（电机与电器专业论文）成套开关设备在线检测系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 一 a b s t r a c b a s e d0 nt l l e c o n c 印t i o no fs w i l c h g e a rd e v i c em a i n t i 啪锄c eo fe l e c 埘c a lp o w e f s y s t 锄，t h i sp 印e rd i s c u s st h ep o s s i b i l i t ) r 卸dn e c e s s 时o fs t a n l sm o n i t o 咖g 锄d 矗m l t d i a 印o s i st e c ! i l i l o l o g ya i l dt a l c em e12 k vm e t a ls e a ls w i t 幽g e a fa s s e r n b i y 嬲m e e x 锄p l e t i l es w i t c h g e a ra s s 锄b l yi so n eo ft h em 旬o rc r i t i c a l lc o m p o n 咖s ，w h i c h c o n t r o l sa 1 1 dp r o t e c t sp o w e rn e tw o r k ，s 0i t sr e l i a b i l 时s e r v i c ei sv e 珂i m p o r t 锄t a t h o m e ，t h es w i t 曲鲋a r sa s s e n l b l ya r eo v e r h a u l e dr e j 酬a 订yb yr o u t i n e0 p e r a t i o nn o w t h i sw a yi se y e l e s sw h i c hu s u a l l yb d n g st 1 1 en e w 细l tt o s y s t e ma i l dr e d u c et 1 1 e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pm eo n 1 i n em o n i t o d n ga i l df a u l t d i a g n o s i sf o rt h er e a l - t i m es t a t eo ft l l es w i t c h g e a ra s s e l l 曲l y u n i f i e dt l i ee l e c t r i c a lp o w e r s y s t 锄p r e s c n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m 如td 锄a n d ， b a s e d0 nt h ef a c to fm o 面t o n gq u 锄t i t yo f s w i t c h g e a ra s s 咖b l yi sq u i t es o l er e a l i 饥 w i t hm e2 l i do fs e i l s o rt ec _ i l l l o l o 跚c o m p u t e rt e d m 0 1 0 跚i n f o n l l a t i o nt e c h n o l o 既 m i c r o e l e c 昀i l i ct e c l l r l o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n t ，a n ds t u d i e dd e t a i l yt l l e l2 k vm e t a l s e a l s w i t c h g e a ra s s e m b l y l ei n s u l a t i o n c h a r a c t 嘶s t i c ， m et e m p e r a t l l r er i s e c h a r a c t 鲥s t i c ，t 1 1 ep h y s i c a lc h a r a c t 嘶s t i c s 锄da n s t e rc h a r a c t 鲥s t i c 锄ds oo n ，1 1 1 i s p a p e rd e s i 鳃sa o n - i i n em o n i t 0 矗n gs y s t e mw h i c h l l e c t sd i l 蓼n ge l e c 仃i cc u 脚t ， m et e i i l p e r a t l l r e r i s i n go fg e i l e 砌x ，廿l et 锄p e r a t l 玳r i s i n go fc 聊t ，s 、i t c h p m 锄e t e r s 锄dp o s i t i o nc o n d i t i o 玛d i j 1 百n ge l e c t r i cc l l r r e n to f 趾t e s t e ri nab o “ s i m u l t a n e o u s l y ，m en m l t i 巾e r i p h e r a l sa 