（高电压与绝缘技术专业论文）真空断路器机械特性在线监测.pdf

沈阳工业大学砸士学位论文 摘要 真空断路器机械特性的在线监测，是实现断路器预知性维修的前提，是保证其安全 可靠运行的关键，也是对传统离线预防性试验的重大补充和新的发展。现代检测技术的 快速发展为真空断路器机械特性的在线监测提供了可靠而有效的方法。真空断路器机械 特性在线监测的重点应该放在的操动机构上，本文主要介绍真空断路器机械特性在线监 测的原理和设计思想，并对试验结果进行分析。 本文首先采用对瞬时信号反应灵敏的霍尔电流传感器检测操动机构中合、分闸线圈 的电流信号；采用直流高精度差动变压器式位移传感器测量动触头的行程信号，并将 机械位移信号转化成同步的电压信号输出。系统以微芯公司高性能单片机p i c l 6 f 8 7 7 为 核心，设计了外围硬件接口电路，其主要包括：传感器的输入、模拟信号的调理、a d 转换、开关量的输入输出、i o 端口及数据存储器的扩展、键盘及数码显示、单片机与 p c 机串行通讯、电源设计等，并用汇编语言编写了相关的软件程序。上位机和下位机 通信采用r s 4 8 5 串行通讯接口协议，将采集的数据传送至p c 机，在p c 机上进行波形 显示和数据处理，然后计算出真空断路器的合( 分) 闸时间、平均速度、触头行程、超 程等机械特性参数。本设计还采取了一系列的抗干扰措旆，其中硬件的抗干扰技术主要 有隔离、接地、屏蔽、滤波等，软件的抗干扰技术主要有指令冗余、监视定时器和滑动 平均值滤波等。最后，课题采用v i s u a lb a s i c 语言实现人机界面的设计和波形显示部 分。 随着传感器技术，信号处理技术，微电子技术以及计算机通讯技术的快速发展，真 空断路器机械特性的在线监测技术水平将会不断完善与提高，这必将推动智能化断路器 的发展进程。断路器机械特性在线监测技术的发展将是智能化断路器成功研制的关键。 关键词：在线监测，机械特性，真空断路器，电磁兼容，数据处理 沈阳工业大学硕士学位论文 o n - f i n e m o n i t o r i n g f 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 f v a c u u mc i r c u i t b r e a k e r a b s t r a c t o n - l i n e m o n i t o r i n g f o rm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri st h e p r e c o n d i t i o no f p r e d i c t i n gm a i n t e n a n c e ，i st h ek e ye l e m e n to fr e l i a b l er u n ，a n di st h ei m p o r t a n t s u p p l e m e n t a n d u p d a t e dd e v e l o p m e n tt o t h et r a d i t i o n a lo f f - l i n e p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e a d v a n c e si nm e a s u r i n ga n d t e s t i n gt e c h n o l o g yc o n t i n u et op r o v i d em o l er e l i a b l ea n de f f i c i e n t m e t h o d sf o ro n l i n em o n i t o r i n go fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f v a c h u l t ic i r c u i tb r e a k e r t h e g r e a t e s te m p h a s i so nm o n i t o r i n gf 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 i nc i r c u i tb r e a k e r s h o u l db ep l a c e d0 1 1t h e o p e r a t i n gm e c h a n i s m i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l ea n d t h es p e c i a lw a y s o fo n - l i n em o n i t o r i n gf 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 c i r c u i tb r e a k e ra r ei n t r o d u c e d a n dt e s tr e s u l t sa r ea l s oa n a l y z e d f r s d y , t h eh a l lc u r r e n ts e n s o rt h a ts e n s i t