（电气工程专业论文）变压器有载分接开关特性测试系统的研究.pdf

华北电力人学j 1 ：程硕十学位论文摘要 摘要 通过分析变压器有载分接开关的切换过程和检测原理，基于虚拟仪器技术设计 了变压器有载开关特性测试系统。该检测系统采用的虚拟仪器技术，由硬件和软件 组成。硬件以d s 8 0 c 3 2 0 单片机为核心组成测量电路，软件以l a b v i e w 为平台，利 用通信技术、数据库技术完成数据的传输、显示、保存、查询等功能。最后利用该 系统对几种有载分接开关的典型故障进行了分析。 关键词：有载分接开关，l a b v i e w ，软件开发 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es w i t c hp r o c e s sa n dt h ed e t e c t i o np r i n c i p l eo ft h eo l t ci s i n t r o d u c e d 。b a s e do nt h i sp r i n c i p l e ，t h eo l t cd e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h eh o s t c o m p u t e rs o f t w a r ef o rt h ed e t e c t i n gs y s t e mo ft h eo l t ci si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e s o f t w a r ei sb a s e do nl a b v i e w , a n dw i t ht h ev i s at e c h n i q u e ，t h es e r i a lt r a n s m i s s i o nf o r t h eh o s tc o m p u t e ra n dt h eg u e s tc o m p u t e ri si m p le m e n t e d t h el a b v i e wd a t ab a s e t o o l k i tc a nr e a l i z et h ei n t e r c o n n e c t i o no ft h ev ia n dt h ea c c e s sd a t ab a s e a n dc a n m a n a g ea m o u n t so fh i s t o r yd a t a c a l l i n gt h eg e n e r a t i n gr e p o r tt o o l k i to ft h el a b v i e w c a ng e n e r a t et h et e s tr e p o r to fw o r df o r m a t f i n a l l y , w i t ht h i ss y s t e m ，t h ed e t e c t e dk i n d s o ft y p i c a lf a u l t so ft h e o l t ca r ep r o p o s e d d ur u ih o n g ( h vt e c h n o l o g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g p r o f j ic h a n g h u k e yw o r d s ：0 l t c ，l a b v i e w ，p r o g r a md e v e l o p m e n t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器有载分接开关特性测试系 统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垄主莹! ! 日期：兰堕：卫! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：查! 盏! ： 日期：盥：f ! ! 旦 导师签名： 琴三乞叭 日 期：一参塑! ! ：! 。 华北电力人学工程硕l ：学位论文 1 1 选题的背景及其意义 第一章绪论 电力变压器作为电力系统的主要设备之一，其工作状态关系到整个电力系统的 运行安全。电力变压器在运行过程中，由于高峰低谷时输送容量不同，造成电压幅 值波动，为解决这一问题，采用有载分接开关，实现变压器的可变变比供电。有载 分接开关根据系统情况在线调整主变压器次级抽头来调整电压值，以保证在用电高 峰低谷及其它任何时候都能使电网电压幅值不致过高或过低。在调压的过程中，有 载开关作为变压器中的运动部件，它的工作状态将直接影响变压器的运行，对有载 分接开关切换的特性测试就至关重要。 传统的变压器有载分接开关工作顺序过渡时间测量，采用指示灯( 或万用表) 法和光线示波器法。这样每次测量均需进行繁琐的接线和仪器设备的调整调试。