（电机与电器专业论文）真空断路器机械特性在线监测仪.pdf

真空断路器机械特性在线监测仪 o n l i n em 0 n i t o r i n go f m e c h a j l i c a lc h 踟l c t e r i s t i c sf o r v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r a b s t f a c t v u l 珊c h u nb r e a k e rh 嬲b e 、i d e l ya p p l i e di nm e d i 啪v o l t a g ep o w 盯s y s t e m t h e a v a i l a b i l 毋孤d l i a b i l 姆o fp 0 、 惯s y s t e mi sd i r e c t l y d e t e l l l l i n e d b yt h eo p e m t i n g p e ：晌锄a i l c co fv c b s ，b a s c do nt h cr e 辩a r c ho fc h a r a c 硎s t i ca n d 衄雹do fo m i n cm 嘶1 0 r i n g 董b rc i r c u i lb r e a k e f ，柚砌i 1 1 em o i l i t o r i l l gs y s 胁o fm c c l l a 血c a lc h 啪c t c r i s t i c sf b rv c b si s 脚s c dw i l i c h 谢uh e l pt or e a l i 霞t l l es t 啦m a i n t c n a n c c 趾di l i l p r o v et h ee 伍c i e l l c yo f m a i m 鲫岫c e nh 舔g r e a ts i g i l i f i 咖i i la s p c = c to f e c o n o m y 肌dt e c l l i l i q l 地 t h ep r i n c i p i eo ft l l e 砌i n em 砌t o r i i 唱s y s t e mi si n o d u c e d 鹤w e l i 罄t l l ed e s i g no f h a r d w a r e 姐ds 0 行w a 埒t h eh a i lc u n | c m i l s o r ，i n c 陀m e n t a lr o t a r yp h o t o e l e c 砸ce f l c ( d e r c t 锄d 、玎蹴u s c d l o m 蹦m 恤s i 班a l s 丘o m v c b s an e ws i n 口ec h i pd s p i c 3 0 f 5 0 1 5 m a d c b ym i c r o c l l i pc 咖p a n yi sl l s e d 笛t l l ec o r em i c r o p r o c e s ri l l 汕p l ea c q u i s 衔o nu i l i t n 鲥栅yr e d u c e st h ep e r i p h e r a lh a r d w a r ei n t 刚沁ec h u i t s 孤di l i l p m v c st l l es p e e d ，a c c l l r a c y 觚dr e l i a b i l 时o f 蛐n p l i l l g a 1 1s 锄p l i n gd a 诅a r e 雕弘o c e s s c db yc o 咖e r c i a ls o f t w a 陀， a 心s c o r e di na c c e s s 出i 仞l b a w l l i c hi sp 刚i i c e db ym i c r o 丘ac o r e i l i e mh 砒n a n m a c k n e c ( 脚豫i l l l i 删i n t e r f 沁ej sd e s i g n e di nd e l p l l il 锄l 婴m g e nc a nc a l c u l a l ea l lt h em e c 蜥c a l d 皿a c t c r i s 吐c s 瓤i dd i s p i a yv o l t a g e t i l n ea u r v e ，c l m 饥t - t i i i l ec u r v e 觚d 仃a _ v e l t i i i l ec i h v e ， w h i c hh d p 删l i n t e l 姗m 姐t 0d i a g n o d 觚a l y 勰l h es i a ：t i l so ft l i ev c b s c o 昀la r n c t 0 f k ( c a n ) b 吣嘶t hh i g l l 印c e d ，m u l t i h o s to p e m t i o na n dl l i g l li i i t e r n 玳n c e f 臂i sl l s e d 豁 t h er e a l t m 垃c o m m u n i c a t i 咖p r o t 咖lb e t 嗍t h es a m p l e q u i s 谢o nu l l i t 锄dm a s t 盯 c o l n l ，m 既b e s i d 钨am e 也0 dc o m b i