i v e 幻i n s t a u t a n e o t t ss i g n a li su s e dt om o n i t o rt h e c u r r e n ts i g n a lo fc l o s e ( o p e n ) c o i li nt h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m ，l i n e a rv a r i a b l ed i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r ( l v d t ) d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e ro fd c ( d i r e c tc u r r e n t ) w i t hah i g h e r a c c u r a c y , i sa d o p t e dt om e a s u r em e c h a n i c a ld i s p l a c e m e n ts i g r 】a lo fm o v a b l ec o n t a c t , a n d c o n v e r t si ti n t ot h es y n c h r o n o u s v o l t a g es i g n a l i nt h i sp a p e ran e ws i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r p i c i6 f 8 7 7m a d eb ym i c r o c h i pc o m p a n y , i sr e g a r d e da st h ec o r ei nw h o l e s y s t e m ，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 r ed e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e si n p u to fs e n s o r , h a n d l i n go f a n a l o gs i g n a l ，a dc o n v e r s i o n ，i n p u ta n do u t p u to fs w i t c h i n gv a l u e ，e x p a n s i o no ff o p o r tm a d d a t as t o r a g ed e v i c e ，d e s i g no f k e y sa n dn i x i ed i s p l a y ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s i n g l e 。c h i pm i c r o p r o c e s s o ra n dp e r s o n a l c o m p u t e r , d e s i g no fp o w e rs u p p l ye t c ，a n d t h e s o f t w a r ep r o g r a mi sc o m p i l e d b y a s s e m b l el a n g u a g e t h ec o m m t m i c a f i o ns t a n d a r db e t w e e nt h e m a s t e rc o m p u t e ra n dt h es u b o r d i n a t ec o m p u t e r a d o p t sr s 4 8 5s e r i a lc o r n m u n i c a f i o ni n t e r f a c e a g r e e m e n t ，w h i c hc a nt r a n s m i ta c c u r a t e l yt h ea c q u i r e dd a t at op e r s o n a lc o m p u t e rt h a tw i l l d i s p l a yt h ew a v e s h a p ea n dp r o c e s st h ed a t a t h u st h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f v a c u t m lc i r c u i tb r e a k e rc a l lb e c a l c u l a t e d ，f o re x a m p l e ，c l o s e ( o p e n ) t i m e ，a v e r a g es p e e d ，l e n g t h o ft r a v e l ，o v e r l r a v e l ，e t c f u r t h e m a o r e ，s o m em e a s u r e so fa n t i 王i 】州色r e r l c e a r et a k e n t 1 1 e 2 沈阳工业大学硕士学位论文 