既 费时又费人力，同时还要求具有丰富经验的专人进行测量。基于这些原因，并结合 虚拟仪器技术的广泛应用，设计了变压器有载分接开关特性测试系统。 1 2 课题研究现状 有载分接开关的工作状态，直接影响变压器乃至电力系统的运行，开关的接触 不良、过渡电阻有缺陷及三相切换动作不一致，将直接影响变压器的寿命，造成触 头烧损、绝缘破坏、炭化等一系列问题。随着有载分接开关的使用日益增加，人们 发现有载分接开关的动态性能，直接影响变压器运行的稳定性，是电力系统稳定中 电压瓦解的重要因素，对电力系统稳定运行起决定性作用。美国华盛顿大学 k h o i t v n 教授等人对此进行了全面的研究，1 9 9 5 年英国电气工程师协会在英国举行 的欧洲有载分接开关运行与发展年会上，进一步对有载分接开关动态分析、监控的 必要性和重要性提出了一系列的实时监控和特性测试方案。我国在国家标准 g b l 0 2 3 0 - 8 8 中对有载分接开关动态性能提出了要求，在1 9 9 7 年国家电力设备预防性 规程中，对有载分接开关动态特性提出了专项控测标准，分别对转换致性、工作 顺序、接触电阻、过渡电阻、过渡时间及三相同期性提出了完整的技术要求。 传统的试验方法中，因为有载分接开关与变压器的线圈绕组是连接的，试验中， 要求必须直接与有载开关进行连接才能测试，无法带绕组测量，因此必须将分接开 关与变压器整体分离，使它与变压器绕组脱开，再与测试设备连接，人工手动旋转 切换开关进行测试，这种方法操作过程复杂，接线繁琐，准确度差，工作很难开展 而且需要起重机械配合。因而只在大修和必要时才进行检测维护，且一次试验花费 六七个小时或更长的时问，造成了人力、物力的浪费。 测量过渡时间波形，传统的测量方法使用录波器，由于录波器振子频带范围为 华北i u 力人学- t 程硕1 ：学位论文 1 0 0 0 - - 5 0 0 0 h z ，有载分接开关的一些缺陷不易发现，诸如分接开关接触不良，有烧 蚀等。无法准确或及时发现，精度不能满足要求。而且在测量波形的过程中往往要 调整录波器振子，为了调整波形振幅，也要考虑电阻箱的阻值及工作电流，需要工 作人员有很好的实际工作经验，也花费大量的时间。 测试分接开关的过渡过程，需要在变压器内部接线。分接开关需放油，然后工 作人员钻入孔中进行接线或将分接开关吊出试验。由于变压器绕组电感的影响，在 变压器套管上接线是无法测量的。 这种传统测试方法，操作过程复杂，需要起重设备配合，既浪费时间，又耗费 大量人力、物力，而且测试中由于测试动作与记录设备难以同步，往往要进行多次 重复操作。 上述这种操作方式在9 7 年规程颁布之前还免强可以适用，因这期间对于有载分 接开关在电力系统中稳定影响的认识还不足，对有载分接开关的动态性能不作为必 须测试的项目。在9 7 年的规程颁布以后，人们将有载分接开关对电力系统的动态性 能影响提上日程。规程中规定，在电力系统调压变压器的大修、中修、出厂时必须 对有载分接开关进行动态性能测试，并提出相应的指标。这种以法规的形式提出对 有载分接开关要进行动态性能测试的要求，提高了人们对有载分接开关动态性能的 认识，显而易见，传统的测试手段无法满足现行的需求，这就需要一种满足规程要 求的仪器。 国内几家研制机构在9 7 年底涉足变压器分接开关测试仪的研究。比较有代表性 的是河北保定市精艺电子仪器有限公司研制的3 1 6 8 c 和武汉特试特电气有限公司t e 2 0 6 0 ，这些仪器推出之初基本上可以满足有载分接开关动态测试的要求，但在技术 的完善性方面，还有很大距离。未解决带绕组测试稳定性问题及开关三相同步测试 问题，在转角角度测量问题上没有达到实用水平，在可靠性及仪表结构方面也不十 分理想。后来，包括以上两家公司在内的多家公司跟进研究，在仪器硬件、软件水 平上都有很大提高，性能不断完善，逐步达到实用水平。 1 3 本课题的主要工作 本课题将研究的是变压器分接开关特性测试系统，该系统由上位机( p c 机) 和 下位机( 基于单片机的变压器分接开关测试仪( 以下简称测试仪) ) 组成，需要p c 机和测试仪之间进行数据通信。 上位机主要是发送命令以使下位机传送采集数据并保存。 下位机测试仪器完成数据采集、与主机通信( 上传数据) 、键盘扫描、l c d 显示 等功能。该仪器主要用于测量变压器有载分接开关的过渡波形、过渡时间、三相同 期性等。 华北t 乜力人学t 程硕j j 学位论文 本课题的主要工作如下： 1 、查阅、收集资料，测试系统组成研究，主要是系统资源的总体分配以及各模块 功能划分。 2 、研究测试仪的各部分组成、功能和测试方法。 3 、编写变压器分接开关特性测试系统应用程序，主要是数据的采集、界面的制作 及波形的显示和处理。 4 、现场实验，进行测试波形分析。 华北i u 力大学_ 丁程硕，i ：学位论文 第二章有载分接开关特性测量原理 有载分接开关( o n l o a dt a pc h a n g e r ，简写o l t c ) ：它是能在变压器励磁或负载 状态下进行操作，用于调换绕组分接位置的一种装置。有载分接开关由带过渡阻抗 的切换开关和带或不带转换器的分接选择器组成。