1 1 dn e w1 1 i g l l p e 面肋a n c ed i 昏t a ls i 印a l p r o c e s s o r 聊s 3 2 0 f 2 8 12 出pg r e a t l y 硎u c e st h ew o r k1 0 a d 删c ht l l e s v s t 锄 h a r d w a r ed e s i g n sa n dt h ed e v e l o p m e n tc y c l e t h e 碳；e a r c hi n d i c a t e dm a t ，t h e0 n l i n em o n i t o r i n gs y s t 锄o f s 岍t c h g e a ra s s e i t l b l y c a nm o n i t o ri n s u l a l i n gs l e e v e ，m et 锄p e 】a n 盯er i s i n go fg e n 鲫嘶x ，m et 锄p e r a t u r e r i s i n go fc t 伊t ，m eh m i l i d i t yo ft h ec a b i n e ，l ea i rc b 锄b e rp r e s s u r e ，廿1 e 踟e s t e r 锄d n 刚ya l l i m p o r t 锄tp a r a m e t e r s ，c 锄d i s c 0 v e rp r o m p t l ym ea c c i d e i l th i d d 锄d 锄g 瓯 a v o i dt h ea c c i d e l l to c c u 而n g 1 1 m s s w i t c h g e 甜a s s e m b l ye 1 1 h a l l c e sm ee l e c t r i c a l p o w e rs y s t e mm o v e m e n tg r e a t l yt l l es e c u r i t yr c l i a b i l i 哆锄dm e 鲫t o m a t i c i t y r e d u c 鹤 t h e p o w e rc u t t i m e 1 “yw b r d ：s 州t c h g e a ra s s 锄b i y ，o n l i n em o n i t o n g ，d i 酉t a ls i 印a lp r o c 懿s o r i l 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囫 学位论文作者签名：；他日 2 0 0 8 年6 月肛日 指导教师签名：厶多 2 0 0 8 年钿肛日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：壬他月 日期：2 0 0 8 年4 月 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1成套开关设备在线检测系统研制的国内外现状、目的和意义 1 1 1 国内外现状及发展趋势 成套开关设备作为发电厂、变电站中的重要设备，起着关合及开断电力线的 作用，用来实现输送及倒换电力负荷、以及从电力系统退出故障设备和线段n 1 。 因此，其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。多年来，国际大电网会议 ( c i g r e ) 第1 3 研究委员会及我国电力部门( 北京电科院) 分别对世界范围及中 国挂网运行的开关设备的可靠性进行了全面的调查与统计。资料表明，整个9 0 年代中国电力系统配电电压等级的开关事故类型分布如下：机械故障( 拒分、拒 合、误动) 3 3 3 ，绝缘故障3 7 3 ，温升故障( 载流) 8 9 ，其它故障2 0 5 。 这一分布与国际大电网会议进行的世界范围内开关设备可靠性调查结果基本一 致。 开关设备故障的发生，带来的后果是十分严重。其直接的危害是被开关设备 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 整个国民经济的发展和人们生活的稳定盟3 。因而，有必要对开关设备实施在线状 态检测，及时发现事故隐患，避免事故发生；同时，根据开关设备的工作状态， 变定期检测为状态检测，从而提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。上 述研究已成为世界范围内电力工业运行及制造部门愈来愈关注的热点问题。 应当承认，对开关设备实施状态检测的愿望形成已有很长一段时间，但由于 其技术的复杂性、交叉性以及高成本等因素的制约，其真正投入实际运行的并不 多。近年来，随着传感器技术、计算机技术、信息技术和微电子技术的飞速发展， 开关设备的状态检测获得了快速发展。如a b b 公司开发的g i s 和s f 6 断路器局部 放电检测装置和中压开关柜母线温度在线检测装置，日本明电舍公司开发的中压 真空断路器真空度在线检测装置均已挂网运行。此外，多家跨国公司正在研发开 关设备多种状态检测装置。国内高压开关行业归口单位西安高压电器研究所 及一些科研院所也正在研发开关设备多种状态在线检测技术。