l l c dl l a r d w a 陀锄ds o 矗w a r ei sl l s c dt oi m p r o v et l i e i i l t c r f 爸r 蛐c c 一仔a b i l i 辟a r l dr e l ia _ b i l i t yo ft l l es y s t e m b o t i id y n 锄i cr e s p o n c h a r a c 嘶s t i c a n dt e s t i n ga c c u r ya r ei m p m v c ds i g n i f i c a n t l yc o m p a r e d “m 订a d i t i o n a ls y s t e mb yt e s t i n g o n l 岫m 皿0 r i l i gt e c b n 0 1 0 9 yo fm e c h a i l i c a ld l a r a c 蜘s t i c sf o rv c b si sm e 仃c l l do f 蜘e m a i 】曲m 瓶ni sa l s ot h ee s 辩m i a ir e a r c hp a l to f i n t e l l i g e n tc i r c u i tb r c a k c ri n 如c t t r e k 坷w o r d s ：v c b s ，m h a n i c a lc h a 憎c t e r i s t i a ，o n i i n em o n i t o n g ，c a n - b u s i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 繇毕堕吼掣址 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：殷互波 导师签名：( 坠z 日期：塑孥! ；! 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 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 l 【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，真空断路器正在往大容量大电流方向发展，并已取得了不少的 进步。基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【】。 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1 4 】。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，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【5 一。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。因此，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。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【5 1 。 真空断路器机械特性在线监测仪 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。 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1 7 】。真空断路 器机械特性在线监测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。它不再以 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，为实现无人值班变电站创造部分条件。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在线监测技术的发展，将推动智能 化断路器的进程。真空断路器机械特性在线监测也是故障诊断技术发展的前提， 其意义重大【引。 1 2 在线监测的定义与要求 所谓在线监测，是指对运行设备的状态量进行不问断的监测，通过实时提取 故障的特征信号，为故障诊断打下基础，正确的故障诊断为状态检修提供维修依 据。“状态检修”就是以分析总结历年实验数据，分析运行情况，以实施在线监 铡为基础。通过对信号识别来判断出设备的故障和异常部位，原因和程度，预测 设备故障和异常可能发展的速度和后果，定出维修计划和项目唧。 随着在线监测技术的发展，对在线监测系统的要求也越来越规范。一般情况 下。对于在线监测系统的要求如下： ( 1 ) 系统的投入和使用不应改变和影响电气设备的正常运行。 沈阳丁：业大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统应能自动地连续地进行监测、数据处理和存储。 ( 3 ) 系统应具有自检和报警功能。 ( 4 ) 系统应具有较好地抗干扰能力和合理的监测灵敏度。 ( 5 ) 监测结果应具有较好的可靠性和重复性以及合理的准确度。 ( 6 ) 系统应具有在线标定其监测灵敏度的功能。 ( 7 ) 系统应具有故障诊断能力。 1 3 课题在国内外的发展与现状 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【l o l 。