（电机与电器专业论文）基于atmega16的断路器机械特性测试仪的研制.pdf

基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 d e v e l o p m e n to f m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c si n s t r u m e n tf o rc i r c u i t b r e a k e rb a s e do na t m e g a l6 a b s t r a c t v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r sh a v e b e e nw i d e l ya p p l i e di np o w e rs y s t e m ，a st h em o s tc r u c i a l r o l ei ns w i t c h i n ge l e c t r i c a le q u i p m e n to fp o w e rs y s t e m v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec o n t r o la n dp r o t e c t i o ni ne l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o np 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 y o 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 a c u u mc i r c u i tb r e a k e r s m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c si n s t r u m e n tf o r v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r sc a nb eu s e dt om a k ep o w e rt r a n s m i s s i o n1 1 1 1 1c o n t i n u o u s l ya n d e f f i c i e n t l y ，t or e d u c et h ef a i l u r er a t eo fe q u i p m e n t sa n dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs w i t c h e s b a s e do nt h er e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i ca n dt r e n do ft e s t i n gf o rc i r c u i tb r e a k e r ，an e w m e a s u r i n gs y s t e mo fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sf o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r i sp r o p o s e d , w h i c h w i l lh e l pt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a i n t e n a n c ea n dr e a l i z et h es t a t em a i n t e n a n c e i th a s g r e a ts i g n i f i c a n c ei na s p e c to fe c o n o m ya n dt e c h n i q u e f i r s t l y , t h es t r u c t u r eo f t h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e ra n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea r ea n a l y z e d i nt h i sp a p e r t h e n , t h ee f f e c t so fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i e so nv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r sa r e d i s c u s s e d a n do nt h i sb a s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h et e s t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l a