它是由安装在变压器箱壁的电动 机构经传动轴( 水平或垂直) 、伞形齿轮箱传动进行操作。在有些有载分接开关中， 把切换开关和分接选择器的功能结合在一起而称为选择开关。 2 1 有载分接开关工作原理 有载分接开关的原理，用一句话概括起来，就是采用过渡电路。现假设变压器 每相绕组上有三个分接头1 、2 、3 ，负载电流由分接l 输出，如图2 1 ( a ) 所示。 由于有载调压不能停电，因此在分接1 和2 间必须接入一过渡电路。调压时接入， 调压完断去。通常是用一阻抗( 电阻或电抗) 跨接与l 和2 之间，如图2 一l ( b ) 所示。则阻抗中将流过一“循环电流”。过渡阻抗不使1 和2 间短路，而起限流作 用，故又称限流阻抗。阻抗的接入好比在1 和2 分接问搭了一座临时的“桥”，这 时将动触头在桥上滑过，如图2 一l ( c ) 所示。则负载电流可以继续经过桥输出， 而不停电，直至动触头到达2 为止，如图2 一l ( d ) 所示。动触头既然到了分接2 ， 桥已无用，需要去掉。至此，过渡( 切换) 过程完成，原由分接1 输出的负载电流， 现在切换到分接2 ；原来是分接l 的电压，现在变为分接2 的电压了，如图2 1 ( e ) 。 如果再切换至分接3 ，切换情况与上述过程一样。 斟斟斟 ( a )( b )( c )( d ) ( e ) ( a ) 分接1 输出；( b ) “架”阻抗桥；( e ) 桥上过渡；( d ) 抵达分接2 ；( e ) “拆”桥，分接2 输出 图2 一l 有载调压开关过渡过程 为了达到图2 1 所示的情况，在结构上要有一组滑动接触，鉴于切换一个分接 的时间本来很短，并不需要这样圆滑的过渡，通常采用跳跃式过渡替代圆滑式过渡， 结构可大为简化。 2 2 有载分接开关分类 ( 1 ) 按结构方式分复合式( f ) 和组合式( z ) 两大类，例如c v 型属f 类，c m 型 4 华北电力大学t 程硕 ：学位论文 属z 类。 复合式：把分接选择器和切换开关功能结合在一起，其触头是在带负荷下选 择切换分接头。此时电动机构既可以完全独立，也可以与分接开关结合为一体。 组合式：由分接选择器和切换开关组合而成。分接选择器动触头是在无负载 情况下选择分触头之后，切换开关触头把负载电流转换到已选的另一分接头上。 有载分接开关若无特别注明，一般指组合式有载分接开关，而将复合式开关叫 选择开关。 ( 2 ) 按过渡阻抗分电抗式和电阻式两类，这两类的性能比较见表2 1 。 表2 - 1电抗式和电阻式分接开关性能比较 序项目电抗式电阻式 1 分接变换时间 慢速变换，变换时间5 - 6 s快速变换，变换时间4 0 m s 2 过渡阻抗 电感器：按连续额定负载设计， 电阻器：按短时负载设计， 体积大、耗料多、成本高体积小、耗料少、成本低 3 综合功能切换电流与恢复电压相位差9 0 0 ，切换电流与恢复电压同相 电弧易重燃，触头寿命低，油污位，电弧易熄灭，触头寿命 染大，维护检修频繁较长，维护检修工作量较少 从表2 - 1 可以看出，电抗式分接开关在功能和经济性方面明显劣于电阻式分接 开关，并逐渐被电阻式所淘汰。此外，电阻式有载分接开关根据过渡电阻数的不同 可分为单电阻、双电阻和四电阻等类型。其中常见的是双电阻的分接开关。本论文 研究的分接开关是我国变压器分接开关中常用的双电阻分接开关。 ( 3 ) 按切换介质分油( 液) 浸式、空气式( 干变) 、s f 。气体式三类。 油浸式：分接开关在油中切换的方式。 空气式：分接开关在空气中切换的方式。 s f 。气体式：s f 。气体作为分接开关绝缘介质，真空管作为切换元件。 有载分接开关大多采用油浸式的切换方式，只有在少数特殊要求的地方( 例如 干式变压器) 采用在空气中切换的方式。 ( 4 ) 按相数分i 相、i 相及特殊设计i i 相；三相分接开关各触头直接并联可作 为单相使用。 ( 5 ) 按连接方式分y 或d 联结两种。 y 联结：三相调压绕组经分接开关接成y 联结，此类分接开关往往用于中性点调 压。 d 联结：三相调压绕组经分接开关使变压器绕组接成d 联结，此类分接开关往往 用于线端调压或中部调压。 ( 6 ) 按调压部位分线端调压、中部调压和中性点调压三种。 华北电力人学工程顾i ：学位论文 ( 7 ) 按调压电路分线性调压、正反调压和粗细调压三种。 ( 8 ) 按安装方式分 埋入型安装与外置型安装、顶部引入传动与中部引入传动、 平顶式( 连箱盖) 与钟罩式等安装方式。 ( 9 ) 按灭弧方式分自由开断、强制熄弧、真空熄弧及s f 。熄弧等。 ( 1 0 ) 按触点方式分有触点与无触点。 2 3 有载分接开关的电路组成 由分接开关的工作原理知：切换分接的过程中必然要在某一瞬间同时连接( 桥 接) 两个分接以保证负载电流的连续性。而在桥接的两个分接间必须串入过渡阻抗 以限制循环电流，保证不发生分接间短路，这样开关就可以由一个分接过渡到下一 个分接。此部分称为过渡电路，过渡电路的原理就是有载调压分接开关的原理。另 外，调压变压器绕组有多个分接头，就需要有一套电路来选择这些分接头，此部分 电路称为选择电路。而不同的调压方式就要求有不同的调压电路。