与变压器、发电机、电容性设备相比，断路器在线监测技术起 步较晚，直到9 0 年代以后高压断路器在线监测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，使得其核心电力元件一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在线监测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在线监测的发展。 另外，9 0 年代半导体技术和新的检测技术的飞速发展，为断路器在线监测创造 了条件。 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”，现已 转向以机械特性在线监测为主，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， 并已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。如今，一些 发达国家对高压开关设备的机械特性在线监测技术已日趋成熟，并且已有了功能 较齐全、抗干扰性能较高的产品，并且正向着大规模的专家诊断系统方向发展 【i i _ 1 5 】。 近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性监测和故障诊断方面 的工作。1 9 9 2 年吉林电业局曾立项“断路器机械特性的监测”；中国电科院开 关研究所1 9 9 4 年已研制成功k z c 1 型高压断路器在线监测仪；1 9 9 5 年清华大学 真空断路器机械特性在线监测仅 高压教研室研制了c b a - l 高压断路器机械参数测量分析系统，该系统可以监测 合、分闸线圈电流、行程一时问特性曲线及振动信号m 。此时的研究工作主要 是围绕着断路器状态检修进行的。总之，从国内现有状况来看，真空断路器还没 有形成比较完善的在线测试系纠1 ”。 1 4 断路器机械特性在线监测的目标及存在的问题 如今，传感器技术，信号处理技术，微电子技术以及计算机技术的快速发展， 一些新理论、新检测手段的开发、运用，为真空断路器机械特性在线检测提供了 技术基础。 因此，未来的断路器机械特性在线监测应能满足如下条件： ( 1 ) 更高的测试精度，使用高精度的传感器元件测试。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。 ( 2 ) 有效的抗电磁干扰技术。断路器现场运行环境非常苛刻，在线监测单元 必须工作在高电压、强磁场、断路器操作的冲击与振动以及工作时的环境温度中。 ( 3 ) 传输速度快。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，随着现场钡8 试记录数据量的增大，传输速度越来越慢，通信所用 的时间则越来越长，不适应现有的大量数据快速传输的需要，应使用种新的与 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，并能随时分析的图形和结果。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；以往在线监测装置所关心的 是机械参量的计算结果，而对机械运动过程关心不多。 ( 5 ) 对目前各厂家速度定义的多样性，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速度计算。 ( 6 ) 有较好的数据管理方法，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。现有的在线监测单元可以测 沈阳工业大学硕士学位论文 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。 ( 7 ) 提高系统的性能价格比。现有的机械特性在线监测装置在实际应用中监 测单元寿命过短，安装维护困难。价格过高，精度不够耐2 2 粕j 1 5 课题的主要工作内容 本课题针对目前的现状，综合已有在线监测技术的优缺点，设计开发了真空 断路器机械特性在线监测仪，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。 本课题的主要工作有： ( 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，选用高精度旋转光电编 码器对动触头的行程信号进行测量，采用光电耦合器采集断路器辅助触点的状态 变化信号，采用开合式霍尔电流传感器和电压互感器分别对三相主电流电压信号 进行测量记录。 ( 2 ) 下位机数据采集单元的软硬件设计：选用m i c r o c h i d 公司1 6 位高性能 d s p i c 3 0 f 5 0 1 5 单片机作为微处理器，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、脉冲处理电路、开关量的输入调理电路、数据存储器的扩 展电路、c a n 现场通讯接口电路，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 语言编制调试下位机数据采集程 序。 ( 3 ) 上、下位机数据通讯设计：针对真空断路器的实际运行现场，监测单 元的下位机与上位机的数据传输采用高速率、高抗干扰性、多主方式的工业现场 总线c a n 总线实现实时高速传输，采用c 语言编制现场通讯协议。 ( 4 ) 上位机数据处理软件设计：在上位机( p c 机) 上使用微软觚e 豁作为 数据库，用d e i p h i 语言开发可视化控制处理界面，利用m a l l a b 等商用数据处 理软件进行数据处理，计算并显示真空断路器的机械特性参数，分、合闸线圈电 真空断路器机械特性在线监测仪 流特性曲线，动触头的行程特性曲线以及主回路电流、电压波形，可随时打印调 用所需数据，供检修人员对测试结果进行诊断分析。 ( 5 ) 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。 1 6 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，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，并且传感器要能运行稳定，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，动触头有个弹跳过程，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极强，即在较短的时间内 对各个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。 ( 5 ) 上位机数据库和处理软件是实现本监测系统功能的关键部分，程序要求 有实用性、可维护性和可更新性，这部分工作要有一定的经验，需要在调查实际 需求的基础上做不断的改进。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 真空断路器机械特性在线监测的原理 2 1 真空断路器的工作原理 真空断路器是利用真空作为触头问的绝缘与灭弧介质的断路器，是高压断 路器的一种。真空断路器的基本结构主要由支架，真空灭弧室，导电回路，传动 机构，绝缘支撑，操动机构六部分构成。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，带动动导电杆运动完成合、 分闸操作。 本文以配用电磁机构的z n 2 8 a 1 0 型真空断路器为例( 如图2 1 ) 介绍真空 断路器的合、分闸操作过程。 l 2 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 真空灭弧室紧圊螺钉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 1 0 型真空断路器结构 f i 9 2 1s t n i c t 哪o f z n 2 8 a l ov 扯u u mc i r c u i tb f e a l ( e r 真空断路器机械特性在线监测仪 合闸时操动机构合闸线圈得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 电秆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，机构中的分闸线圈得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。 2 2 机械特性参数的定义 2 2 1 机械特性试验的相关规定 根据高压断路器国家标准，机械特性试验中下列动作特性或整定值应予 以记录和计算【2 7 】： ( 1 ) 合闸时间； ( 2 ) 分闸时间； ( 3 ) 一极中各单元之间的时间差： ( 4 ) 极问时间差( 如果进行多极试验时) ； ( 5 ) 操动装置的恢复时间； ( 6 ) 控制回路的损耗； ( 7 ) 脱扣装髯的损耗，可能时还应记录脱扣器的电流； ( 8 ) 分闸或合闸指令的持续时间； ( 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 ) 制造厂规定的其它重要特性或整定值； 其中，动触头的行程一时间曲线，分( 合) 闸线圈电流一时白j 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损、 喜 沈阳工业人学硕士学位论文 疲劳老化、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问特性，提取各种机械特性参数并分析其变化可发现较 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【2 。1 。 2 2 2 机械特性参数的定义及对真空断路器性能的影响 下面结合分、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 2 ”。如图2 2 所示，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，分闸同期性定义为 首极开始分到所有极触头都分为止的时间之差。图中中部为分闸操作行程一时间 曲线，分闸线圈一得电，断路器由合闸位置变为分闸位置，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，坐标原点为线圈得电瞬间。 触头信号 行程( m 电流( a 图2 2 分闸机械特性示意图 f j 9 2 2m h 锄i c a lc l l a m t e f i s t i c so f o p i n go p e 嘣i 彻 真空断路器机械特性在线监测仪 图2 3 为真空断路器的合闸机械特性示意图，各机械特性参数的定义与分闸 操作的参数定义类似。 