sw e l la st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h i sp a p e r ，a t m e g a l6i sa p p l i e da st h e c o r ei nw h o l es y s t e m ，w h i c hi so n eo fa v rs e r i e sh i 曲p e r f o r m a n c ec h i p s a n dt h e p e r i p h e r a lh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t sa n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i t s a r ed e s i g n e d 1 h e t e s t i n gs y s t e ms e l e c t st h eg r a t i n gs c a l eo fs r 一1a st h es a m p l ea c q u i s i t i o nu n i t ，a n dd e s i g n sa s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t a f t e rh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g n e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e p r o g r a mi sd e v e l o p e d l a s t l y ，r e l e v a n te x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e ，a n dt h ed a t e sh a v eb e e n c a l c u l a t e da n dp r o c e s s e d 硼1 er e s u l t so ft h er e l e v a n tm e a s u r i n ge x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt 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 si n s t r u m e n tf o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r sc a l lr u ns t e a d i l y , t h em e a s u r i n gm e t h o d i ss i m p l ea n dt h er e s u l t sa r ee x a c t 皿em e a s u r i n gs y s t e ma l r e a d ya c h i e v e st h ea n t i c i p a t e d e f f e c t ，a n dh a sab e t t e rb a n a u s i cv a l u ea n da p p l i e df o r e g r o u n d a n di t a l s op r o v i d e ss o m e u s e f u le x p e r i e n e ea n dt h er e f e r e n c ef o rt h ef u t u r er e s e a r c h w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s e n s o rt e c h n o l o g y ，s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h et e s t i n gt e c h n o l o g yf o rm 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 m 一一 c i r c u i tb r e a k e rw i l lg e tm o r ec o n s u m m a t i o na n di m p r o v e m e n t , w h i c hw i l lp r o m o t e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fi n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r m c u k e yw o r d s ：v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r ；m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；g r a t i n gs c a l e ；a v r - i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：墓至虹嘭垒益垒出趁鍪盘盘盘缝选速i 遮丝2 堑型 作者签名： 型。