t e c h n i q u e si nh a r d w a r ed e s i g nc o n s i s to fi s o l a t i o n ，e a r t hc o n n e c t i o n , s h i e i d i n g ，w a v ef i l t e r i n g ， e t c t h et e c h n i q u e si ns o t 礼v a r ed e s i g nc o n s i s to fo r d e rr e d u l l d a n c y ，w a t c h d o gt i m e r ，w a v e f i l t e r i n go fs l i p p i n ga v e r a g ev a l u e ，e t c a tl a s t ，v i s u a lb a s i cl a n g u a g ei s u s e dt oa c c o m p l i s h d e s i g n o f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d d i s p l a yo f t e s tw a v e s h a p e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs 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 e m 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 rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，o n - l i n em o n i t o r i n g t e c h n o l o g y f 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 n lc i r c u i tb r e a k e rw i l l g e t m o r e c o n s u m m a t i o na n d i m p r o v e m e n t ，w h i c h w 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 f i n t e l l i g e n tc i r c u i t b r e a k e r t h ed e v e l o p m e n to fo n l i n em o n i t o r 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 f c i r c u i tb r e a k e rw i l lb et h e k e y t os u c c e s s f u ld e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n t c i r c u i tb r e a k e r k e yw o r d s ：o n - l i n e m o n i t o r i n g , m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，v a e u u mc i r c u i tb r e a k e r , e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , d a t ap r o c e s s i n g 3 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。 签名：鲣馅蕴日期：兰竺圭：圣：丝 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。 虢坪嗵翩躲秘岛期：巡丝 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，是开关电器中最为关键的一种电气设备，是作为绝缘和灭弧的装置， 是发电厂和变电所配电装置中必不可少的设备。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。高压断路器在电力系统中肩负蓿控制和 保护双重任务，其状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行【1 】 2 】。 电力系统中，高压断路器数量最多、检修量大、费用高。有关统计表明，变电站维 护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中6 0 又是用于断路器的小修和例行检修 上。据统计，1 0 的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既 费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。在目前相对保守的计 划检修中，检修缺乏一定的针对性o 】【4 】。