头信号 行程( m ) 电流( a ) 图2 3 合闸机械特性示意图 f i 9 2 3m h 锄i c a lc h 啪c 僦s t i c so f c l o s i n go p e 伯l i o n 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。 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。 合闸平均速度：指动触头在合阿过程中，运动全程的平均速度。 沈阳工业大学硕士学位论文 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。 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。 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。 合闸时问：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。 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。 触头开距：断路器处在分闸位置时，动静触头之间的距离。 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。 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， 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。 触头行程：动触头的起止位置之差的总位移量。 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达 到稳定的这段时间。 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。 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，振幅为分闸反弹幅值。 真空断路器机械特性在线监测仪 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。 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。 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，后开相燃弧时间长，妨碍真空断路器的开断性能。 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。 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。 2 3 课题需采集的信号 本课题的任务是在线监测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 = 矿r ) ， 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。 以下是本在线监测系统需要采集的信号： ( 1 ) 分、合闸命令信号； ( 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； 2 4 关键参数的确定 2 4 1 换位点的确定 换位点的确定是本文的一大难点，它涉及到多个机械特性参数的计算，如分、 合闸时间，不同期性等，关于换位点的确定不同文献采用不同的方法【1o 】【3 2 】【3 3 】。 沈阳工业大学硕士学位论文 本设计以分、合闸线圈中通过电流的瞬间作为分、合闸动作的起始时间。由于本 设计是以真空断路器为监测对象，测量断路器的机械特性，开距和超程是已知的， 所以通过记录动触头动作过程中的位移和时间点就可以确定每一个点的速度，因 此本设计以达到超程位移时的时间点作为刚分刚合换位点。 2 4 2 位移量的确定 在时间量和对应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，即是触头合 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，即是触头 分闸行程。三相触头全接触开始到合闸后稳态位置的位移量之差，即是合闸超行 程，行程和超程之差即为触头开距。本设计合闸超行程的起始点是由最后一相主 回路导通的时刻对应的位移确定的。 2 4 3 速度量的确定： 不同开关厂不同电压等级的断路器对速度的定义也不同堋，因此，针对本文 设计对象，结合行程一时间曲线，定义断路器的分、合闸速度。其中，断路器刚 分、刚合瞬间前l m s 至后1 m s 内的平均速度定义为刚分、刚合速度。每1 m s 算 一次平均速度，其中最大者作为最大速度。 图2 4 分合闸行程一时间曲线 f i 9 2 4t 伽c l - t i n 他c u “eo fo i i t l g 柚dc l o s i n g 真空断路器机械特性在线监测仪 如图2 4 所示，从分闸位置下取1 0 h ( ) ，从合闸位置下取l o h ( f ) ， 延长f 连线交，b 两点得r ，由此可得平均合闸速度。 y ；旦或矿：鱼( 2 1 ) ff - 其中，日为彳，口两点之间的位移，单位为咖，f 为由爿到b 的时间，单 位为m s ，y 为一b 之间的平均速度，单位为m s ；而为，f 两点之间的位移， 单位为哪，为由硝到f 的时间，单位为m s ，y 为f 之阃的平均速度，单位 为m s 。 