主圣i 刍日期：兰竺12 年l 月三l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题研究的目的和意义 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力需求 越来越多，促进了电力事业迅速发展。电网不断扩大，用户对供电质量和供电可 靠性要求越来越高。电力法的公布和贯彻执行，更加要求电力供电部门提供安全、 经济、可靠和高质量的电力【l 】。 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。作为电力输 配电系统中应用最为广泛的开关电器设备，真空断路器以其灭弧能力强，绝缘强 度高，无污染，体积小，重量轻，使用维护方便等优点，多年来成为无油化发展 的替代品，在中压开关领域保持领先地位。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 。随着科技水平的提 高，研究的深入，真空断路器正在向大容量大电流方向发展，并已取得了不少的 进展。由于其在电力系统中的数量和肩负的任务，其运行状态的好坏将直接影响 着电力系统的安全运行【2 训。 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。国际大 电网会议对高压断路器的可靠性所作的两次世界范围调查以及我国对高压开关 事故统计分析表明，在高压断路器的故障中，机械故障( 包括操动机构和控制回 路) 占全体故障的8 0 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。断路器由于机械原因所造成的事故无论是在次数，还是在事故所造成的 停电时间上都占据总量的6 0 以上。设备费用与造成的各种损失相比，只占很小 一部分【5 】。因此，制造产品出厂检验和用户检修试验，都把机械特性参数的测试 作为重要的试验项目。设备交接及停电期间定期检修是减少其故障的传统解决办 法，但是对于设备运行中机械性能变坏则无法及时顾及，而且频繁的针对性不强 的检修试验和部件拆换，不仅耗费时间，耗费资金，还往往影响真空断路器的原 有稳定性，降低其利用率和可靠性，甚至会影响其正常运行，增加事故率 6 , 7 1 。 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 基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 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【引。 因此，采取必要的措施，对真空断路器实施状态诊断，及时了解其运行状况， 掌握其运行特性变化及变化趋势，改“计划检修”为“状态检修 ，对提高其运 行可靠性，保障电力系统安全，降低维护成本具有十分重要的意义【9 】。真空断路 器机械特性测试仪为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。状态检修不 再以投入年限和动作次数作为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修依据，能 及时了解真空断路器的工作情况，通过趋势分析，识别存在的故障，为维修人员 提供依据，减少维护人员的劳动强度，最大化地节省不必要的检修开支，提高运 行管理的智能化程度。此外，将来，智能化断路器将是一个发展趋势，真空断路 器机械特性测试技术的发展，将推动智能化断路器的进程。真空断路器机械特性 测试也是故障诊断技术发展的前提，其意义重大【1 0 】。 1 2 课题在国内外的发展与现状 1 2 1 真空断路器的发展与现状 对真空绝缘的研究开始于1 9 世纪，到1 9 世纪末人们发现真空可以作为灭弧 介质，但是，受到真空密封技术和冶炼技术的限制，要达到高度真空和使金属材 料内气体杂质降低，当时还缺乏相应的技术手段，使得在真空状态下的电流开断 设计无法实现。 1 9 2 6 年，美国s o r e n s e n 教授实验室利用真空灭弧室成功地开断了4 ，1 5 k v 、 9 2 6 a 的交流电流，这就是现代真空断路器的雏形。进入3 0 年代，美国g e ( 通 用电气) 公司开始研制真空开关。5 0 年代中期，由于真空检漏技术，玻璃、陶 瓷与金属的气密封接技术，金属波纹管制造技术和高纯度金属冶炼技术的相继成 熟，真空断路器进入了实用阶段。1 9 5 9 年，美国g e 公司首先研制成功1 5 k v 、 2 0 0 a 、6 0 h z 平板电极触头灭弧室；1 9 6 0 年开始试制沿触头边缘开螺旋槽灭弧室， 将磁场引入灭弧机构，使真空断路器技术迅速发展。1 9 6 1 年，世界上第一台商 业电力真空断路器( 1 5 k v ，6 0 0 a 1 2 k a ) 由美国g e 公司推出。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 真空断路器在1 9 6 3 年正式投入使用以来，日、美、英等国的真空断路器相 继达到商品化生产。