因此，及时了解断路器的工作状态、缺陷的部 位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修 的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济陛。 国际大电网会议对高压断路器可靠性所做两次世界大范围的调查，以及中国电力科 学院对高压开关事故的统计分析均表明，高压断路器的大多数故障( 主要故障的7 0 芹h 次要故障的8 6 ) 发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等，主要 是由于机械特性不良造成的，例如拒分、拒合或误动作等 5 州。因此，对高压断路器实 施状态监测，掌握其运行特性及变化趋势，对提高电力系统输电的连续性和高效性，降 低设备故障率，提高断路器工作的可靠性日益成为发展中的一项重要研究课题跏【1 0 1 。 作为电力输配电系统中应用最为广泛的开关电器设备，真空断路器具有自身的优越 性：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。由于 这些原因，多年来在中压开关领域保持领先地位 1 1 】。据统计在l o k v 、3 5 k v 配电系统 中，国外真空断路器的占有率大致己从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 【1 】。 沈阳工业火学硕十学位论文 真空断路器经过几十年的研究，积累了较丰富的经验，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，其可靠性有较 大差距，突出表现为：( 1 ) 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，差距还很大。 ( 2 ) 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、调整和维护1 2 】【1 3 】。 真空断路器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。氏期以来的 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。目前，电力系统专业技术人才正致力于真空断路器由计划检修到状态检 修的转变，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。电力设备的检修要实现这种转变，在线监测势在必行【1 4 【”】。真空断路器由于机械原 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。因此，及时了解断路器的工作状态对提高供电可靠性有决定性意义；并可以大大减 少盲目定期检修带来的资金浪费。 、 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l l “。国际大电网 会议组织的国际调查表明，在真空断路器的故障中，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。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往往又影响真空 断路器的原有稳定性，甚至会影响其正常运行，增加事故率。因此，真空断路器机械特 性的在线监测显得尤为重要1 1 7 。o j 。 真空断路器的电气性能是通过其机械特性来保证的，对真空断路器的运行状态实施 在线测量，主要包括合、分闸操作机械特性的测量，能及时了解其工作情况，实现从预 防维修到状态检修的转变，对提高其运行可靠性，保障电力系统安全十分重要。真空断 沈阳1 ：业火学硕士学位论文 路器作为电力输配电系统中应用最为普遍的开关电器设备，对其进行状态监测与故障诊 断，是对断路器状态预知的基础，也是提高供、配电可靠性的必由之路 2 1 - 2 4 】。 此外，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，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也是故障诊断技术 发展的前提，所以在真空断路器机械特性在线监测技术意义重大口”。 综上所述，课题的目的和意义在于： ( 1 ) 提高供电配电的可靠性； ( 2 ) 为真空断路器由计划检修到状态检修创造条件； ( 3 ) 最大化地节省不必要的检修开支； ( 4 ) 为智能化真空断路器研制做前导工作。 1 2 课题的发展现状 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 9 1 。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。从某 种意义上讲“状态维修”概念促进了断路器在线监测技术的发展。在电力系统中，可能 是由于断路器的造价与变压器、发电机等昂贵电力设备相比较为便宜，也可能是由于其 故障时所造成的危害不如电容性设备严重，虽然在变电和配电中，它所造成的非计划停 电事故无论从时间和数量上都远远高于其它电力设备，但直到9 0 年代以后期断路器在 线监测技术才逐渐发展起来口8 1 。 