵向磁场原理开发的纵向磁场触头有不错的开断能力。图2.2真空断路器结构图2.2.2操作机构真空断路器常用的操作机构有弹簧操作机构、各种型号的电磁操作机构等其他操作机构。2.2.3其他部件真空断路器的组成除了有真空灭弧室和操作机构外，还有绝缘支撑件、基座以及绝缘子等其他部件。2.3 真空断路器的主要参数上世纪80年代开始，真空断路器开始蓬勃发展，经过几十年的摸索和发展，真空断路器也逐渐有了一套自己的技术标准，1985年以后开始有了相关的产品标准。2.3.1触头开距真空断路器的触头开距指的是其在分闸状态下触头间的距离，而额定开距是指在完全开断时触头间的最小距离，真空断路器的额定电压跟其耐压大小决定其触头开距的选择，通常额定电压较低或者耐压水平低时开距会选的小一些，但是如果开距太小的话可能会影响耐压水平以及其分断能力，增加触头开距尽管可以提高其耐压水平，但可能会影响到真空灭弧室的机械寿命，所以在设计时在满足真空断路器额定电压和耐压水平的情况下额定开距要求尽可能小，对于10kV真空断路器来说，其开距通常会选在10毫米左右。2.3.2接触行程与其触头开距对应，真空断路器的接触行程即为在动作时断路器的触头在接触之后动触头的移动距离，目前常用的接触方式为对接式的接触方式，对于这类触头而言，断路器的动静触头在接触之后产生一个使触头运动的作用而移动，移动的距离被称为接触行程，但是对于对接式接触方式的断路器在某些时候会遇到其动静触头碰到后就停止动作，这时的接触压力是由触头的合闸弹簧所产生的，此时从触头触碰开始，持续运动到停止动作时的距离即为接触行程，也称为压缩行程；接触行程可以保证接触压力的持续性，接触行程通常取开距的20%30%。2.3.3平均分、合闸速度真空断路器的分、合闸速度，指的就是其触头动作是分、合闸相对应的速度，通常来说，真空断路器的分闸速度要求尽量快，因为这样可以在很短时间内将故障电流断流，避免其首相不能开断而延续到下一相而将燃弧时间增加从而可能导致开断失败，但是如果分闸速度太快的话可能会引起反弹震动变大而造成重燃，所以要选择合理的分闸速度，经过实践和理论分析，通常10kV断路器的平均分闸速度选在1.01.2m/s范围内。触头的电磨损可能会受到平均合闸速度的影响，如果合闸速度太快的话，可能会导致合闸弹跳，从而使操作机构的输出功率增大，可能会影响真空断路器的使用寿命，但是如果合闸速度太慢的话，燃弧时间会被加长，相应的熄弧过程中其触头的电磨损也会增加，最终可能会使其使用寿命降低，所以其一般会选在0.6m/s以内。2.3.4分、合闸时间真空断路器的分闸时间指的是从断路器收到分闸命令开始，到灭弧触头刚分离的这一段时间称为分闸时间，其中包括灭弧时间以及固有时间；相应的其合闸时间指的是从操作机构线圈得电开始，到触头全部合上的这段时间称为合闸时间，该参数表示的即为断路器操作性能，对于规格不同的断路器来说，该参数一般不同，但是都要求其动作迅速，而分、合闸时间通常出厂时已设置好，在相应的手册中可以查出。2.3.5真空断路器的回路电阻真空断路器在长时间的运行中，其导电部分的温升不能超过相关规定的值，而真空断路器运行过程中的温升主要与其回路电阻有关，所以真空断路器的回路电阻可以反映其电联回路的联接的好坏，不同类型的断路器都有其规定范围，当其回路电阻超过范围时，可能是断路器导电回路中某处联接有问题，大电流运行情况下此处可能会发生局部温升倍增，优势可能会导致其烧损，所以在实际运行中，测量真空断路器的回路电阻很有必要，对于回路电阻的测量，以往由于条件的限制而常用双桥法进行测量，但是其测量结果误差较大，所以目前一般都规定采用精度更高的直流压降法而放弃采用双桥法，如果测量结果满足其阻值要求，就可以保证真空断路器的温升不超过规定的范围。2.4 章节小结本章主要简单地介绍了真空断路器的发展、优缺点以及其组成机构和相关参数等方面的知识，从而更加深刻地了解了真空断路器，并且有助于下文对其深入研究。