1 9 6 7 年，英国a e i 公司制成1 3 2 k v 、1 5 3 k a 、8 断口真空 断路器，开始大规模用于输电系统。从7 0 年代开始，中压级( 7 2 k v 3 6 l ( v ) 真 空断路器逐步取代过去的油断路器，而且在同s f 6 断路器的竞争中处于优势。 我国于6 0 年代开始研制真空断路器，6 0 年代后期，北京开关厂研制铜铋铈 触头材料成功，满容量连续分断3 0 次成功。7 0 年代末，开始生产和使用真空断 路器。但是初期产品的开断容量不超过1 7 3 k a ，其灭弧室结构、触头材料、真 空工艺与国外产品相比差距很大，加上当时难以克服的截流过电压、重燃过电压 和开断后断口绝缘水平下降产生的重击穿问题，使得真空断路器的推广使用受到 限制。 在国内真空开关发展过程中，西安高压电器研究所、沈阳高压开关厂、平顶 山开关厂、7 7 7 厂、4 4 0 1 厂等单位都做出了很大贡献。8 0 年代初，我国相继从 德国西门子和美国西屋电气公司引进真空断路器、真空灭弧室和触头材料等先进 技术，采用纵磁场灭弧使7 2 k v 1 2 k v 级产品开断电流达4 0 k a - 5 0 k a ，额定电流 3 1 5 0 a ，机械寿命2 0 ，0 0 0 次，并使断口绝缘水平优于国外水平。1 9 9 2 年开始， 真空断路器在全国电力系统全面推广使用。 目前，我国真空断路器型号已达5 0 余种，生产厂上百家。电力部已确认真 空断路器在1 0 k v - 3 5 k v 系统中作为无油化的替代产品。在确实保证真空断路器 灭弧室和操动机构的性能稳定，同时还应继续提高开断电流，增大额定电流；提 高断口电压；缩小灭弧室尺寸，加大沿面爬距；降低成本，提高触头电寿命和机 械寿命【1 1 i2 1 。 1 2 2 真空断路器测试技术的发展与现状 目前高、中、低压大电流开关设备更新换代加速，新产品的研发十分活跃， 必然对测试设备提出新的要求。先进的实验设备对新产品的研制，生产质量控制 是至关重要的。世界上一些高压开关设备的生产公司的实验基地和实验站拥有最 新的测试、控制、和监视技术，以及最现代化的测试数据处理设备。断路器在电 力系统中的地位，决定了断路器机械特性测试仪的迅速发展【1 3 】。 断路器的测试技术随着相关行业技术的更新，有了迅速的发展。与变压器、 发电机等设备的测试技术相比，断路器测试技术起步较晚，直到9 0 年代以后断 路器测试技术才逐渐发展起来。随着供电电压的提高，高压断路器对介质有了特 殊的要求，油、真空、s f 6 高压断路器的出现使得高压断路器的维修更加困难， 随后有人提出“状态维修的概念，用状态维修替代计划性维修，克服维修的盲 目性，同时最大化的节省维修费用。6 0 年代中期，g i s 技术的应用，使得其核 一3 一 基于a t m e g a l6 的断路器机械特性测试仪的研制 心电力元件高压断路器的检修更加困难，所以必须对其中的高压断路器进行 机械特性测试才能做到维修量最小和维修费用最低。“状态维修”概念的提出和 g i s 的广泛应用促进了断路器测试技术的发展。此外，9 0 年代半导体技术和新 的检测技术的飞速发展，为断路器机械特性的测试创造了条件【1 4 】。 据资料介绍，美国于1 9 9 5 年颁布了“电气设备绝缘诊断方法导则 ，现己 转向以机械特性测试为主，并已制定出有关标准。日本上世纪8 0 年代开始进入 以机械状态监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，并积 累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的方法。目前，一些发达国 家对高压开关设备的机械特性测试技术己日趋成熟，并且已有了功能较齐全、抗 干扰性较高的产品，并且正向大规模的专家诊断系统方向发展。 近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性测试和故障诊断方面 的研究工作，其技术水平也有了巨大的进步。与此同时断路器的机械特性测试仪 也进入了飞快发展的阶段。不过，目前真空断路器还没有形成比较完善的测试系 统。 1 3 测试仪的目标及存在的问题 随着信号处理技术、微电子技术、传感器技术以及计算机技术的快速发展， 一些新理论、新测量手段的开发、运用，为真空断跷器机械特性的测试提供了技 术基础。未来的断路器机械特性测试应能满足如下条件【悼1 9 】： ( 1 ) 更高的测试精度：真空断路器操动机构结构紧凑，目前还没有较为理 想的位移传感器既能安装方便、运行可靠，又能真实准确地检测行程信号，需要 使用高精度的传感器元件测试。 ( 2 ) 更快的传输速度：传统的串行口r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 接口传输速度慢， 抗干扰能力相对较弱，随着现场测试记录数据量的增大，通信所用的时间则越来 越长，传统的串行通讯已经不适应现有的大量数据快速传输的需要，应使用一种 新的通讯方式与p c 机连接方式提高传输速度。 ( 3 ) 数据分析更加方便准确：多数系统局限于研究断路器的电气或机械某 一方面的特性，缺乏系统性和综合性；以往测试装置所关心的是机械参量的计算 结果，而对机械运动过程关心不多。