如西安交大对开关 设备的机械特性、绝缘特性、母线温升特性、c t p t 温升特性综合在线检测进行 江苏大学硕士学位论文 全面的研究开发，并已取得了一定的进展。总体来说，国内外对开关设备的在线 状态检测都非常关注。同时，研制安全、可靠和智能化的成套开关设备在线检测 系统已成为适应电力工业发展及开关行业发展的趋势。 1 1 2 研究目的 本文是在深入分析成套开关设备c t p t 特性、绝缘特性、母线温升特性、弧 光特性等的基础上，将c t p t 温升、柜体内部压力、绝缘套管泄漏电流、避雷器 阻性漏电流、母线温升、柜内部环境湿度、弧光和开关状态作为检测对象。并借 助高速数字信号处理器对检测量进行实时处理，从而提高开关柜在运行中的安全 性、可靠性，减少停电时问，维护整个供电系统的正常运行。 1 1 3 研究意义 由于采用多状态在线检测技术，从而使得检测结果更能真实的反应被检测 设备整体运行状况，对该设备能否继续安全稳定地运行具有全面的判断价值。及 时发现异常问题，并能快速处理，使事故被消灭在萌芽状态，真正落实预防为主 的方针。 由于被检测设备不必退出运行就能接受测试，显然增加了设备的可用时间， 再加上能及时消除缺陷，不至于积小成大，甚至积重难返，减少了检修工作量， 延长了设备使用寿命，大大提高了设各的可用时间，提高了开关设备的可靠性和 供电可靠率。 在线多状态检测技术的开发，推动了开关设备运行维护水平的提高，减少了 维护人员的劳动强度，对部分开关设备采用根据检测结果确定停电检修周期的方 法，为从预防性试验向状态检修方向过渡积累了经验。多状态在线检测技术的开 发和应用，提高了成套开关设备运行管理的智能化程度，加快了开关设备运行状 态的信息反馈，缩短了故障判断和处理的时间，提高了工作效率，减少了因停电 造成的经济损失，并为实现无人值守变电站创造了条件。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 成套开关设备在线检测系统的指标参数 1 2 1 技术参数 成套开关设备在线检测系统的技术参数如表1 1 所示。表中详细描述了模拟 信号c t p t 温升、压力、绝缘套管泄漏电流和避雷器阻性漏电流的路数、幅值和 精度；频率信号母线温升和开关柜内部环境湿度的路数、幅值、频率范围、时间 分频率和精度；数字信号弧光和开关量的路数、电压范围、输入阻抗、隔离电压 和信号带宽检测；同时给出了液晶屏和键盘的参数。 表1 1成套开关设备在线检测系统的技术指标参数 序号检测量技术指标参数 6 路t 型热电偶传感器( 3 路c t 、3 路p t ) ，模拟信 1 c t p t 温升 号：5 v ，精度：5 k 2压力检测 预留4 路，模拟信号：5 v 3 绝缘套管泄漏电流6 路泄漏电流传感器，模拟信号：5 v ，精度：5 a 4 避雷器阻性漏电流3 路漏电流传感器，模拟信号：5 v ，精度：5 a 1 2 路非接触式红外线传感器，测频输入信号应满足： l v 幅值1 0 v ，3 9 h z 频率2 5 l 【h z ，周期模 5 母线温升 拟信号测频精度：时间分频率为4 0 0 n s ，精度：5 k ； 范围：1 0 8 0 2 路湿度传感器，测频输入信号应满足：l v 幅值 开关柜内部 6 1 0 v ，3 9 h z 频率2 5 h z ，周期模拟信号测频 环境湿度 精度：时间分频率为4 0 0 n s ，测量精度：5 2 路有源开关量输入。输入电压：1 0 v 2 4 v 直流， 7 弧光检测输入阻抗：3 6 k q ，隔离电压：2 5 0 0 v 直流，信号 带宽：l o l ( h zm a x ，光电隔离 4 路有源开关量输入，分别检测接地开关、断路器、 手推车、隔离刀闸的状态。输入电压：1 0 v 2 4 v 直 8 开关状态 流，输入阻抗：3 6 k q ，隔离电压：2 5 0 0 v 直流， 信号带宽：1 0 l ( h zm a x ，光电隔离 江苏大学硕士学位论文 运行。 2 、设计中采用具有多外设的新型高性能数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片， 大大减少了系统硬件设计的工作量，缩短了开发周期。设计中还采用了d s p 系统 与调理电路分开设计的方法，方便硬件调试，降低系统的开发风险，便于系统的 软硬件升级。同时，硬件设计中采用多层板设计工艺，并采取多种隔离手段，大 大提高了系统的稳定性及电磁兼容性。 3 、设计中采用4 8 5 总线和c a r n 总线相结合的双总线通讯方案，实现了两种总线 的优势互补，具有性能优越、开发简单、成本低廉以及可实现数据分流等特点。 双总线通讯方案不仅解决了系统在检测功能和实时性方面的冲突，而且很好地解 决了上位机和下位机问的信息交换问题。 5 江苏大学硕士学位论文 精度以及成本等方面的因素，因此选择t 型热电偶作为c t p t 温升检测的传感器。 热电偶的输出基本为线性输出，标定时只需在被测物体低温和高温时各测三组 值，取平均值后，便可以得出该热电偶的斜率。由此斜率即可求得热电偶不同输 出值所对应的被测物体温升值。 2 2 绝缘特性研究 2 2 1 检测对象的确定 表征绝缘特性的参量很多，如介质损耗角正切、局部放电、泄漏电流等。在 实施绝缘特性检测时需要根据不同的检测对象( 电力设备) 而选择不同的检测参 且 5 里。 本项目( 1 2 k v 开关柜) 主要绝缘部件包括a b c 三相进线环氧套管( 支撑绝缘) 及三相出线处c t 上的绝缘。