因此，有载调压 分接开关的电路由过渡电路、选择电路、调压电路三部分组成。以双电阻的切换为 例，各部分如图2 2 所示，图中，开关a 实现从k 1 切换到k 4 这一变换的电路称 为过渡电路，当由1 分接向1 1 分接切换时，开关i i 在不带电流的情况下预先选择好 1 1 分接，然后开关a 再由k 1 到k 4 切换，这样就变换到分接i i 了，将i 、i i 的电路 称为选择电路或预选电路，把调压线圈的部分称为调压电路。 图2 2有载分接开关的电路组成 2 3 1 过渡电路( 对应机构：切换开关或选择开关) 过渡电路是跨接于分接点间串接电阻的电路，与其对应的机构为切换开关。其 工作原理就是2 1 介绍的有载分接开关的工作原理。因此不再重复，这里只介绍双 引( 、- 9 1 刊 皇i l 。r - ：二j 一+ - 9 1 - l 二：二一 ( r ( b )( c )( d )( e ) 图2 3 c v 型有载分接开关的过渡电路 6 t 。 r c 一 91 。一。 ( f ) oliii-ljl1j iid习r， g t0，一，广 ot，i，j r 二一r 1 r?j，一，i l 华北电力人学t 程颂 ：学位论文 日日日日阿阿阿 ( a )( b )( c ) ( d )( e )( f ) ( g ) 图2 4c m 型有载分接开关的过渡电路 双电阻过渡方式按触头变化程序有“卜2 1 程序与“2 - 3 - 2 程序两种，两 者之间的性能比较见表2 2 。 表2 2 不同触头变换程序性能比较 序项目卜2 1 程序2 - 3 - 2 程序 1 过渡电路对称，双臂接过渡电阻，四个触头 对称，双臂接过渡电阻，四 个触头 2 输出电压四步，相量图外观像一面旗，故称旗两步，相量图外观像一面尖 变化循环 旗，故称对称尖旗循环 3 安全性 主通断触头切换任务轻，安全性好主通断触头切换任务重，安 全性差 从表2 2 看出，“1 - 2 - 1 程序优于“2 - 3 - 2 程序。因此，c v 型与c m 型有载分 接开关均采用“1 - 2 - 1 ”程序。双电阻式结构简单，经济性好，适用于中小容量有 载分接开关。 2 3 2 选择电路( 对应机构：分接选择器) 选择电路是为选择绕组分接头所设计的一套电路。复合式有载分接开关直接在 各个分接头上依次选择与切换；组合式有载分接开关的分接选择器设置单、双数触 头，接通彼此相邻两分接头。有载分接开关变化操作在于两个转换的交替组合，如 图2 5 所示。 选择器 切换开关 图2 - 5 选择电路示意图 选择电路中动触头选择分接头的运动方式有两种： 直线滑动方式：结构复杂，难以实现。 笼式圆周旋转方式：结构简便，易实现分接头按单、双数设置两层，动 7 华北电力人学丁程硕1 二学位论文 触头与中心环相连，级进转动依次选择相邻分接头，如图2 6 所示。 图2 6分接选择器动作顺序图 2 3 3 调压电路 调压电路是变压器绕组调压时所形成的电路。在调压电路中，变压器调压绕组 抽出分接头，这些分接头通过引线和选择电路相连，通过动触头分别换接到各分接 头上，以实现调压。本文中只介绍基本调压电路。 基本调压电路分为线性调压、正反调压和粗细调压三种，如图2 - 7 所示。 分 接 绕 组 极 性 选 择 器 双 极 性 选 择 器 ( a ) 线性调压 ( b ) 正反调压 ( c ) 粗细调压 图2 7三种基本调压电路 2 4 有载调压分接开关特性测试原理 2 4 1 有载分接开关的切换过程 双电阻有载调压开关的切换过程如图2 8 。图( a ) 为切换前的状态，分接开关接在 分接1 上；图( b ) 为切换开始，开关的滑动触头向分接2 移动，开关通过过渡电阻r l 华北电力人学t 程硕：i ：学位论文 与分接l 相连，图( c ) 中，1 、2 与滑动触头相连，触头通过r i 、r 2 分别与1 ，2 相接； 图( d ) 中，开关通过电阻r 2 与分接2 相连；图( e ) 中，滑动触头与分接2 连上，开关完全 切到了分接2 上，切换结束。整个切换过程约3 0 6 0 m s 。从整个切换过程看，开关两 端的电阻值发生了变化，即从0 一r r 2 一r o ( r l = r 2 = r ) 。 mmmmm ( a )( b )( c )( d )( e ) 图2 8有载分接开关工作顺序( r i = r 2 = r ) 因此从整个切换过程中电阻值的变化就能测定开关的工作顺序是否正确。图2 - 9 为切换过程中某一相的过渡电阻随时间的变化曲线( r t ) 。从切换过程中三相的过 渡电阻值随时间的变化曲线( r 。t ) ，可获得过渡时间、过渡电阻、三相同期性等参数。 由切换开关的动作原理可知，切换开关在切换过程中，串入回路的电阻值随时间有 规律地改变，将这一变化以图形方式记录下来，并与标准波形进行比较，就可以判 断出切换开关的动作是否正常。仍以双电阻的切换开关为例，其标准切换波形见图 2 9 。t 为总的切换时间，一般约为5 0 m s ；t l 为分开侧主触头打开至闭合侧过渡电弧 触头闭合的时间，这段时间也是提供给分开侧主触头可利用的熄弧时间。