未来的测试设备应该能够显示断路器动作全 过程的波形，可以分析波形任意一段的时间和斜率，并能随时记录分析的图形和 结果。 ( 4 ) 更有效的抗电磁干扰技术：断路器现场运行环境非常苛刻，测试单元 工作在高电压、强磁场的环境中，必须具有良好的电磁兼容性能。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 更广泛的适应性：对应于目前各厂家速度定义的多样性，测试系统应 能适用于国内外各厂家生产的真空断路器、六氟化硫断路器、少油断路器等产品 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。 ( 6 ) 更好的数据管理方法：现有的测试单元可以测量分、合闸特性曲线， 对于机构的状态仍然仅能做出好或坏的判断，却无法判断出故障发生的部位；缺 乏足够的数据积累，故障诊断的分析能力也不足。未来的测试系统要具备较大的 数据存储容量，能够大容量的存储数据，使试验数据存储和历史数据查询都非常 方便。 ( 7 ) 更高的性能价格比：现有的机械特性测试仪装置在实际应用中测试单 元寿命过短，安装维护困难，价格过高，精度不够高【体1 9 】。未来的测试设备要具 有更好的性能和更诱人的成本优势。 1 4 课题需要解决的关键技术问题 本课题的难点及所需解决的关键问题： ( 1 ) 真空断路器机械操动机构结构紧凑，需要选择较为理想的测量行程信 号的传感器安装在操动机构上，既要真实地反映其行程特性，又不影响其原有性 能、参数及可靠性，并且传感器要能稳定运行，可工作在高电压、强电流、强振 动和温差大的环境下。 ( 2 ) 真空断路器在分、合闸过程中，动触头有弹跳过程，必须采用适当的 方法进行方向判断，记录下弹跳的时间和位移，否则会将负方向运动的脉冲当作 正方向的脉冲进行累加，产生误差。 ( 3 ) 真空断路器分、合闸动作过程非常短( 几十毫秒) ，而现场采集的信 号很多，信号的频率有很大的差别，给系统的数据采集带来很大的难度，且各个 信号之间存在着相互的换算关系，因此要求系统的实时性强，即在较短的时间内 对各信号准确无误地测量并完成数据计算、存储，这是本课题的一大难点。 ( 4 ) 真空断路器在实际运行进行合、分闸操作时产生强烈放电和机械振动， 对整个系统造成很强的电磁干扰。因此，如何采取有效的抗干扰措施，使现场监 测单元能可靠运行，并且测试结果能够真实准确地反映真空断路器机械特性参数 变化信息也是课题的难点之一。 1 5 论文结构和主要研究内容 本文以测试真空断路器机械特性为目的，以工程应用为出发点，从断路器基 本结构及工作原理、断路器机械特性测试技术、传感器的选择、基于a t m e g a l 6 基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 的真空断路器机械特性测试系统软硬件设计及相关实验等几个方面展开研究和 探讨。本文内容主要包括： 第一章绪论，介绍了断路器机械特性测试的必要性及意义，简述了目前断路 器机械特性测试发展的现状，分析了断路器机械特性测试仪的目标及存在的问 题，要解决的关键技术问题，为课题的研究指明了方向。 第二章详细介绍了真空断路器的结构及其工作原理。在此基础上明确了真空 断路器机械特性参数的定义，说明了机械特性对断路器性能及动作过程的影响。 由于对合分闸速度的定义不同，速度参数的确定也不同。本章给出了明确的定义， 为测试仪的设计打下了基础。最后又明确了本文设计的测试系统需要采集的信号 与确定的机械参数，并说明了确定参数的方法。 第三章是本文的核心，本章首先介绍了真空断路器机械特性测试仪的总体设 计方案，在此方案基础上选择确定了主控芯片为a v r 系列单片a t m e g a l 6 与测 试位移传感器为s r - i - 1 0 2 0 2 1 0 j 3 5 f 2 4 e 型光栅尺。并对硬件系统进行详细的分 析与设计。 第四章在设计的测试仪硬件电路平台上，进行了软件系统的设计。软件系统 采用结构化和模块化设计方法，详细分析并设计了测试仪系统的各功能模块的软 件程序，并给出了相应的程序流程。 第五章对测试仪系统进行了全面的调试，并在室内1 0 k v 真空断路器上做了 空载试验，记录下了实验数据。经过实验测试，机械特性测试仪的测试结果达到 了预期的设计目标。 本文最后对全文做出总结，并指出真空断路器机械特性测试仪设计尚需深入 研究的内容。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 真空断路器机械特性测试仪的设计原理 本章以真空断路器的工作原理为出发点，介绍了断路器的机械特性的定义， 对机械特性的影响进行了详细分析，并具体分析了机械特性关键参数的确定，这 也是真空断路器机械特性测试仪设计的理论基础。 2 1 真空断路器的工作原理 ( 1 ) 真空断路器概述 真空断路器因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是真空而得名；具 有体积小、重量轻、灭弧能力强、绝缘强度高、使用寿命长、适用于频繁操作、 灭弧室不用检修等优点，在配电网中应用较为广泛。 目前，我国己进入真空断路器生产大国的行列，真空断路器技术也达到较高 水平，但也有不少真空断路器厂生产设备落后，生产经验不足，产品质量波动大。 