早期传统的测试方法中，检修试验人员通常使用电秒表、同步灯、光线示波器、电 磁振荡器和转鼓测速仪等试验设备进行测试。但这些设备运输困难，不但占用现场面积 火，测试时接线复杂，读取记录的数据要进行人工处理和计算，而且测量的误差大，检 修工作的时间长。在工业发达国家，自7 0 年代初就着手把计算机应用于断路器的测量 之上，市场上的产品如瑞典的b r e a k e ra n a l y z e rs y s t e mt m l 6 0 0 m a 3 1 ，美国的r t r - 4 8 c i r c u i tb r e a k e r r e s p o n s er e c o r d e r 等，但价格较高四1 。 8 0 年代末9 0 年代初，通过模拟数字电路技术的运用，先后研制投产了集箱式断路 器机械特性测试仪。这类仪器综合了上述部分仪表的测量功能，简化了试验接线和操 作，且具有携带方便等优点：但仍然采用传统的检测技术和试验方法，由可控硅直流电 沈1 4 1 t 业大学颁 学位论文 源测速器控制电路、门控电路及计时显示电路和同期灯等几部分组成，存在自动化程度 低、测量误差大和功能不强等缺点。随着微电子技术的发展及微机技术在国内外的广泛 应用，9 0 年代开始出现微机型高压开关机械特眭测试仪 9 】。国外在这方面的研究较早， 目前已有功能齐全、抗干扰性能高的成熟产品，如美国d o b l e 公司开发研制的t r - 3 0 0 0 型数字式断路器试验系统。国内先是出现了以z 一8 0 单板机作微处理器的产品，继 而出现了以m c s 5 1 系列单片机作微处理器的产品，现在也有采用m c s 一9 6 系列单片机 作微处理器。以z 一8 0 单板机作微处理器的微机系统测速误差大、导电杆总行程和导电 杆超行程测量精度低、达不到对速度、行程、超行程的测量精度，随着m c s 一5 1 系列单 片机的出现而逐渐被淘汰。9 0 年代中出现的以8 0 3 1 单片机作微处理器，以各种传感器 作为行程传感器的高压开关特性测量仪测量精度较以前有较大提高，时间误差不大1 二 0 1 m s ，行程误差不大于l m m ，速度误差不大于o 0 1 m s ，但是接线和操作仍较复杂。在 使用前检修试验人员必须仔细阅读使用说明，即使这样，在变电站现场检修中还是山现 试验人员接线或使用不当而导致测量出错或仪器损坏的情况，因此仍需进一步改进。目 前，国内一些单位和厂家仍在改进该类产品，使其应用于各种断路器，以及进一步提高 测量精度、系统稳定性和抗干扰性等，并进一步改进操作f 3 0 - 3 2 。清华大学电机系在这方 面做了大量的研究工作，研制出了几代用于高压状态参数微机化测试仪，已在国内的高 压断路器出厂检验和运行部门检修中使用。目前所使用的测试仪大多是使用光电传感器 检测断路器的行程及时间等来测试真空断路器的机械特性，这种方法通过计数光电传感 器中的编码器所发出的脉冲个数进行的。但是，这种方法存一些不足：( 1 ) 其分辨率 只能在1 i r m a 左右。若想提高分辨率，如达到o 5 m m ，需将光栅的间隔缩短到o 5 m r n 。 ( 2 ) 当断路器在合、分闸过程中，动触头有个弹跳过程，必须加硬件电路来进行方向 判断，否则会产生累加误差。 上述对高压断路器机械特性的检测，主要是在设备交接及停电期间，结合检修而进 行的定期预防性试验，根据检测结果进行部件更换或者检修等工作。这种离线检修方式 是按计划检修来的，无论设备状况如何都实施定期检修，致使有些设备超危险运行却得 不到及时维修，而有些设备使用率较低则得到不必要的维修。因此，为了更好地了解断 路器的机械工作状况，必须对断路器的机械特性进行在线监测。 沈阳工业大学硕士学位论文 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j _ 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，并己积累了大量数据 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 3 3 1 3 4 】。 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 一1 型高压断路器在线监测仪；1 9 9 5 年清华大学高压教研室研制 了c b a - 1 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 程一时间特性曲线及振动信号 3 6 】。此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行 的。随着研究的深入，都先后生产了自己需要的高压断路器机械特性在线监测装置，不 过都存在着只能对其中的一个或几个机械特性参量进行监测的闯题，检测结果的适用性 和部分项目的检测方法仍然很不理想。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统。 目前真空断路器机械特性在线监测技术存在的主要技术难题是：( 1 ) 传感器的选 择：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 ) 抗干扰问题：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。