相间绝缘为空气绝缘，相间距离足够大，一般不会 击穿，研究中主要考虑其对地的绝缘状况。通过对历年来高压开关运行故障分析 资料及厂方提供的绝缘部位故障统计报告的研究分析，以及对可能发生的绝缘故 障加以理论分析的基础上，确定绝缘特性检测对象为母线室、电缆室环氧套管的 泄漏电流和局部放电。 到目前为止，国内外在1 1 0 k v 以下的成套开关设备上尚未实施局部放电在线 检测。局部放电检测需要高速的数据采集板，这将大大增加硬件的成本。在中低 压领域的开关柜上实施局部放电检测，硬件成本是主要制约因素，增加局部放电 检测单元将大大提高设备的生产成本、降低利润，是一种不经济的实施方案，而 且在现场测量局部放电易受外界干扰，准确度不高，且不如检测泄漏电流简便准 确，故确定1 2 k v 开关设备绝缘特性检测参量为泄漏电流。现场测量泄漏电流可 以采用接触式电流传感器。 2 2 2 泄漏电流传感器特性 该传感系统的信号提取采用一种接触式引流环结构，宽为5 毫米，厚度为1 毫米左右，采用进口导电胶涂制而成。泄漏电流的引出通过在导电胶与套管之间 钻孔固定，独特的出线方式避免了空间电荷的引入和局部放电产生。泄漏电流传 江苏大学硕士学位论文 感及安装位置示意图如图2 1 所示。 图2 1 电流传感及安装位置示意图 2 2 3 绝缘套管劣化规律的理论分析和判据的确定 环氧绝缘套管和它固定的带电导体是处于空气中的，在套管和空气的分界面 上有时会出现沿面放电现象。沿面放电继续发展会发生贯穿性的沿面闪络，它是 一种气体放电现象。沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低。经 过简单的电磁场分析可知该环氧套管处于极不均匀的电场中，且电场强度垂直于 介质表面的分量要比平行于表面的分量大的多。隔开真空断路器和母线室的隔板 附近是垂直分量特别集中的地方，这就是开关设备绝缘部分多发故障的原因。 开关设备的隔板是接地的，因此放电由此处开始。开始边缘出现电晕放电， 随后电晕向前延伸，逐渐形成由许多平行火花细线组成的光带，称为辉光放电。 之后隔板处会有火花在不同位置交替出现，随即很快消失，形成滑闪放电。滑闪 放电火花随外施电压增加而迅速增长，形成闪络，最终导致绝缘失效。 表2 1 是大全集团提供的各种污秽条件下泄漏电流实测值，由表可知在额定 工作电压下( 单相绝缘套管7 k v ) ，不同灰尘污秽条件下泄漏电流的变化规律、 不同空气湿度条件下泄漏电流的变化规律和不同外施电压下( 晟高加压到额定电 压的四倍) 泄漏电流的变化规律。套管表面污秽程度：套管表面处于无灰尘和水 分的清洁状态( 1 级) 、套管表面有低盐密的水份( 2 级) 、套管表面有中等程度 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 避雷器泄漏电流检测 2 3 1 检测对象的确定 避雷器作为电气设备的过电压保护装置，其性能的优劣对电气设备安全运 行起着很大的作用。二十世纪七十年代发展起来的金属氧化物避雷器( m e t a l 0 x i d ea r r e s t e r ，简称m o a ) ，又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压 敏电阻片的新型避雷器。压敏电阻片是由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成 的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的阀特性。在工频电压下它呈现极大的电阻， 能迅速有效的抑制工频续流，因此，无需火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧； 而在过电压下，其电阻又变的很小，能很好的泄放雷电流。因此金属氧化物避雷 器在电力系统中得到了广泛的应用1 7 j 。 无串联间隙的m o a ，在运行电压作用下会有泄漏电流流过，产生的热量会使 电阻阀片的温度升高，在这种情况下长期工作会使m o a 的电阻阀片老化；同时， 由于环境条件的影响，m o a 的阀片会受潮及劣化，使正常工作时m o a 的泄漏电流 增加，一旦系统中出现过电压，m o a 可能热崩溃，甚至爆炸，m o a 随之失去保护 作用。因此，需要不断地检测m o a 的运行状况以确保m o a 的安全运行。运行中， m o a 的劣化可以大致分为三种类型： 1 、长期运行电压作用下造成的老化。运行电压的作用会造成m o a 泄漏电流 的上升。 2 、脉冲电流造成的老化。过电压引起的放电电流会导致m o a 的v i 特性的 劣化，甚至会造成m o a 的损坏。 3 、受潮或和周围环境发生化学反应造成的老化。 通常对实际运行中m o a 的两个方面感兴趣，一方面是m o a 的剩余寿命，也 就是说运行中的m o a 还可以安全运行多长时间，性能是不是已经发生了劣化，如 果产生劣化，它的劣化程度有多严重。另一方面是m o a 的劣化机理，即受潮、受 到过电压浪涌冲击还是j 下常情况下的老化。从而判断m o a 的性能变化是可恢复 的还是不可恢复的，该不该马上退出运行。 ， m o a 的关键器件是m o v ( m e t a lo x i d e 、嘶s t o r ，压敏电阻片) ，工频下m o v 经简化后的小电流区域等效电路图如图2 2 所示。