同发达国家的同类产品相比，断路器的可靠性有较大差距，突出表现为：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，差距还比较大。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、维护【2 们。 ( 2 ) 真空断路器的结构 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，是高压断路 器的一种。真空断路器按其结构的功能可分为六个部分： 支架：安装各功能组件的架体。 真空灭弧室：实现电路的关合与开断功能的熄弧元件。 导电回路：与灭弧室的动端及静端连接构成电流通道。 传动机构：把操动机构的运动传输至灭弧室，实现灭弧室的合、分闸操 作。 绝缘支撑：绝缘支持件将各功能元件，架接起来满足断路器的绝缘要求。 操动机构：断路器合、分间的动力驱动装置。 其中，真空断路器的传动链一般由机构传动连杆、拐臂、主轴、绝缘推杆、 三角拐臂和触头弹簧装置等构成。操动机构通过绝缘拉杆、触头弹簧等同真空灭 弧室的动导电杆相连，带动导电杆运动完成合、分闸操作。 一7 一 基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 ( 3 ) 真空断路器的工作原理 真空断路器运用真空灭弧机理，通过操作、传动机构驱动接入高压回路的动 触头在真空介质中与静触头对接闭合或分开，以实现所控制电路电流的接通及断 开。本文分别以配用电磁机构和永磁机构的断路器，分析断路器的工作原理。 以配有电磁机构的z n 2 8 a 一1 0 真空断路器为例，其结构如图2 1 所示，断路 器的操动机构是弹簧结构，弹簧机构是利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的 机械操动机构【2 1 1 。 1 开距调整垫2 主轴3 触头压力弹簧4 弹簧座5 接触行程调整螺栓6 拐 臂7 导板8 倒杆9 动支架1 0 导电夹紧固螺栓1 1 真空灭弧室1 2 真空灭弧室紧固螺钉 1 3 静支架1 4 ，绝缘子1 5 绝缘子固定螺钉1 6 绝缘杆1 7 1 8 螺钉 图2 1z n 2 8 a 一1 0 型真空断路器结构 f i g 2 1 s t r u c t u r eo fz n 2 8 a 一10v a c u u mc i r c u i tb e a k e r 合闸时，操动机构合闸线圈通电一合闸铁芯动作一机构及传动连杆动作一开 关主轴转动一绝缘推杆前推一三角拐臂转动一下压触头弹簧装置一灭弧室动导 电杆向下运动使触头接触一触头弹簧压缩至接触行程终点。与此同时，机构的辅 助开关切断合闸接触器线圈电源，分闸弹簧拉长贮能，电磁机构的扣板由半轴扣 车保持在合闸位置，合闸结束。 分闸时，机构中的分闸线圈通电一分闸铁芯动作一扣板与半轴脱扣一断路器 在触头弹簧和分闸弹簧的作用下迅速分断一机构的辅助开关切断分闸线圈电源 一机构复原，并由分闸弹簧保持在分闸位置。 以配用永磁机构的v m l 型真空断路器为例，介绍真空断路器的台、分闸操 作过程。图2 2 为v m i 型真空断路器的结构图。 1 主轴2 绝缘拉杆3 触头压力弹簧4 软连接5 下出线端6 环氧树 脂包封7 真空灭弧室8 上出线端9 手动紧急分闸1 0 分闸线圈l l 动铁心 1 2 永久磁铁1 3 台闸线圈1 4 位置传感器1 5 行辑调节 图22 v m l 型承磁操动真空断路器结构图 f i g2 2 t h es t r f l c t t i i i e o f v m lv a c u u m c i r c u i t b r e a k e r 断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中没有电流通过，永久碰铁利用动、静 铁心提供的低磁阻通道将动铁心保持在上或下极限位茕。 永磁机构处于合闸状态时，当分闸线圈中通以直流电时，该电流产生磁力线 方向与永磁体在静铁心上端的磁力线方向相反的分闸励磁磁场，同时使动铁心受 到向下的作用力。随着分闸线圈中的电流增大，动铁心所受的吸力之和小于动铁 心上的机械负载( 作用在动铁心上的触头压力) 时，动铁心开始向下运动。随着 动铁心向下运动，动铁心上端与静铁心上磁极之间出现空气间隙，上端的磁阻增 大，f 端磁阻减小，于是动铁心作加速度增大的变加速运动，直至分闸到位。位 置传感嚣反馈信息到控制电路，分闸线圈断电，完成分闸过程，并依靠永磁体产 生的磁场，使铁心保持在分闸状态。 合闸过程和分闸过程相反：当在合闸线圈中通以直流电时，合闸线圈中的电 流在下部间隙产生反磁场，动铁心上受到的总吸力减少，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，动铁心重新为永磁铁吸合， 保持在台闸位置，台闸过程结束。 基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 2 2 机械特- i 生参数对真空断路器性能的影响 2 2 1 机械特性参数的定义 本文结合分、合闸机械特性示意图，阐述相关机械特性参数的定义并分析其 对真空断路器性能的影响。图2 3 为分闸机械特性示意图，图中上部为a 、b 、c 三相主触头的状态，实线由高到低变化表明动触头和静触头处于分离状态，分闸 不同期性定义为首极开始分断到所有极触头都可靠分断为止的时间之差。