因此，要采取有效的抗电磁干扰技术；( 3 ) 监测量少，功能单一： 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 在线髓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；( 4 ) 数 据处理的问题：目前对机械特性在线监测主要是测量合、分闸时间，平均速度等，根据 这些测量值，经过简单的阂值判断来对机械操动机构状态做出预测。现有的在线监测单 元可阻狈4 量合、分闸特性曲线，对于机构的状态仍然仅能做出好或坏的判断，却判断不 了故障发生的部位。因此，现有的机械特性在线监测装置缺乏足够的数据积累，故障诊 断的分析能力也不足，需要建立数据库； ( 5 ) 性能价格比问题：监测单元寿命过短， 沈阳工业大学硕士学位论文 安装维护困难，价格过高，精度不够高。在实际应用中应尽量提高系统的性能价格比 3 7 1 1 3 8 1 。 综上所述，国内真空断路器机械特性的在线监测技术发展起步较晚，需进一1 步完 善。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，为真 空断路器机械特性在线测量提供了技术基础。真空断路器在线监测进入了一个新的发展 阶段，一些新理论、新技术、新检测手段正在被开发、运用。显然，检测手段一直是在 线监测技术的核心工作。研制新的真空断路器机械特性在线监测智能装置的目的在于对 合、分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做准备，提供一种积累数据的有效手段。 1 - 3 课题研究的主要内容 真空断路器的可靠性直接关系到电力系统的可靠运行，据国内外资料统计，在多种 真空断路器的故障中，机械故障达8 0 以上。因此，加强对真空断路器机械特性的在线 监测，具有十分重要的现实意义。然而，国内对1 2 k v 真空断路器机械特性在线监测的 研究很少，还没有较好地实现实际工作现场运行。本文就是针对目前的现状，综合已有 在线监测技术的优缺点，设计开发一套真空断路器机械特性在线监测装置。 课题研究的主要内容有： ( 1 ) 技术手段的实施部分：给出真空断路器机械特性在线监测的原理，分析以往 对相关信号检测方法的优缺点；针对待澳5 信号的特点，采用磁平衡式( 也称磁补偿式) 霍尔电流传感器对真空断路器操动机构动作时的合、分闸线圈电流信号进行测量，选用 直流高精度差动变压器式位移传感器对动触头的行程信号进行测量，以便方便、迅 速、准确、可靠地完成检测任务； ( 2 ) 下位机功能电路设计部分：选用微芯( m i c r o c h i p ) 公司8 位高性能单片机 p i c l 6 f 8 7 7 为微处理器进行外围硬件电路设计，主要包括模拟信号的输入、a d 转换、 开关量的输入输出、键盘显示、i o 端口及数据存储器扩展部分、电源设计等；制作硬 件电路板，分别对相关的硬件功能电路用汇编语言编制相应的软件程序； ( 3 ) 数据通讯部分：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r s 4 8 5 异步串行通讯接口协议，采用汇编语言编制下位机通讯程序， 沈m t 业大学硕十学位论文 采用v i s u a lb a s i c 语言编制上位机通讯程序，将采集的数据实时准确地传送到上位机处 理： ( 4 ) 数据处理部分：采用v i s u a lb a s i c 语言实现人机界面的设计和机械特性曲线的 显示，即在上位机上实时显示真空断路器动作时的合、分闸线圈电流特性曲线和动触头 的行程特性曲线，并计算出真空断路器的合( 分) 闸时间、平均速度、触头行程、开距 等机械特性参数，对测试结果进行分析； ( 5 ) 抗干扰部分：研究检测技术中的信号处理( 如信号放大、滤波等) 与变换方 法，采取有效的硬件和软件抗干扰技术，使测试结果更趋于实际。 1 4 课题需要解决的关键问题 课题的难点及所需解决的关键问题有： ( 1 ) 动触头行程信号的采集：真空断路器机械操动机构结构紧凑，选择较为理想 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；并且传感器能运行稳定，可工作在高电压、强电流、断路器操作的冲击与振 动以及工作时的环境温度的苛刻环境中，是课题的一大难点。 ( 2 ) 信号的实时采集及数据处理技术：真空断路器合、分闸动作过程瞬间即可完 成，现场采集的信号较多，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也是本文要解 决的难点。 ( 3 ) 抗干扰技术：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( 尤其对信号变换电路) 。因此，如何采取有 效的抗干扰措施，使现场监测单元的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要解决的关键问题。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 真空断路器机械特f 生在线监测原理 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间的绝缘与灭弧介质的断路器，是高压断路器中的 一种。