3 真空断路器触头电寿命的监测方法及方案选择3.1 关于真空断路器触头电寿命的折算方法的研究真空断路器的电寿命即为断路器不经检修时的开断能力，与以往的油断路器的“电寿命”不同的是这类开关在规定年限内不用检修4，所以真空断路器一般都需要进行电寿命实验来确定其大致寿命，但在长期的使用当中会出现很多状况会影响其电寿命，而影响真空断路器电寿命的因素主要有真空灭弧室的寿命、触头以及灭弧介质，但是其中主要影响断路器电寿命的就是其触头的电寿命即电磨损5，而影响其电磨损的主要因素有燃弧时间和开断电流大小，直接测量其触头的电寿命目前还不能实现，只能通过相关因素进行近似和折算，所以目前已有的几种折算触头电寿命的方法通常都与开断电流有关，比如累计开断电流法、开断电流加权法等方法6。3.1.1累计开断电流法由于影响真空断路器触头电磨损的主要因素是其开断电流大小与燃弧时间，所以最早提出了累计开断电流的方法。其计算公式为：Q=1NIikd (3-1)(3-1)式中，Q为真空断路器电损耗的总量，N为额定开断电流时的开断次数，Iikd为单词开断时的电流值，而这种方法经过试验之后被证明其并不准确，因为断路器的电损耗不单单与开断电流的累计值有关，还与其大小和燃弧时间有关，比如30kA30次与3kA300次，其累计值均为900kA，但是前者灭弧室损耗很大，而后者损耗却很轻微，所以又有了(3-2)式的改进：Q=1NIikd2ti (3-2)(3-2)式中，其余参数意义不变，ti为单次开断的时间，由于这种方法测量较为简单，在初期应用较为广泛，但是经过后期实践证明，采用这种方法是所得到的测量结果不够精确，误差较大，灵敏度较低，后来在实际监测中并不常用。3.1.2累计开断电流加权法累计开断电流加权的方法不止考虑开断电流，同时也兼顾到灭弧介质以及触头材料等因素对真空断路器触头电损耗的影响，是目前使用比较广泛的一种方法，其公式为：Q=1NIbikd (3-3)Qg=NIbikd (3-4)在公式(3-3)和公式(3-4)中，Qg代表真空断路器允许的电磨损的总量，Ibikd表示真空断路器单词开断的电流值，为常值，取值在1,2之间，而一般会取2。由于这种方法可较多考虑实际情况中的一些因素，所以目前采用较为广泛。3.1.3相对电磨损法经过大量的实践以及实验，人们总结出了触头的相对电磨损的概念以及其相对电寿命的算法，断路器触头的电损耗主要受燃弧时间和开断电流的影响，尽管在单词开断时断路器燃弧时间是随机的，但对于多次开断时，根据数学统计原理的分析，断路器的平均燃弧时间会趋于一个常数，其公式为：Qg=MN=mN1 (3-5)QM=1/N (3-6)Qm=1/N1 (3-7)L=L1-Qm (3-8)在以上四个公式中，Qg表示的是断路器触头的总磨损量，而Qm表示的是单次开断时的磨损量，对应的QM表示的是在额定开断电流情况下的单次开断的磨损量，N表示额定开断电流情况下真空断路器所允许的开断次数，N1表示其允许的开断次数7，L表示真空断路器的相对电寿命，L1表示其电寿命的初值。由于真空断路器的燃弧机理较为复杂，计算困难，而这种方法将燃弧时间用数学统计的方法转变为一个常值，这样计算还是缺乏精准性，但是对于工程计算来说有很好的应用价值。3.1.4累计开断电流加权改进的方法除了开断电流之外，这种方法充分考虑了燃弧时间，其公式为：QZ=K1N0tai|ibi|dt (3-9)在公式(3-9)中，K为一常数值，其取值与断路器触头材料和灭弧介质等有关，为常数，其取值与断路器触头的材料有关，大小在1，2之间，但通常取28，由于考虑了燃弧时间，这种方法测量出的抽油电寿命较为精准，但是实际应用中，测量装置较为复杂，应用比较繁琐，所以推广程度并不高。3.2 方法选择以上提到了几种真空断路器电寿命抽头在线监测的方法，累计开断电流法在长期实践中被认证明其测量可靠性不高，现在几乎已经被淘汰，而期改进法充分考虑了燃弧时间，而不是简单的开断电流和开断次数的累计，其精准度较高，但是其测量设备较为复杂，投入也较大，所以目前这种方法也并未被广泛使用，综上所述，本次毕业设计即采用累计开断电流加权法，这种方法测量结果相对准确，测量过程也并不复杂，容易实现，所以采用这种方法。