图中中 部为分闸操作行程时间曲线，分闸线圈通电，断路器由合闸位置移动到分闸位 置，曲线清楚地表明了各位移关系。图中下部为分闸线圈电流曲线，坐标原点为 线圈通电时刻。 触头信号 行程( 胁 电流( a 图2 3 分阐机械特性示意图 f i 醇3 m e c h a n i e mc h a r a c t e r i s f i c so f0 p 饥m g 叩e r a f i o n 图2 4 为合闸机械特性示意图，图中上部为a 、b 、c 三相主触头的状态， 实线由低到高变化表明动触头和静触头处于接触状态，合闸不同期性定义为首极 开始合到所有极触头都可靠闭合为止的时间之差。图中中部为合闸操作行程时 间曲线，合闸线圈通电，断路器由分闸位置移动到合闸位置，吐线清楚地表明了 各位移关系。图中下部为合闸线圈电流曲线，坐标原点为线圈通电时刻。 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 合闸机械特性示意图 f i 9 2 4m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc l o s i n go p e r a t i o n 结合分、合闸机械特性示意图，相关机械特性参数的定义如下： 刚分速度：动触头在分闸过程中与静触头刚分离时的速度。 刚合速度：动触头在合闸过程中与静触头刚接触时的速度。 分闸平均速度：指动触头在分闸过程中，运动全程的平均速度。 合闸平均速度：指动触头在合闸过程中，运动全程的平均速度。 分闸最大速度：分闸全过程中的最大速度。 合闸最大速度：合闸全过程中的最大速度。 分闸时间：从接到分闸指令瞬间起到所有极触头都分离瞬间为止的时间间 隔。 合闸时间：从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间为止的时间间 隔。 触头开距：断路器处在分闸位置时，动静触头之间的距离。 触头超程：合闸操作时，从所有极触头都接触开始到合闸稳定位置为止的位 移。 基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 触头弹跳时间：在合闸过程中动静触头接触后由于弹力，再经过反复弹跳后 最终达到稳定的这段时间。 触头反弹幅值：分闸过程中，由于缓冲器的作用，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，最大振幅为分闸反弹幅值。 分闸不同期性：从首极开始分到所有极触头都分为止的时间之差。 合闸不同期性：从首极合开始到所有极触头都合为止的时间之差。 2 2 2 机械特性参数的影响 分闸速度越大，引起的分闸弹振越厉害，过冲也越厉害，对开关管波纹管的 振动、压缩也就越严重，容易造成波纹管提早损坏而漏气，同时，对整机的振动 也越大，容易造成零部件的损坏。 低合闸速度可以减少波纹管的颤动，简化关合过程的弹跳控制问题；高的合 闸速度可以减少预击穿时间、减少触头的电磨损量，降低预击穿期间的不稳定火 花放电造成的重复脉冲电压发生的可能性。 刚分速度过小，在一定熄弧距离下会延长燃弧时间，增加电弧释放的能量， 使触头灭弧室烧毁严重，在电网出现故障时，将扩大故障范围，损坏电力设备同 时将导致灭弧室压力显著增加。如果发生切不断电弧的现象，也就造成拒分事故。 而刚分速度过大也会给断路器的灭弧带来不利因素。在灭弧室机械强度承受不了 的情况下就会发生爆炸事故。而且速度过大，有可能出现动触头完全脱离灭弧室 而电弧尚未熄灭的现象，这时亦可引起断路器的爆炸。所以刚分速度也不宜过大。 刚合速度过小，说明机构功率不够。当动触头运动到离静触头一定距离的位 置时在断口分布电压的作用下，产生预击穿，使触头间产生电弧。这时由于关合 电流极大，触头烧毁很严重，有时甚至可出现触头烧焊事故，这就给再分带来了 困难，严重时会造成拒分事故。预击穿的出现还伴随着巨大的电动力，使刚合速 度进一步下降，这也容易造成关合不到底，严重时还会使断路器发生爆炸。刚合 速度过大，会使断路器受到很大的冲击和振动，以致机械寿命降低；同时还要求 操作机构提供更大的合闸功，这又给缓冲器的设计带来困难。最大合闸速度过大， 会降低断路器的机械寿命，特别是对于安装在开关柜内的断路器。过大的刚分速 度会引起强烈的振动，极易造成继电保护的误动。由于分闸弹簧的张力不够，最 大分闸速度过小，就会使刚分速度达不到要求。 如果分闸时间过短，开断时间也会变短，就会得到较高的直流分量，使灭弧 室的开断负荷加重；如果分闸时间过长，短路电流的热效应会使触头软化甚至熔 焊。 大连理工大学硕士学位论文 如果合闸时间过长，就会导致开关的预击穿时间过长，此时系统发生短路故 障，触头在短路电流的热效应作用下将会严重烧损；合闸时间过短可动部件的动 量也会随着合闸速度的上升而增加，产生合闸弹跳的可能性会增大。 触头的开距主要取决于真空断路器的额定电压和耐压要求，一般额定电压低 时触头开距选得小些。但开距太小会影响分断能力和耐压水平。开距太大，虽然 可以提高耐压水平，但会使真空灭弧室的波纹管寿命下降。设计时一般在满足运 行的耐压要求下尽量把开距选得小一些。1 0 k v 真空断路器的开距通常在8 1 2 m m 之间，3 5 k v 的则在3 0 - 4 0 m m 之间。