在主触头 打开瞬间，在它的动、静触头之间产生电弧，然后等到电流过第一个零点时，如果 两者之间的断口足够大，则电弧熄灭，反之则电弧重燃，等电流第2 次过零时熄灭。 由于触头断开瞬间电流相位是随机的，所以要求t 。_ l o m s ，以保证至少有一个电流过 零点使电弧能够熄灭。t ：为分开侧过渡电弧触头与闭合侧过渡电弧触头同时接通的 桥接时间，要求为3 7 m s 。此时回路中有2 个过渡电阻并联，所以其阻值只有前一过 程的一半。 图2 9 过渡电阻变化曲线 2 4 2 有载调压分接开关检i l ) l , l j ；1 ) l , l j 量电路 有载分接开关的动作过程如前所述，该动态测试系统主要功能是在有载分接开 关进行切换过程中，测试触头切换时在过渡电阻上产生的电压的波形，通过波形的 华北电力大学t 程硕一i ：学位论文 变化，计算机分析有载分接开关的动态性能及开关机械转向和开关动作的关系。测 试过程可以单独对有载分接开关进行，此种方法适应于新出厂的有载分接开关和大 修中从变压器上拆下的开关，可用在变压器厂、有载分接开关厂及电力变压器大修 厂。另一种测试方法是有载分接开关与电力变压器接在一起时，对有载分接开关进 行测试，这种测试方法更有广泛的意义。因为，在通常的情况下有载调压变压器都 是将有载分接开关与变压器安装在一起的，这就是所说的带绕组测试。这- - n 试方 法适应于所有有载调压变压器的用户，在进行例行维护时，不作任何机械、电气改 动，即可对有载分接开关进行动态测试。原理电路如图2 - 1 0 。 确鼬 u s ( a ) 有绕组测量电路( b ) 无绕组测量电路 图2 一1 0 测量电路原理图 1 、带绕组测量 有绕组时，因回路中加入了变压器，相当于一个电感，这个值约为几百毫亨到 几个毫亨，如果用电压源作测量电源，由于切换中过渡电阻发生变化，使回路中的 电流j 发生变化，对电感来说，当回路电流变化时，电感上会产生一个感抗j o ) l ， 从而使畋= u x + 吮，使，不等于过渡电阻，造成过渡电阻无法测量。因此为消除 电感造成的感抗带来的影响，决定采用电流源做为测量电源，如图2 一l o ( a ) 所示。 为防止电流源受负载变化造成波动，回路中串入一个小电阻墨，由u 和来 求得r ，即 r x = u ( u 墨) = u x 墨u l ( 2 - 1 ) 2 、不带绕组测量 无绕组时，可直接在被测开关上加入一电压源，取出电流信号，由r x = u i z 求 得电阻值，因切换前开关为短路状态，为防止电压源短路及切换过程中电源电压不 稳，在回路中串入一个取样电阻r t ，如图2 1 0 ( b ) 所示。 分别取出尺，及开关的端电压u i ，u x ，由 r 工= ( u i r , ) ( 2 - 2 ) 得r r 。 华北电力人学丁程硕j j 学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 主要技术指标及关键技术 3 1 1 主要技术指标 1 过渡电阻测量范围o 5 0q ； 2 测量精度：0 5 ； 3 分辨率：1 2 位； 。 4 采样频率：1 0 k 1 4 z ； 5 测量同期性误差：0 1 m s ： 6 分离角测量误差： l 。； 7 波形记录时间：o 一1 2 0 m s ； s 具有串行计算机通讯接口和并行打印接口； 9 环境温度：o 一4 0 ； 1 0 测量供电方式： 1 ) 电压源：9 v ，0 5 a ； 2 ) 电流源：3 0 v ，1 a 。 3 1 2 关键技术 通过调研和分析发现，作为有载分接开关特性测试系统，要完成全部的测试功 能，达到相应的测试指标，面临如下技术关键问题： 1 实时高速数据采集； 2 实现带绕组参数测试； 3 实现三相同步测量； 4 高可靠性的计算机处理系统。 3 2 测量仪器的总体设计 本课题研究的是电力变压器有载分接开关特性测试系统，该系统能够完成无绕 组和有绕组两种测量，能够描绘出切换过程中三相过渡电阻变化波形，测定工作顺 序、过渡时间、过渡电阻值、三相同期性。而且还要具有操作简易、波形显示直观、 可放大、缩小、数据读取方便，并能存储及打印的功能。其中有载分接开关特性测 试仪总体框图如图3 1 所示。 华北电力人学：r 程硕i ：学位论文 a 电压源 电流源 a 相测 幢电 路 e b 相测 量电 路 前放 前放 前放 前放 前放 前放 聚保 采保 采保 采保 采保 采保 多 路 模 拟 转 换 开 关 堕 片 机 图3 - 1 有载分接开关特性测试仪总体方案框图 被测开关的三相电压电流信号分别由测量电路送入，经前放送采样保持器、多 路模拟转换开关分别送a d 转换器转换成数字量，最后送入单片机进行运算和处理， 测得的波形和参数可在3 2 0 x 2 4 0 的点阵式液晶屏上显示，本仪器自带实时时钟，可 记录测试时间，仪器内有非易失r a m ，可保存三组被测波形，关机不会丢失，便于 现场测试后带回来分析。测试仪还配有r s 2 3 2 标准串行口，可将测得数据送计算机， 永久存档。 