电阻r 相当于一个非线性电阻， 江苏大学硕士学位论文 电容c 是阀片电容和杂散电容的合成，相当于一个线性电容。在带电检测中，阻 性电流i r 的大小，直接反映m o a 运行情况，容性电流i c 的大小与m o a 运行情 况无关，属容性干扰。即流过m o a 的泄漏电流分为两部分：阻性电流和容性电流。 由于m o a 的相对介电常数可以达到5 0 0 2 0 0 0 ，使得m o a 具有很大的电容量，在 运行电压下经过m o a 的电流主要是电容电流，阻性电流仅占全电流的5 2 0 。 阻性电流分量会产生功率损耗，引起电阻片发热，导致m o a 性能变差，因此阻性 电流是m o a 反映运行状况的一个很敏感的参数。但因全电流的测量简单，便于推 广，目前的避雷器的在线检测系统主要是以测量全电流为主陋1 。 母线u i r 2 3 2 在线检测特征量的提取 图2 2m o a 等效电路图 i c 由于互感器的输出信号非常小，需要通过调理电路对二次侧的电流信号进行 有源放大。系统采用两级放大电路：第一级放大l 0 0 0 倍，采用高精度仪表放大 器a d 6 2 0 ，此放大器具有很好的线性度、温度稳定性和可靠性。a d 6 2 0 通过提 供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比( a cc m r r ) 而保持最小的误差， 线路的噪声及谐波由于共模抑制比在高达2 0 0 h z 时仍保持恒定而受到抑制。第二 级放大1 0 倍。 常温下，互感器系统的小电流线性度测定：在互感器原边通以己知标准频率 的电流信号，在o 一1 m a 内变化，由互感器二次侧通过调理电路测得相应的输出 电压值，从而获得一次电流和二次电压问的u i 特性曲线。互感器线性度试验的 u i 曲线如图2 3 所示。 从实验曲线可得出互感器系统在o 1 m a 范围内测量结果有比较好的相关度 ( o 9 9 9 4 5 ) ，同时可以得到线性参数： 1 2 江苏大学硕士学位论文 u = 3 7 4 3 4 ，+ 0 0 3 0 8 常数o 0 3 0 8 为零输入电流时，输出的工频干扰电压。 图2 3 电流互感器系统的u i 特性 2 4 温度特性的研究 2 4 1 检测对象的确定 中压开关设备内部的导电连接处会因电磨损、机械操作和短路电动力引起的 机械振动等原因，使接触条件恶化，接触电阻增加，引起接触点的温度升高，加剧 接触表面的氧化，导致局部熔焊或接触松动处产生火花，甚至电弧放电，最终造成 电气设备的损坏，导致用户停电等重大事故。温度的在线检测是防止这类事故发 生的重要手段州。 2 4 2 温度传感器特性 由于被检测对象处于高电位，沿用通常的接触式测温方法是很困难的，因此 近几年来，国内外开发了一些新型的非接触型检测装置。本项目就是采用一种基 于红外辐射中压开关设备电连接处温度在线检测的非接触式温度传感器，它能够 比较准确地检测载流部分的温升，正确反映开关设备的运行状态。表2 2 给出了 t p s 3 3 4 1 町型热电堆探头典型参数： 江苏大学硕士学位论文 表2 2t p s 3 3 4 型热电堆探头典型参数 光敏面响应率阻抗噪声电压等效噪声功率探测率时间常数 窗口直径 2 n7 嘈kq 斟l 瓜删| 瓜c 州丽 m sm m哪 0 7 2 3 5 7 5 3 81 2o 6 1 0 82 52 5 由于传感器的输出不仅跟被测物体温度有关，而且跟环境温度有密切关系， 为此需要检测环境温度的大小，这可以通过t p s 3 3 4 内置的热敏电阻来实现。 2 4 3 传感器环境温度补偿 由于传感器输出电压不仅与高压电力设备测温点的温度有关，而且跟探测器 本体温度有关。为此，在对传感器进行标定时，需要从得到的两个频率信号 与测温点温度和探测器本体温度都有关的信号f o ，以及仅与探测器本体温度有 关的信号f e 中，得到仅与被测温度有关的分量。这可以采取二次查表技术实现。 每一个温度传感器输出两路信号，一路f e 表征测得的探测器本体温度，另 一路f o 表征被测温度与探测器本体温度的共同作用下的温度。通过大量试验， 得到图2 5 所示曲线，这些曲线被制成若干张表格，其中f e 与t e 的关系曲线( 见 图2 4 ) 用一张表格存放，另外的表格( f o t o t e 表格) 用于存放在不同的t e 下对应的t o 和f o 的关系曲线。 在d s p 进行数据处理时，先根据f e t e 表格查表确定t e i + l 和 t e i ( i = 1 ，2 ，1 2 ，t e i 和t e i + 1 表示存于f o t o t e 表格的探测器本体温度) ，然 后根据这两个值和t e 的计算公式得到t e 。随后在t e i + 1 和t e i 对应的两张表格 上根据f o 分别查到对应的温度t 0 2 和t o l ，则物体的真实温度t o 就介于这两个 温度之间，根据t e i 、t e 和t e i + 1 作线性插值，就可以得到t o 的值。 