为提高绝缘水平，应适当增大触头开距；为 适应频繁操作，提高真空断路器的寿命，应减小触头开距。 超程太小，不能保证触头在烧毁后具有的触头压力，开关的初始速度太小， 影响真空断路器的开断和动热稳定性，同时产生严重的合闸弹振；开关的接触行 程太大，将增加操作机构的合闸功，或者使合闸变得极不可靠。 触头合闸弹跳时间越小，其性能越好，弹跳时间越长，触头的电磨损越严重， 越容易产生合闸过电压。合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生l c 高频振 荡，振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏。 如果分闸反弹过大，使动、静触头间的绝缘距离瞬间无法满足承受恢复电压 的要求，就可能导致开断后的重击穿，使开断失败，同时使波纹管由于受大振幅 的强迫振动而过早出现裂纹导致灭弧室漏气，影响寿命。 如果断路器的分闸不同期性不好，就会导致首开相、后开相不能均匀分布在 三相上，首开相电流负荷重，后开相燃弧时间加长，妨碍真空断路器的开断性能。 如果断路器的合闸不同期性不好，就会导致设备的缺相运行时间过长，缩短 设备的使用寿命，同时也会导致开关触头烧损不均。合闸的不同期性太大容易引 起合闸的弹跳，因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受 2 2 - 2 5 1 。 2 3 测试系统需采集的信号 本课题的任务是测量出真空断路器在分合闸动作过程中的机械特性参数，这 其中有时间参量、速度参量，也有位移参量，而三者又有换算关系( s - v t ) ， 知道其中两项就可以求得第三项，因此，本设计结合单片机的功能和传感器采集 信号的特点，选择时间参量和位移参量作为测量记录对象。最关键的是确定真空 断路器相关动作时刻在分、合闸操作时间序列中的位置，确定时间参量，由此再 结合各序列点的位移参量，结合参数定义及计算公式就可以方便地求得速度等各 项机械特性参数。 综合以上分析确定以下是本课题设计的测试系统需要采集的信号： ( 1 ) 分、合闸命令信号： 基于a t m e g a l 6 的断路器机械特性测试仪的研制 ( 2 ) 分、合闸线圈电流信号； ( 3 ) 主回路的电流、电压信号； ( 4 ) 真空断路器动触头的位移信号； ( 5 ) 真空断路器辅助触点的状态变化信号； ( 6 ) 真空断路器动触头的位移随时间变化的信号。 2 4 关键参数的确定 根据真空断路器运行时参数的定义来确定主要机械特性参数，也就是要通过 特性曲线的分析从原理上阐明系统对断路器运行参数反映的客观性和准确性。测 试与转换的是位移量、时间量、速度量，其中首先确定的是各动作时刻在合、分 闸操作时间序列中的位置，以便确定时间参量，由此配合各序列点位移量确定位 移参量，再由位移量与时间量计算出速度参量。 ( 1 ) 换位点的确定 动触头刚合、刚分的换位点信号是真空断路器机械特性测试过程中的重要信 号之一，也是计算机械特性参数大小的前提条件。换位点的确定也是设计的一大 难点，它涉及到多个机械特性参数的计算。 真空断路器在实际运行中，刚合、刚分换位点很难确定。以往，高压断路器 机械特性测试系统中，合闸换位点取断路器主回路最后一相电流通过的时刻，显 然，这种方法很不准确，因为断路器动触头还没有到达刚合位置主回路就己经预 击穿有电流通过：也有的采用基于机械振动信号来判定刚合位置，但对于实际运 行中的断路器来说，机械振动信号很难采集，也不易判别，因此这些理论与方法 处在研究发展中，很难应用于实际。分闸换位点有的取辅助开关触点位置信号转 换时刻，辅助开关是机械式触点开关，响应速度差，而且很不稳定，还存在机构 误差，因而测量结果偏差很大；有的取主回路最后一相无电流的时刻，也是不准 确的，因为触头分离后还有燃弧时间【2 7 1 。 设计机械特性测试系统主要是针对真空断路器，真空断路器是一种以气体分 子极为稀少，分子间的平均自由行程很大，电子与分子相碰撞的机会极少，绝缘 强度很高，以真空为灭弧介质的新型断路器，预击穿时间很短。本文忽略预击穿 时间，合闸的换位点取主回路最后一相电流出现的时刻，分闸换位点的确定根据 合闸时测得的超行程来修正，即利用合闸的超行程，结合分闸时的动触头行程曲 线计算分闸时的刚分点位置。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 位移参数的确定 在各点时间量和相对位移量确定的前提下，行程、超行程以及开距等参量依 次可求出。从合闸前的稳态位置到合闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触 头合闸行程；从分闸前的稳态位置到分闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是 触头分闸行程。超行程则随着开断次数增多而减小。合闸超行程起始于三相触头 合而止于操作稳态位置，即三相触头全接触开始到合闸后稳态位置的位移量之 差。关键问题是如何确定超行程的起始点，即如何有效的提取三相触头全合信号。 本文采取的方法是在合闸过程中，合闸超行程的起始点是由最后一相主回路导通 时刻对应的位移确定的。 ( 3 ) 合