3.3 在线监测的选择对于真空断路器触头电寿命实施在线监测，即在不断电的情况下对其进行实时监测，从而可以发现其在运行时发生的故障，比起在断电情况下的离线监测，这种方法可以发现在断电时无法检测出的故障，本次毕业设计也采用在线监测的方式，实时采集电流信号，配合累计开断电流加权的方法对其触头电寿命进行监测。3.4 具体方案的选择与实施3.4.1设计预期目的在充分了解真空断路器相关原理及参数的基础上，选择一种合适的监测方案，以单片机为核心，实现对真空断路器触头电寿命的在线监测。（1）方案选择合理，能够达到监测标准；（2）电路设计简洁明了，并且在实现功能的基础上追求经济性；（3）达到实时在线监测的目的，系统能够迅速测量和反应；（4）能够实现电流采集的精确性和快速性，并且实时通过数字显示开断次数以及断路器剩余电寿命；（5）系统运行稳定，出现失误的次数尽量减少。3.4.2主要思路通过查阅资料和相关文献，在了解了几种方案之后，选择其中一种较合适的方法来监测断路器触头的电寿命，然后以单片机为核心，加上配电控制模块、电源模块，电流测量模块，显示模块以及报警电路等设计一个电寿命在检测的系统。单片机报警模块显示模块电源供电电流采集配电控制图3.1 系统简单结构图（1）以单片机作为核心，选用STC12C5A60S2型芯片，可以控制整个电路；（2）真空断路器的动作情况通过继电器来模拟，及断路器触头的开断用继电器的动作来模拟；（3）通过电流互感器来测量机电的信号，然后将其送到单片机，通过单片机来实现在线监测；（4）单片机采集到信号之后，通过液晶显示电路显示电流开断次数和剩余寿命，通过按键的配合是显示部分可以显示A、B、C三相的情况；（5）蜂鸣器和三极管组成报警电路，在其寿命低于预设值之后报警；（6）通过KeilC51来编写其程序部分。整体思路即为以STC12单片机的最小系统作为整个系统的控制部分，在晶振的作用下，单片机得以正常运行，通电之后，在按下动作键之后，继电器上电动作，此时继电器的开断电流经过电流互感器而被采集到，这个信号经过单片机内部自带的AD转换器之后将这个传给单片机9，单片机处理完毕之后便会通过液晶显示出断路器的开断电流跟剩余寿命，当寿命值低于预设值时，报警电路就会报警，即蜂鸣器发出声音报警提示，从而实现真空断路器触头电寿命的在线监测。3.4.3确定方案（1）经过分析和比较之后，真空断路器触头电寿命的折算方法选择的是测量精度较高且复杂程度不高的累计开断电流加权法；（2）监测系统以STC12型号单片机为控制核心；（3）以继电器来代替真空断路器，用继电器的通断来代替断路器的通断；（4）使用电流互感器来采集继电器的电流；（5）使用LCD1602于按键配合显示各相的情况；（6）蜂鸣器作为报警电路在必要时报警提示。3.5 章节小结本章主要介绍了本次毕业设计大致方案的选择，在介绍了几种常用的真空断路器触头电寿命的计算方法的基础上，通过比较其利弊而选择出了一种最为合适的方法，即累计开断电流加权法以及在线监测，并且经过分析，以模块化思路处理电路，制定一套真空断路器触头电寿命在线监测的大致方案。4 硬件的设计及其制作在方案确定之后便开始着手硬件电路的设计与制作，而设计跟电路板的制作都遵循模块化处理的原则，从各个分电路入手来提高效率。4.1 电源模块电源模块要达到的目的就是将220V的交流电转变为一个直流的低电压，从而达到为整个系统供电的要求，主要会用到稳压芯片等。4.1.1器件选择（1）选择变压器一台，能将AC220V转化为AC15V；（2）本次设计中稳压芯片选择的是LM7812、LM7912以及LM7805三种型号的三端稳压芯片，由于在后续整流电路中所用到的LM358运算放大器要求12V的供电，所以会用到LM7812以及LM7912这两款芯片，其中“78”表示输出为正，“79”则为负，后两位“12”表示的是12V电压；而由于单片机的正常运行需要5V供电，所以会用到LM7805芯片；（3）还会用到不同型号的电解电容和瓷片电容，主要用来滤波和去除毛刺，使输出直流更加平稳；（4）二极管若干，用来整流；（5）LED灯若干，作为电源指示灯；（6）电阻若干。