1 4 0 1 0 江苏大学硕士学位论丈 传感器本体温度t e 图2 4 探测器本体温度的温度一一频率曲线 6 0 4 06 0 8 01 0 01 2 0 备漱物体i 显度t 图2 5 红外测温传感器温度一一频率曲线 1 5 一_ 一o c 一一o c 一- o c 一卜o c 卜o c 一i o c o c 一一o c 一o c 一j c 一j c 咖 咖 咖 咖 咖 唧， 萋| 咖 翻 硼 同 司 4 3 2 1 传感器本体温度频率对应缸 鲫 加 o 吣 鲫 0 5 4 3 2 1 传感器输出频率佃 江苏大学硕士学位论文 2 5 开关柜弧光信号检测单元 2 5 1弧光信号检测原理 故障电弧产生时，在发出强烈弧光效应的同时，往往还伴随着主回路电压的 迅速降低与电流的迅速升高等现象。因此，为了更可靠的判断故障电弧的产生， 在本套保护装置中设计了电流判断单元，与弧光检测单元共同作用探测故障电弧 的发生。其系统结构框图如图2 6 所示。 f 自聚光弧光保 电搿h 蝴感器 继 i护装置 电 一j 曲陪会黼l 一 保 上游断路 1r 1 ，1 叹陴爹叙i 7 护 _ 器 i 弧光信号检测u 故障分析l一传感器参数l 。 装 置 单元 广 单元广 优化l 7 图2 6 具有自聚光效果的改进型弧光保护系统 具有自聚光效果的改进型弧光保护系统主要由具有自聚光功能的弧光传感 器、弧光信号检测单元、电流互感器、电流检测单元和故障分析单元组成。具有 自聚光功能的弧光传感器将采集到的光信号送至弧光信号监测单元，经弧光信号 检测单元的处理送至故障分析单元；同时电流互感器检测的电弧短路电流经过电 流检测单元输至故障分析单元。故障分析单元将电弧故障弧光信号和短路电流信 号进行数据处理、判断，发出脱扣信号，使故障电弧的上游断路器分闸。 2 5 2 具有自聚光效果的弧光传感器 故障电弧会在开关柜内产生很强的压力，燃烧和辐射效应。为了提高弧光传 感器在恶劣环境中的工作能力，本设计采用带有光纤探头的弧光传感器来采集电 弧光信号。与直接将光电探测器放置于开关柜中的传统设计方法相比，它具有抗 干扰能力强，结构简便，成本较低，易于安装等特点。 为了提高传感器检测弧光的精确度，本实验系统选用石英玻璃光纤，以减 少光纤中弧光信号的衰减。同时为了提高光纤安装的机械强度，在石英玻璃光纤 的两端加装了便于安装固定的金属套掣1 1 】。 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 。6 开关柜开关状态检测 为了给操作人员提供开关柜开关状态的指示，使操作人员不致因误动作而 产生危险，利用机械节点引出开关柜内接地开关分合位置、断路器分合位置、手 推车位置和隔离刀闸关合位置，通过开关量输入模块的供电电源，给不同节点供 电，并通过d s p 模块开关量输入口采集不同节点的电信号，以此来判断各开关的 关合开断状态，并通过液晶及l e d 指示灯进行指示。 2 6 1 开关量输入通道 开关量输入通道：从i o 板提供8 路开关量输入信号接口，接口位置以及 对应的d s p 的i 0 口如表2 3 所示。目前开关状态输入用了4 路，分别反映隔离 刀闸、手推车、断路器和接地开关的状态，弧光信号用了2 路，其它2 路保留。 表2 3开关量榆入接口位置 插槽序号d s p 引脚开关量输入接口 a b c 3 2g p i o a o弧光d 1 0 0 接口 a b c 3 lg p i o a l 弧光d i o l 接口 a b c 3 0g p i o f l 0d 1 0 2 隔离刀闸 a b c 2 9g p i o f l l d 1 0 3 手推车 a b c 2 8g p i o a 0 4 d 1 0 4 断路器 a b c 2 7g p i o f l 3d 1 0 5 接地开关 a b c 2 6g p i o d 0 5 d 1 0 6 ( 保留) a b c 2 5 g p i o d 0 6 d 1 0 7 ( 保留) 2 6 2 开关量输出通道 开关量输出通道如表2 4 所示：从i o 板输出4 路开关量输出信号，即可以 为2 4 v 的继电器控制电压信号输出，也可以输出结点( 只含通断状态，无电压输 出) 。 1 7 江苏大学硕士学位论文 表2 4 开关量输出接口位置 插 蒋序号d s p 引脚开关量输山接口 b c 2 lg p i o f ( ) od 0 0 9 a 2 2g p i o f 0 1d o l 0 b c 2 2g p i o d 0 0d o l l a 2 3g p i o d 0 ld o l 2 1 8 江苏大学硕士学位论文 第三章成套开关设备在线检测系统的硬件设计 3 1成套开关设备在线检测系统的整体框图 成套开关设备在线检测系统完成的任务包括：通过各种传感器对开关设备 内部的弧光信号、绝缘套管泄漏电流、开关柜内部环境湿度、母线温升、c t p ，r 温升和开关位置状态进行信号采集。然后经不同的调理电路对每个传感器输出的 信号进行调理，随后送往主控制板，由主控制板完成数据处理、算法实现、通讯 及命令处理等功能。同时，由d s 8 0 c 3 2 单片机控制删i ，实现实时人机交流。成 套开关设备在线检测系统结构如图3 1 所示。 