真空断路器的基本结构由导电回路，真空灭弧室，绝缘部件，操动机构和附属部 件构成。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。本文以弹簧机构真空断路器为研究对象，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。真空断路器直流电机通电后启动， 通过机械装置使合闸弹簧储能，当合闸线圈通电，合闸铁心被吸合，铁心将撞击合闸掣 子，使合闸弹簧释放能量，带动导电杆运动，使动、静触头接通，完成合闸过程。合闻 过程中，分闸弹簧被储能。当分闸脱扣线圈通电，分闸铁心被吸合，从而使锁扣释放， 在分闸弹簧作用下迅速分闸，完成了分闸过程。 2 2 机械特性参数的定义 众所周知，真空断路器合、分闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸届的动触头速 度，对断路器的开断性能有至关重要的影响。分闸速度的降低将使电弧的燃烧时间增 加，加速了断路器触头的电磨损降低断路器的使用寿命，而且不利于正常开断；分闸速 度过高，使操动机构承受过大的机械应力和冲击，造成结构部件的损坏或者缩短其使用 寿命；断路器合、分闸的严重不同期将造成线路和变压器的非全相运行，可能出现操作 过电压、继电保护误动作等不矛u 现象，导致绝缘损坏。因此，真空断路器的机械特性参 数对电网的稳定运行意义重大。 真空断路器的机械特性主要包括：合( 分) 闸时间、触头行程、开距、超行程、合 ( 分) 闸不同期、合( 分) 闸平均速度、刚合( 分) 速度、合( 分) 闸最大速度、触头 合闸弹跳时间、触头分闸反弹幅值等口9 1 。真空断路器的机械特性参数是保证断路器f 常 工作的重要依据，从真空断路器动触头的行程一时间曲线、合( 分) 闸线圈电流一时间 曲线以及结合刚合、刚分位置信号可以确定机械特性参数。 沈阳工业大学硕士学位论文 为了更好地理解真空断路器的机械特性，现使用合、分闸机械特性测试时的信号波 形示意图1 1 、图1 2 来标明主要特性参数，从图上可以清楚地看到机械特性参数的定 义，为实际求取断路器的机械特性参数提供理论依据。主要机械特性参数定义如下： 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。 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。 触头行程：动触头的起止位置之差的总位移量。 触头开距：断路器处在分闸位置时，动静触头之间的距离。 触头超行程：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量。 合闸不同期：从首极合开始到所有极触头都合为止的时间之差。 分闸不同期：从首极分开始到所有极触头都分为止的时间之差。 刚合速度：动触头在合闸过程中与静触头刚接触时的速度。 刚分速度：动触头在分闸过程中与静触头刚分离时的速度。 合闸最大速度：合闸全过程中的最大速度。 分闸最大速度：分闸全过程中的最大速度。 图2 1 合闸机械特性示意图 沈阳t 业大学硕士学位论文 触 ，l t lt 3 图2 2分闸机械特性示意图 合闸平均速度：合闸过程中从触头开始运动到刚合位置点内的平均速度。 分闸平均速度：分闸过程中从触头刚分位置点到分闸位置内的平均速度。 合闸弹跳时间：在合闸过程中动静触头接触后由于弹力而反复弹跳，从弹跳开始到最终 达到稳定的这段时间。 分闸反弹幅值：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。 2 _ 3 合、分闸线圈电流特性分析 真空断路器在每次合、分过程中，直流线圈的电流随时间变化，变化波形中蕴藏着 极为重要的信息。铁心及合、分闸线圈是操动机构中的重要组成部分，是控制断路器动 作的关键性元件。当线圈通过电流时，在铁心内部产生磁通，动铁心受磁力吸动，带动 机械装置，使弹簧释能，使断路器合闸或分闸。铁心及合、分闸线圈的结构示意及等值 电路如图2 3 所示。 合、分闸线圈等值为一个电阻r 和一个电感线圈工。从能量角度看，合、分闸线圈 的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过铁心的运动，再转化为机械能输出。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 下面结合图2 3 的等值电路分析铁心在吸合过程中的动特性，推导合、分闸线罔中 的电流波形。当断路器接到合、分闸命令时，刀闸k 合上，线圈中通过电流i ，电路微 分方程如下： u ：r f + 坐( 2 1 ) 西 式( 2 1 ) 中甲为磁链。为简化分析，假设铁心不饱和，则有、壬，= l i 。电感l 不 随i 变化，但随铁心的气隙6 的变化而变化，即： u 蚺，+ 型婚堕+ ，丝 md tm ：r f + 三皇! + f d l d 6 d td 6d t ：r f + 上堕+ f 丝v( 2 2 ) 图2 3 合、分闸线圈结构示意及等值电路图 a ) 合、分闸线圈结构b ) 等值电路 1 一铁心2 一线圈3 一顶杆4 一铁轭 当线圈刚接通电源时，由于线圈是感性元件，电流不能瞬时达到稳态值，而是逐步 由零增大。