3 3 关键技术的实现 3 3 1 采样速率的确定 有载分接开关特性测试系统主要功能就是实时记录三相开关在切换的全部过渡 过程，以此对有载分接开关性能指标作出评价。所以说高速数据采集是开关测试系 统的关键，要求在1 2 0 m s 的时间内，以1 0k h z 的采样速度高速完成对三路信号的 a d 转换，并将采集的数据实时存贮。因此仪器电路设计目标要完成二点：其一是 设计三路1 2 位精度l o k h z 采样速率的a d 转换电路，并配置相应采样保持电路和 多路转换开关电路，二是设计满足计算机控制要求的存贮电路。由图3 一l 可以看出 有载分接开关特性测试仪是以单片机为核心的计算机测试系统，由前面的论述可知 有载分接开关动态测试仪，首先要完成有载分接开关切换瞬间参数的采集和实时存 贮。由于开关触点的动作时间在毫秒级，就是说在几十毫秒中完成一个触点到另一 个触点的切换。为了获取在触点切换过程中的全部变化过程，这就要求数据采集系 统必须具有很高的采样速度。这罩选取比值为1 0 倍：t = i i o t 。式中t 为采样时间， 1 2 一一一一一 一一一髓 掣路了旺堙碰 # 北i 乜力人学t 程顺 j 学位论义 t 。为开关动作的上升时间，t k _ 1 m s 时，t = o 1 m s = 1 0 0us ，这就使得采样频率达到 1 0 k h z 。由于电力变压器均是三相变压器，有载分接开关办都是三相开关，所以对 开关阻抗的测量，是通过施加电流测电压或施加电压测电流进行测量，这就要求对 三相开关进行同时测量。考虑开关测量的实际情况，要求分别对响应信号和激励信 号进行测量，就是说对每相开关的电压电流都要测量，这就使得为了要完成信号 l o k h z 的采样频率，a d 的采样速度就要6 倍于l o k h z 采样频率，即要求达到6 0 k h z 的a d 采样频率。有载分接开关特性测试仪另一测试内容就是三相开关的同期性， 亦是通过对开关的三相测试阻抗来反映的在同一开关动作下来看其三相不同的曲 线参数，反映三相开关动作的同期性。为了消除在测量上对其产生的误差，就要求 对其三相信号进行同时瞬间采样，否则将直接影响三相开关同期性的判别，由于系 统的数据采集电路a d 是时间间断的，这就要求增加信号的采样保持电路，来实现 三相信号的同时采样问题。 3 3 2 用高速a d 实现三相同步测量 由三相同步测量来完成三相同期性的测量，通过测得的过渡电阻动态波形上升 沿的不一致性，得到开关的三相同期性。由图3 1 可以看出本仪器的数据采集部分 是由采样保持器，多路转换开关和双路a d 在单片机的支持下来完成的，采样保持 器由l f 3 9 8 组成，通过单片机信号控制达到同时的数据采样保持，消除由于a d 转 换带来的同期性误差，经过采样保持器将三相信号中的电压、电流组成同一时刻的 六路模拟信号，送给a d 转换电路，由于不可能有6 路a d 来进行a d 转换，所以 要通过多路选通开关来依次进行a d 转换。这里选用低阻抗的a d 7 5 0 2 芯片作为多 路模拟选通开关。模拟数据转换a d 电路由两路a d 电路组成，采用1 2 位逐次比 较型芯片a d l 6 7 4 ，其采样速率为l o l * s 。本有载分接开关动态测试仪对信号测试的 精度要求小于0 1 ，这就要求a d 的误差必须小于1 1 0 0 0 ，1 0 位a d 的误差是 1 1 0 2 4 ，所以说1 0 位的a d 就可以满足要求，但考虑到一些干扰因素的影响，及 一些通用的测试仪器误差分配原则，1 0 位的a d 就无法满足要求了。将一部分误差 系数分配给测量电路，前放及采样保持电路，这就要求必须提高a d 采样精度，采 用1 2 位a d 来满足这个要求，1 2 位a d 的误差为0 0 2 5 ，将精度要求提高了四倍。 a d 的另一指标就是采样频率，如前所述要求达到6 0 k h z 的采样频率，即要求在十 几微秒的时间内完成a d 模数转换和将数据存贮，选用a d l 6 7 4 芯片可以满足以上 要求。a d l 6 7 4 是传统a d 5 7 4 的升级芯片，是1 2 位逐次比较型芯片，采样转换时间 1 0us 。一般看来采用一片a d l 6 7 4 即可满足仪器的技术要求，但这里还有一个问题， 就是连续地数据存储问题。要将实时的采样数据进行存储和处理，要由单片机对 a d ，采样保持器，模拟选通开关进行操作，要对数据进行“软触发”信号处理， 采用对信号识别的方法来确定采样信号起始状态，要对系统进行诸多的处理，所以 华北电力人学t 程顾i ：学位论文 在采用一片a d 的情况下，就显得时间分配不过来，这时采用二片a d 来解决这个 问题。本仪器要对三相信号进行处理，每相信号又是采用比对法进行测量，即每相 信号测试两个信号，用两路a d 一次对这两个信号采样，这种设计方法既提高了速 度又简化了软件的编制。 3 3 3 高速微处理器芯片 本仪器属智能化仪表，c p u 的性能是实现智能化效果的关键。本仪器里用8 0 c 3 2 0 单片机作为本仪器的c p u 。8 0 c 3 2 0 是8 位5 1 系列的高性能单片机，5 l 单片机是目 前国内应用最广泛的单片机之一，这就给仪器的研制提供了良好的技术环境，在硬 件软件上均减少了开发工作量，有充分的资料可以借鉴。