图3 1 成套开关设备在线检测系统的整体框图 1 9 江苏大学硕士学位论文 b c 2 2( j p i o d 0 0输出开关量 a 2 3g p i o d 0 l a b c 3 0g p i o f l 0d 1 0 2 隔离刀闸 a b c 2 9g p i o f l ld 1 0 3 手推下 a b c 2 8g p i o a 0 4d 1 0 4 断路器 a b c 2 7g p i o f l 3d 1 0 5 接地开关 a b c 2 6g p i o d 0 5 d 1 0 6 以后扩展 a b c 2 5g p i o d o d 1 0 7 以后扩展 a b c 3+ 1 2 v a b c 4 ：1 2 v a b c lc a n 5 v g p i o a 0 3 驱动r s 4 8 5 a b c 2 4 、b c 2 3 、a b c l 3 、a b c l 2 和a b c 6 为悬空状态 3 2 1 电源模块电路设计 上电序列2 5 v ii ；13 3 v；3 3 v ；掉电序列 一一 砸 l i 卜- 一竺 江苏大学硕士学位论文 供电时序要求，事实上本主控制板能够正常稳定的运行也验证了该电源模块的可 行性14 1 。 3 2 2a d c 电路设计 主控板上a d c 采用的是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部1 2 位的a d c 转换模块，该模块本身 具有1 6 通道模拟输人口；有两个采样保持电路，因此可配置成双通道采样模式； 最高采样带宽为1 2 5 m i p s ；输入电压范围为0 3 v ，并且t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部有3 v 的嵌位二极管，但是输入电压最好不要超过3 v ，否则仍有烧毁d s p 芯片的可能n 引。 为了保证d s p 的安全可靠的运行。在a d c 电路设计中又外加了嵌位二极管，此嵌位 二极管要求采用低漏电流的肖特基二极管，如果漏电流太大，会严重影响a d c 的 采样精度。本主控制板只用到4 个a d c 输入通道，分别用于处理c t p t 温升、压力、 缘套管泄漏电流、避雷器电压和电流。为了获得高精度的模数转换结果，在p c b 设计中，将a d c 转换模块单独放在p c b 板的一个区域，并且模拟电源与数字电源隔 离，模拟地与数字地隔离。另外布线时尽量使模拟量输入信号线远离数字信号线， 减少数字信号线产生的祸合干扰。由于c t p ，r 温升、压力、缘套管漏电流、避雷 器电压信号在5 h 5 v 之间，所以在采样之前必须对输入的模拟信号进行处理。 本系统采用运算放大器组成的差分电路来满足系统的需要，由于v i n 电压信号在 前面已经滤波，所以此差分电路就没有再设计滤波电路，其原理如图3 6 所示。 + 1 2 v 图3 6 差分电路 根据运算放大器的特点和图3 6 ，很容易列出输v i n 和v o 的关系： ( 5 一v i l l ) 瓜1 = v o i 匕 ( 1 ) 己知v i n 的电压范围为( 5 v - + 5 v ) ，r 1 肥= 3 3 ，所以v o 的电压范围为( 0 v 3 v ) 。 江苏大学硕士学位论文 3 2 3g p l 0 电路设计 g p l 0 模块主要用于驱动多路选择器、继电器，接受弧光信号和隔离刀闸、手 推车、断路器、接地开关的状态信号。为减少外围信号对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部的 影响，采用s n 7 4 l v c 2 4 5 芯片对输入信号进行隔离，同时将5 v 的电压信号转换 为3 3 v 的输入信号；采用t l p l 8 1 对输出信号进行光电隔离同时将3 3 v 的电压转换 为5 v ，以满足多路选择器和继电器的驱动电压。如图3 7 所示。 v d d 3 3 圭t v d d 3 3 卜一 g p l 0 a 0 0 g p l 0 a 0 l g p l 0 f l d g p l 0 f l l g p l 0 a 0 4 g p l 0 f 1 3 g p l 0 d 0 5 g p l 0 d 0 6 u l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ 一 f 石甚v c c d i r a d a l a 2 a 4 ” a 6 a 7 b 0 b l b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 g n d s n 7 4 l v c 2 4 5 c l 图3 7g p l 0 输入输出电路 3 2 4 鹧一2 3 2 和r s 们5 驱动电路设计 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有串行通信接口s c i ，它是一个双线的异步串口，s c i 模块 支持c p u 与采用n r z 标准格式的异步外围设备之间的数字通信。s c i 的接收器与 发送器各具有一个1 6 级的f i f o ，这样可以减少空头的服务。它们还各有自己独 立的使能位和中断位，可以在半双工通信中进行独立操作，或在全双工通信中同 时进行操作。为了确保数据的完整性，s c i 检查所接受数据的中断检测、极性、 溢出和帧错误。位速度可以通过写一个1 6 位的波特率寄存器而改变。这样就大大 简化异步串行通信电路的设计，由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有s c i 模块，所以只要在外 围加上驱动电路，就可以完成串行异步通信。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有s c n 和s c m 两个 模块，分别把它配置为r s 一4 8 5 和r s 一2 3 2 两个通信口。