如图2 4 所示，从分闸位冕下取l o h ( d ) ，从合闸位置下取1 0 h ( c i ) 。 延长c d 连线交c 、d 两点得f ，由此可得平均合闸速度。 y ；丝或y ：垒( 2 2 ) ff 其中，日为c 、d 两点之间的位移，单位为m ，f 为由c 到d 的时间，单 位为m s ，y 为cd 之间的平均速度，单位为m s ； 为c 、d 两点之间的位移， 单位为啪，为由c 到d 的时间，单位为m s ，y 为c d 之间的平均速度，单位 为s 。 2 5 信号检测方法的选择 2 5 1 分、合闸线圈电流信号的检测 本文测量的电流信号既有直流信号，又有交流信号，而且测量要求实时性很 高，因此选用近几年应用广泛的磁平衡式霍尔电流传感器作为分合闸线圈电流信 号的在线监测器件。它精度高，线性度动态特性和电气性能好，工作频带宽，而 且体积小，分合闸线圈回路穿芯而过，不会对真空断路器的主系统的正常运行造 成影响。另外，测量回路与输出回路相互隔离，故而不必再对电流输入通道进行 隔离。同时，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器只适用于5 0 h z 工频测量和分流器无法进行隔离检测的不足。 本设计采用的是哈尔滨三达德电力技术有限公司生产的s p 0 3 磁平衡式霍尔 电流传感器，如图2 5 所示。它的测量范围为0 l o a ，额定输出为o 5 0 m a ， 线性度为o 2 ，精确度为0 5 ，工作电压为士1 2 v d c ，频宽为2 0 k h z ，响应时 沈阳工业大学硕士学位论文 间小于l 坤，工作温度范围为一2 0 + 7 0 ，穿芯孔径为2 0 姗，外形尺寸为 4 6 5 2 2 5 m m 。 图2 5s p 0 3 霍尔电流传感器 f i 9 2 5s p 0 3h a l lc u m n t 靶n r 磁平衡式霍尔电流传感器s p 0 3 的原理如图2 6 所示，被测电流在聚磁环所 产生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检 测零磁通的工作状态 i n 原边电流 图2 6 磁平衡式霍尔电流传感器原理图 f i 簖6s c h e m 撕cd i a 鲫no f m a 印e t i cb a i a 舭c dh a c u n 锄ts e n s o r 真空断路器机械特性在线监测仪 工作过程为：当被测电流i n 通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感 应霍尔器件使之有一个信号输出，信号驱动相应的功率管导通，从而获得一补偿 电流i m 。补偿电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反， 补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当i n 与匝数相乘所产生的磁 场与i m 与匝数相乘所产生的磁场相等时，i m 不再增加，霍尔器件起到指示零磁 通的作用。此时可以通过i m 来测试i n ，若有变化时，平衡将受到破坏，霍尔器 件就有信号输出，重复上述过程达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平 衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流 流过次级绕组，对失衡的磁场进行补型”j 。 2 5 2 主回路电流、电压信号的监测 由于断路器开断的短路电流为电力系统一次回路的大电流，在实验室条件下 难以获得，所以本设计是在实验室额定电流做试验，因此选用的是哈尔滨三达德 电力技术有限公司生产的s k 0 4 a i 一1 0 0 0 开合式霍尔电流传感器，如图2 7 所示。 输出电流信号经匹配电阻转化成可供单片机采样的电压信号，由于其开合式设 计，安装测量十分方便。其测量范围为0 1 0 0 0 a ，额定输出为0 1 0 0 i i l a ，线性 度为o 踽，精确度为o 溉，工作电压为1 2 v d c ，频宽为2 0 k h z ，响应时间小于 1 邮，工作温度范围为一2 0 + 7 0 ，穿芯孔径为5 0 哪，外形尺寸为4 6 5 2 2 5 嘞。 图2 7s k 0 4 a 卜1 0 0 0 霍尔电流传感器 f j 9 2 7s k 0 4 a i 1 0 0 0h a l lc 阱e n t n s o r 沈阳工业大学硕士学位论文 本文选用o 5 级的电压互感器测量真空断路器的主回路电压，电压互感器二 次侧输出幅值为1 0 0 v 的电压信号，再经2 级电压互感器输出幅值为5 v 的电压信 号，经相关调理电路处理变成适合单片机的采样信号。 2 5 3 动触头行程信号的监测 目前，国内在线型监测采集速度行程信号主要有以下两种方法：一种是采用 位移传感器测量动态位移量；一种是靠测量合，分操作过程中机械振动波来分析 高压断路器操作机构性能。其中，前者是利用高压断路器在分、合闸过程中，动 触头的运动行程规律与主轴连动杆运动行程规律之间的关系近似为直线的特性， 通过测得断路器主轴连动杆的合、分闸速度特性，间接获得动触头的速度特性， 此方法可适用与大多数高压断路器的测试。后者是从安装在断路器表面上的传感 器获取振动信号，利用同一断路器同种状态的重复操作过程中外部振动信号相对 稳定的特点检测断路器的机械性斛1o 1 6 1 ，这种方法不需要电气接线，但是在断路 器的外壳上选择适当的测试位置和传感器的安装方位非常重要，测试点到振动 源的路径不一样会使得同一部件的冲击在不同的测试点上的响应不一样，每一种 型号的断路器均需要通过试验选定适当的检测位置，因此缺乏一定的通用性。