4.1.2主要电路（1）整流电路：图4.1 整流电路220V的交流电在经过变压器之后被转化为15V的交流电压，由于后续电路中其他芯片的供电要求，所以需要一个整流电路将其整流成一个直流电压，所以就需要用到如图的单相桥式全波整流电路，二极管选择耐压较大的1N4007，经过整流桥初步整流之后，15V的交流电便会被整流成为一个脉动的直流。（2）稳压电路：图4.2 稳压电路经过初步整流后的直流电还需要进一步整流，图4.2中，容量较大的电解电容可以起到滤波储能的作用，可以滤掉低频信号，使脉动的直流更加平整，然后再经过小的瓷片电容，可以滤掉高频信号，从而去掉尖峰和毛刺，使其更平整，图中稳压芯片的输入输出端会加一个二极管，可以使其输出的电压更加稳定。（3）电源指示灯电路：图4.3 电源指示灯电路为了直观地体现出经过整流之后的直流电压是否正常通断，所以用LED灯以及限流电阻来组成的简单的指示电路，即在通电之后LED灯便会亮起，意味着电源可以正常供电，其中电阻的作用即为限流，以此避免LED灯烧坏。（4）预留接口：图4.4 预设接口通过排针，多留几个12V、 5V以及接地端的的接口，这样方便后续电路使用。4.1.3注意事项（1）电容的选择要考虑其耐压值，留有足够的余量，同时极性电容要注意其白色端为负极，另一端为正极；（2）由于发热较大，稳压芯片要加装散热装置，而需要注意的是LM7805芯片要加装大一些的散热片，因为其前与前级输入电压间存在较大的压差，发热会更加严重，所以需要加装更大的散热片；（3）电源指示电路中，限流电阻的选取要考虑LED灯对电流的承受能力，普通指示用的LED灯的工作电流一般为5到10毫安，所以指示12V电压的指示灯的限流电阻选在5k，同样的指示5V的则选在3k。4.2 电流检测模块本次设计要达到的目的即为对真空断路器的电寿命进行在线监测，而其核心问题即为电寿命的监测方式，此次设计选择了累计开断电流加权的方法，用这种方法将其触头电寿命的计算转化为对电流的检测采集，由于选择了这种折算方式，所以本次设计的核心部分即为电流的检测，电流检测通过电流互感器来实现。4.2.1器件选择（1）电流互感器的选择：继电器的电流直接测量比较困难，所以选择用电流互感器来间接测量，电流互感器的理论依据为电磁感应理论，其结构较为简单，通常由铁芯、外壳、互相绝缘的两侧绕组以及接线端子等部分组成，二次绕组的线圈匝数远大于一次侧的，根据匝数比与对应电流比值成反比的原理，就可以使被测电流减小，电流互感器的变流比是由一、二次侧的匝数所比决定的，即其变流比为一、二次侧线圈匝数的反比。本次设计采用的DL-CT3C2.0型电流互感器的电流比为2000:1，它可以将220V的交流电经过电磁感应之后降为较小的电流信号，其耐压较高，测量较为准确。（2）继电器的选择：继电器通常由线圈跟动作机构组成，动作机构通常由衔铁跟触点簧片灯构成，其线圈在得电之后，由于有电流通过线圈，在电磁效应的作用下，会产生一个电磁的吸引力，在磁力作用下，衔铁会吸向铁芯，同时使其常开触点闭合或者常闭触点断开10。本次设计通过继电器来控制线路开断，从而由单片机记录其开断次数，本次设计采用的继电器型号为SRD-05VDC-SL-C，满足设计要求。（3）运算放大器的选择：运算放大器是具有很高放大倍数的电路元器件，其内部由许多三极管构成，运放在实际使用时不会单独使用，而是会结合电阻电容等元件形成反馈网络从而实现某种功能，它的出现可以使很多问题变得简单，比如它可以实现信号放大、大小比较、精密整流、阻抗变换、I-V变换、滤波、电压信号与频率信号的转换等，本次设计中，I-V变换、精密整流滤波以