8 0 c 3 2 0 单片机又解决了速 度问题，在同样的主频率下，8 0 c 3 2 0 是一般5 1 系列单片机运行速度的三倍，且 8 0 c 3 2 0 又可工作在2 0 m h z 主频下，这样就使得8 0 c 3 2 0 充分满足了仪器的技术要求。 3 3 4 具有实时显示、存储功能 有载分接开关特性测试仪设计了r s 2 3 2 通信接口，岬4 0 打印机接口、实时时钟、 非易失r a m 和键盘等，使其达到了智能仪器的要求。r s 2 3 2 接口使有载分接开关特 性测试仪具有了与计算机通讯的功能，可以将测试波形数据传输给计算机，作永久 性的资料保存。r s 2 3 2 接口由m a x 2 3 2 应用接口芯片组成，电路简单可靠。 1 显示 有载分接开关动态测试系统要求能够回放过渡电阻的过渡波形及具有良好的 操作界面。在有载分接开关切换过程中，每隔1 0 0 p s 采集一组数据，对数据进行运 算，得到各点的过渡电阻值r x ，送液晶显示屏回放。显示屏采用3 2 0 x 2 4 0 的点阵 式液晶屏，可显示菜单及图形。采用汉化下拉式菜单，并显示操作提示，所有操作 如测量、参数选择、波形存取以及打印和通讯等都可通过菜单完成，操作方便，简 便易学。在图形方式下，能同时显示出三相过渡波形，便于比较；波形可放大缩小， 通过选择和移动光标可得到过渡时间、三相同期性、过渡电阻等数据，准确快捷。 2 存储和打印 仪器的r a m 采用了非易失r a m ( 掉电保护r a m ) ，存储电路采用专用掉电保护r a m 芯片和普通r a m 芯片，这使得仪器的操作参数具有了连续性，可以保留上一次的操 作结果；开设数据存储区，保留三次的测试结果，具有了一定的存储功能。 设置i 上p 4 0 微型打印机接口，对有载分接开关特性测试仪的测试波形、测试结果 提供了硬拷贝的功能，方便测试结果的处理。i 上p 4 0 微型打印机采用高速4 0 字符面 板式打印机，实时打印结果。 3 实时时钟 华北f 乜力人学t 程硕上学位论文 实时时钟电路为仪器提供了一个标准时间，对于仪器的使用、标记打印结果提 供了方便，时钟电路采用d s l 2 8 8 7 集成芯片。 仪器设置了6 个键组成键盘，采用组合键方式，键与显示屏的下拉菜单组合构 成本仪器的人机接口。通过r s 2 3 2 接口和上位p c 机软件也可实现对仪器的实验操 作。 3 3 5 提高仪器抗干扰能力的措施 从多方面提高仪器的抗干扰能力： 1 采用电源隔离方式将c p u 的5 v 数字电路电源与模拟电源分开，在数字电路和 模拟电路之间采用光电隔离，做到数字地与模拟地一点接地，提高了测量电路的抗 干扰性。将继电器的控制电源与微机电源隔离，减小继电器动作瞬间冲击电流的影 响。 2 采用输入回路的继电器隔离电路，在测试瞬间接通外电路，在仪器其余操作 中与外电路切断，减少仪器受干扰的机会。 3 在测试过程中，充分考虑了电感、电压冲击的影响，采用了一系列的滤波措 施，消除了在测试过程中的干扰信号。 另外，在p c b 板设计、仪器结构、屏蔽等各个方面提高仪器的抗干扰能力。 3 4 系统的硬件设计 3 4 1 测试电源 有载分接开关动态测试仪的测试方法采用比对法，采用一个激励源对标准电阻 和被测电阻串联激励，通过测试标准电阻与被测电阻的响应，计算被测电阻的阻值， 原理如下图3 - 2 所示。 r 1 i r 2 土u 2 图3 - 2 测量原理图 图中u 。为激励，u 。，u ：为响应；r 。为标准电阻，r ：为被测电阻。 由图可知， r ：= u ：( r u ) ( 3 1 ) 1 5 华北电力人学工程硕i ：学位论义 从式中可以看出r ：的测试精度与u ；无关，仅与标准电阻r 。和测试响应u 。、u ： 有关，因为u 1 、u ：是同时测量的，这样对u ，、u ：测量的准确性要求就会降低，对u ； 的稳定性、精度要求亦会降低，从而可以保证r ：的测量精度。 理论上r ：的结果与u 。无关，u 。可以是电压源或电流源，只要选择的电压值或电 流值与r ；、r ：及后续测量值相匹配即可。但是有载分接开关测量分为二种情况：一 种是纯阻性的，就是仅测有载分接开关的过渡电阻，这时有载分接开关还未装入变 压器。另一种是有载分接开关过渡电阻与变压器的绕组相联接，这时，被测对象已 不是纯阻性，而是变压器绕组部分电感和有载分接开关过渡电阻串联，但测量的最 终目的是测有载分接开关电阻，这就给测试的激励源提出了要求，因为这时的r ：在 测试过程中是一变化的阻抗，而测试目的就是要测试这个变化过程，所以，就要最 大限度地降低这一变化过程的外界影响。在纯阻性的情况下，选择一电压源作为激 励源即可，电压源的动态特性远高于被测环境变化，外界因素可以忽略，标准电阻 选取0 5q ，被测电阻为5 0q 左右，在开关切换过程中此电阻有时为0q ，所以在 标准电阻前加一1 0q 限流电阻，电压源取9 v ，主测试回路工作电流在1 0 0 2 0 0 m h 范围。