因 此本文采用位移传感器测量动触头行程信号。 对断路器动触头行程信号的测量，最直接的方法是在动触头下或动触头的绝 缘拉杆下安装直线位移传感器。但基于4 0 5 k v 及以下电压等级真空断路器，其 结构非常紧凑，尤其在大量的开关柜中，断路器作为一个可装卸的模块，自身成 为一个整体，可用的空间越来越小，在动触头和绝缘拉杆附近可以安装传感器的 空间非常有限，传感器若装在动触头处，还存在高电位隔离问题。考虑到断路器 的动触头在分合闸过程中，其运动行程规律与主轴连动杆运动行程规律之间有着 固定的联系，因而通过把角位移传感器安装在操动机构的转动轴上，测量断路器 转轴的分合闸角位移一时间曲线，来间接得到动触头的直线位移一时间曲线，既安 装方便，又不影响机构原有的机械特性和绝缘特性哪州。 现有的测速位移传感器有电位器式、电感式和光电式三种。电位器式是接触 式结构，电刷与元件之间有摩擦，会影响寿命和灵敏度；电感式工作稳定，但动态 频率响应低，难以满足高压断路器的测试要求；光电式体积小，重量轻，动态频 真空断路器机械特性在线监测仪 率响应好。因此，综合以上考虑，本文采用长春第一光学有限公司生产的z k t 2 2 b 型增量式旋转光电编码器测量动触头的位移信号。如图2 4 所示，它采用金属码 盘，具有体积小、重量轻、高频响、分辨率高、承载能力强、力矩小、耗能低、 可靠性强、寿命长、耐环境性强等特点，是测量高速动态位移量的理想器件 z k t 2 2 b 型增量式旋转光电编码器电源电压为d c 5 0 2 5 v ，消耗电流1 0 0 m ， 响应频率为o l o o k h z ，每转输出脉冲数为5 0 0 1 5 0 0 p a 、b 相绝对角度误 差o 2 t ，周期误差o 0 5 t ，t = 3 6 0 0 n ( n 为每转输出脉冲数) 。 图2 7z k t - 2 2 b 型增量式旋转光电编码器 f i 9 2 7z k t 2 2 bi n c m e “嘲咖p h o t o e l e c 们ce n c o d 盯 旋转光电编码器由光栅盘、光发射器、光电检测器、信号处理单元和输出单 元组成，框图如图2 8 所示，通过光电转换，将轴旋转角位移转换成电脉冲信号， 输出三路信号：a 相，b 相和索引( i n d x ) 。当输入轴转动时，编码器输出a 相、b 相两路相位相差9 0 度角的正交脉冲串，通过信号处理电路，能从a 相、 b 相两信号的相对位置确定转轴的转动方向，得到转轴转动的角位移正负。第三 个通道称为索引脉冲，每转一圈产生一个脉冲，作为基准用来确定绝对位置。这 三个信号的相关时序图，参见图2 9 。由于脉冲数与旋转轴的角位移成正比，通 常，当转轴向某一个方向旋转时，该计数值将递增计数；而转轴向另一个方向旋 转时，则递减计数，通过加减计数器对a 相、b 相两路信号计数，由此可测出 动触头的位移和速度特性及触头弹跳。 沈阳工业大学硕+ 学位论文 图2 8 旋转光电编码器原理框图 f j 9 2 8s c h e m a t j cd i a g 舳o f r 哦i f yp h o t l ) e l e c t r i ce n c o d e r 正向旋转 l 电源线 信号线， 若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因 此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，按地线 应在2 3 蛐以上 ( 3 ) 接地线不构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成 闭环路大多能提高抗噪声能力，而且环路所包围面积越小越好。当模拟电路和数 字电路并存时，应使地线不构成闭环回路。 6 3 4 退耦电容配置 在p c b 的设计中。尽可能的在印制板的各个关键部位配置适当的退耦电容 退耦电容的一般配置原则是： ( 1 ) 在各集成器件的电源线和地线间并接一个大容量的电解电容( 1 0 1 0 0 i i f ) 和一个小容量的非电解电容( o 0 l u f o 1 i l f ) 。 ( 2 ) 原则上每个集成电路芯片都应布置一个o 0 1 p f 的瓷片电容，如遇印制 板空隙不够，可每4 l o 个芯片布置一个l l o p f 的陶瓷电容。 真空断路器机械特性在线监测仪 ( 3 ) 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如r a m 、i 的m 存储器 件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。 ( 4 ) 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 6 4 软件抗干扰设计 真空断路器的现场运行环境往往十分恶劣，干扰严重，系统除了要求硬件的 高性能和高抗干扰能力外，还需要软件系统的密切配合。进入监测系统的干扰， 其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，有时只能抑制某个频段 的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，还要采取软件抗干扰措施。 软件抗干扰的本质是在有干扰存在的情况下利用编程技术来抵消其影响。软 件抗干扰过程实质是一个干扰容错过