同时，铁心吸力也逐渐增大。在铁心吸力不足以使铁心动作时，占= 氏。为 常数，即铁心的运动速度为v = 0 。式( 2 2 ) 变为： _门斟唾 沈阳工业大学硕士学位论文 u ：r f + 三生 1 西 ( 2 3 ) 式中厶为j = 氏。、时，线圈的电感。微分方程( 2 3 ) 的通解是： f - c p t 旦( 2 4 ) r 式中c 为通解常数。由r = 0 ，i = 0 的初始条件得微分方程( 2 3 ) 的一个特解： ，= 矿u e 屯 c z s ， 因此，在铁心运动之前，线圈电流f 呈指数上升。在时间t ，电流增大到动作电流 ，。，铁心的吸力超过反作用力( 如铁心重力，加在铁心上的弹簧力等) ，铁心开始运 动，v 0 。等值回路中增加一随时间增大的反电势f 豢v ，一般情况下，线圈电流i 比 d 0 铁心刚开始运动时的电流l 的数值要小，因此，电流f 偏离指数上升曲线，不断下降。 这一过程直到铁心吸合，铁心停止运动，v = o 。由式( 2 2 ) ，电流微分方程变为： u ：r f + 三，孚( 2 6 ) l ：为j = 匹。时，线圈的电感。故电流以铁心停止扛f ，时的电流，为初值，按指 数规律上升，最后达到稳态值，：旦。 月 上述变化过程可用图2 4 中的典型合、分闸线圈电流特性波形说明： 这一波形根据铁心的运动，可以分为五个阶段： ( 1 ) 阶段i ，r = “f 。线圈在r 。时刻通电，到 时刻铁心开始运动。“为断路器 合、分闸命令下达时刻，是断路器合、分动作计时起点。f 为线圈中电流、磁通上升到 足以驱动铁心运动，即铁心开始运动的时刻。这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心 静止。这一阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关。 沈7 n 3 - ：业大学硕士学位论文 ( 2 ) 阶段i i ，r = f ，。铁心运动，电流下降。f ，为控制电流的谷点，代表铁心 已经触动操作机械的负载而显著减速或停止运动。 ( 3 ) 阶段i i i ，f = f ，f 、。铁心停止运动，电流又呈指数上升。 ( 4 ) 阶段i v ，r = t ，“。这一阶段是阶段i i i 的延续，电流达到近似的稳态。 ( 5 ) 阶段v ，f = 屯f ；。电流开断阶段。此阶段辅助开关分断，在辅助开关触头 间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。 分析电流波形可知，f 。时间电流可以反映线圈的状态( 如电阻是否正常) ； f ，时间电流的变化表征铁心运动结构有无卡涩，脱扣、释能机械负载变动的情况。 “一般是动触头开始运动时刻。从t ，以后是机构通过传动系统带动动触头合、分闸的过 程，即动触头运动的过程i r 。为断路器的辅助触点切断的时刻；r 。f 。时间电流的变化 可以反映机械操动机构传动系统的工作情况 4 0 1 1 4 ”。 通过对线圈电流的监测可以了解真空断路器机械操动机构的变动情况。线圈电流波 形上i l 、1 2 、1 3 三个电流值分别反映电源电压、线圈电阻及铁心运动的速度信息，也可作 为分析动作的参考。因此，实时记录每一次开关操作过程线圈电流的波形，分析上列有 关参数是诊断断路器机械操动系统的重要信息。根据测得的电流波形计算操动机构的启 动时间、线圈通电时间等，并可根据断路器自身参数范围，比较判断操动机构是否已有 铁心空行程、弹簧卡滞等故障。本文通过对线圈电流特性的分析，为实际合、分闸线圈 电流的在线监测的实现提供理论参考。 j ( a ) 图2 4 合、分闸线圈电流的特性曲线 沈阳t 业大学硕士学位论文 2 4 系统测试的特性参数及检测的信号 本文的主要任务是真空断路器在线运行时，测出合( 分) 闸时间、合( 分) 闸平均 速度、合闸不同期、触头行程、开距、超程等主要机械特性参数。 为求取以上机械特性参数，应先考虑测量哪些信号。机械特性参数包括行程、速度 和时间三种参量，而行程为速度和时间的乘积，所以至少要知道两个参量。设计结合采 集的信号和单片机的性能特点，选用时间和行程( 断路器绝缘拉杆的位移量) 两个参 量。事实上是单片机的定时器配合真空断路器合、分闸过程中的如下输入信号： ( 1 ) 合、分闸命令信号； ( 2 ) 合、分闸线圈回路电流信号( 合、分闸操作的起点) ； ( 3 ) 真空断路器动触头的行程信号( 反映动触头的位移及速度信息) ； ( 4 ) 动触头刚合、刚分位置状态信号( 合、分闸换位点信号) ； ( 5 ) 辅助触点位置转换信号( 反映真空断路器的实际位置状态) 。 真空断路器在实际运行状态下，采集以上信号，结合定义求取合、分闸机械特性参 数及运行状态。 2 5 机械特性参数的确定 总体方案确定后，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。 2 5 1 合、分闸时间的确定 首先要确定的是合、分闸时间。合、分闸操作起始瞬间的选择直接影响着真空断路 器机械参量的数值，本设计合、分闸操作起始的依据是合、分闸线圈中有电流通过，所 以启动电流的定值( 即门坎值) 的大小，影响着测量精度，