在感性电阻的情况下，由于电感的作用，若使r ：中的电流达到稳态，需要3 c 的时问，t = l r ，稳态电流为 i ：= u r( 3 2 ) 曲线如图3 3 所示。 图3 - 3 有绕组测量电流变化曲线图 由曲线可见，在r 一定的情况下，激励电压在u 或u 下电路要达到稳态都须在 t 。时刻，但如果在u 的激励电压下，达到u r 的电流仅须在t ：时刻，而t ： t 。，如 何可以达到这种情况呢? 就是设计一电流源使之开始电压等于u ，稳定电流等于 u r ，这就可以在很短的时间内达到稳定电流。 电流源的原理如图3 - 4 所示。 华北l u 力人学工程颀卜学位论文 图3 - 4电流源原理图 图中f e t 为功率管，n 为运放，r 为取样电阻，u i 为输入电压，u 0 、i 为输出电 压、电流，在电流没有达到稳定电流e r 时，u o u i ，在达到稳定电流时，i = e r 恒定。图中e 为基准电压，e d 为士e 的地，构成通用的浮地式稳流电流。 3 4 2 输入测量电路 输入测量电路由输入保护电路、测量电路组成。有载分接开关特性测试仪测试 的对象是变压器有载分接开关，电力系统设备都在比较复杂的环境下运行，变压器 有载分接开关是电力系统设备，所以要求仪器在较严格的规程下使用，同时还要求 仪器本身具有较强的保护功能。输入保护电路上配置继电器隔离开关，在确定外界 引线及被测开关处理好之后，再启动仪器测试，接通测试回路和测试激励电源。在 操作过程中增加了一次人机确定的功能，确保操作的安全性。在没有确定之前，仪 器与被测试对象是隔离的，与仪器通电与否无关，避免了由于开机不当造成对仪器 损坏。 有载分接开关特性测试仪的被测试对象一般情况下呈感性，在无绕组情况下， 主要是感性测试线；在有绕组情况下，绕组本身就是较大的感性负荷，由电路原理 可知，电感中的电流不能突变，就是说电感中存在电流时，电流回路不能断路，若 断路将产生高压冲击，如图3 - 5 所示。 l 图3 - 5 电感电流变化示意图 设在l 中有初始电流i 。，在r 上产生电压u ，若在瞬间r 电阻断路，r 的阻抗趋 于，由于电感电流不能跃变，i 。将维持不变，理论上i 。在无穷大阻抗上产生无穷 大电压，无穷大的电压将对仪器产生破坏作用。因此必须对这种情况采取措施。从 两方面采取措施：一是尽最大的努力，在测试中不出现断路，在仪器操作规程中作 了严格规定，并在工艺上作最大的安全设计，包括引线、接线柱、接线夹等；二是 华北i 乜力人学工程硕- j 学位论文 在产生冲击高压的情况下，加以抑制，或让产生冲击的高压损坏外部保护器件，保 护仪器内部电路。在仪器输入端加入电流续流回路，提供在仪器测试供电停止时电 感的放电回路，如图3 - 6 所示。 一i u 图3 6 电感输入口保护原理图 正常工作时由激励电压u 产生的电流i 在电感l 中流过，一旦u 回路断路，电 感中的电流i 通过二极管d 与电阻r 形成回路产生i ，电流不产生冲击电压，为了 保险，还在仪器的输入电路输入端加入压敏电阻，与上电路一样，在正常时不起作 用，呈现较大阻值，一旦产生高压阻值快速减小并损坏，保护后续电路。 测量电路提供有载分接开关参数动态测试系统的测试信号，完成电流源、电压 源切换供电，标准电阻取样，信号衰减切换。 有载分接开关的测量分为两种：无绕组测量和有绕组测量，即不带负载( 变压器) 测量和带负载测量。无绕组测量主要用于开关生产时出厂测量，有绕组则用于开关 检修时。由于有载分接开关使用时和变压器是连为一体的，测量时开关和变压器分 开很麻烦，所以采用有绕组测量。因有载分接开关的测量大多是在出厂后，因此有 绕组测量通常更为重要。 无绕组测量时，被测体表现纯阻性特性，测量采用加电压源的方法，在开关两 分接之间加入l o v 电压源，取出电压及电流信号，从而求得过渡电阻r ；。 有绕组测量由于回路中串入了变压器绕组，在切换过程中，过渡电阻r x 发生变 化，会造成回路中电流的变化，而变压器绕组呈感性，会阻碍电流的变化，产生振 荡，使测得的电压和电流信号不准，无法求得正确的r x 。因此，对有绕组的测量采 用电流源的方法，以电流源在建立恒流时的高电压加速恒流建立的过程，以消除电 感的滞流。同时在回路中加入滤波电路，削弱电感的感抗，使被测体呈阻性。如图 3 - 7 所示。 _ c = = ) 一 l u 一 滤 ) - s 波 电 路 变t 压l 器 i i 开 l 关上 图3 - 7 有绕组测量电路 1 8 华北电力人学t 程硕。 ：学位论文 有绕组测量时的振荡抑制回路，国内有载分接开关的过渡电阻一般情况下在2 位数附近，为了提高测试精度，增加了一个4 ：l 的信号衰减，以适应在5 0 q 以上 的高阻抗段的开关。在有绕组测量的方式，由于变压器绕组的存在，在开关过渡电 阻切换过程中，存在变压器绕组中电流的变化，即便是采用了电流源起到抑制作用， 但还会存在振荡的过渡过程，这个问题是本仪器中较难处理的一个问题，如图3 8 所示。 卜 l 上 。 n r 2 rl广t 图3 - 8 有绕组测量滤波原理图 图中虚框内为电流源i ，在开始，i 。不等于i ，要有一个建立i 。的过程，所以在 每次有绕组测