各自的驱动芯片为m a x 4 8 7 、 m a x 2 3 2 ，由于这两个芯片的驱动电压为5 v ，所以采用h c p l 0 6 0 1 快速光电隔离芯片， 一一一一一一一一一一一一一一一 江苏大学硕士学位论文 对发送和接受信号进行电压转换，同时使之与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 隔 的安全可靠，对每个通信模块通过d c d c 隔离电源( f 0 5 0 5 s 一1 w ) 图3 8 和图3 9 分别给出了r s 一2 3 2 驱动电路和r s 一4 8 5 驱动电路 离，为了保证通信 进行单独供电 7 1 。 图3 8r s 一2 3 2 驱动电路 e c p l i ) l 图3 9r s 一4 8 5 驱动电路 江苏大学硕士学位论文 3 2 5c 州驱动电路设计 c a n b u s ( c o n t r 0 i i e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网是国际上应用最广 泛的现场总线之一。最初，c a n - b u s 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯， 在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。如发动机管 理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 c a n - b u s 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率， 高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n - b u s 仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。由于c a n 串行通讯总线具 有这些特性它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。作为一种 技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，c a n - b u s 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大 厦、电力系统、安防监控等领域，c a n - b u s 都具有不可比拟的优越性n 8 1 。 u 2 8 1 ，d d 3 354 器。 敷，辇 3 ( c a n ，r x l 正假 6 、 卓步歪 2 麟a c a n r x a i 7 4 i 8 。土。，n i c 1 4 面7 拳 _ g n d 司鼍量 j v强 1 薯c + 卿 l 如9 4 n c 1 利。 宅捅伊 5 h 。亩，、t f 、 图3 1 0c a n 驱动电路 由于成套开关设备在线检测系统运行在强磁场，高电压，大电流的恶劣的环 境中，在现场与智能仪器进行通信时，c a n 总线通信是最佳选择，它能使数据传 2 7 江苏大学硕士学位论文 输更加灵活方便，数据量更大、可靠性更高、功能更加完备。同时也充分利用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部资源，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有增强型c a n 控制器，其完全支持c a n 2 o b 协议，最高支持l m b p s 的总线通信速率，性能较之已有的d s p 内嵌c a n 控制器有较 大的提高，完全可以满足本设计的要求n 。本设计中驱动芯片选用s n 6 5 h v d 2 5 l ， 此芯片的驱动电压为5 v ，所以和r s 一4 8 5 和r s 一2 3 2 样，采用h c p l 0 6 0 1 快速光电隔 离芯片，对发送和接受信号进行电压转换，同时使之与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 隔离，为了 保证通信的安全可靠，c a n 通信模块也采用d c d c 隔离电源( f 0 5 0 5 s 一1 w ) 进行单独 供电。其驱动电路如图3 1 0 所示。 3 3c t p t 温升调理电路 本项目中分别对开关柜内部的a 、b 、c 三相的c 聊t 温升进行检测，c t p t 温升采用测量低电位侧温升来反映高电位侧的温升。采用t 型热电耦作为温度 传感器，直接粘贴在c 仰t 的低电位侧，通过引线引出温升信号。引线引出的 温升信号为m v 级微弱信号，为此，采用一种低噪声，低失调电压的精密运算放 大器o p 2 7 组成两级放大电路进行放大，一级放大倍数为3 0 倍，二级放大倍数 为3 3 3 倍，总的放大倍数为1 0 0 0 倍，使温升信号变为5 v 到+ 5 v 之间。然后经 二阶r c 低通滤波电路滤除2 0 h z 及以上的干扰。由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部的a d c 通道有限，所以采用多路选择器a d 7 5