（电力电子与电力传动专业论文）断路器可靠性自动检测系统的研制.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h es o c i e t y ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt o t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m t h ei n t e l l i g e n t b r e a k e rh a sb e e nw i d e l yu s e db yt h ep o w e rs u p p l ys y s t e mf o ri t ss t r o n g f u n c t i o n ，w h o s eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r et h em a i ni s s u e st h a tu s e r sf o c u s o n p r o d u c i n gh i g h q u a l i t yp r o d u c t si st h ed r e a mo fm a n ym a n u f a c t u r e s i ns p i t eo f t h ew o r l d w i d eu s eo f t h ei n t e l l i g e n tb r e a k e r ，t h eq u a l i t y t e s t i n g d e v i c el a g sf a rb e h i n dt h en e e d so ft h ed e v e l o p m e n t m a n yf a c t o r i e sh a v e t ob u yt h ee x p e n s i v et e s t i n gd e v i c e sf r o ma b o a r d a n dt h eo p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c ea r ev e r yi n c o n v e n i e n t a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，w ed e s i g n a n di m p r o v et h i ss e to ft h et e s t i n gd e v i c e ，w h i c hm a d ef u l lu s eo ft h e b u i l d - - i na d v a n c e df u n c t i o n so fm s p 4 3 0s i n g l e - c h i pt oe n s u r ei t ss t a b i l i t y a n dr e a lt i m e t h er s 一4 8 5h i 【曲r e l i a b i l i t yc o m m u n i c a t i o nb u si sa l s o u s e dt or e a l i z et h er e m o t ec o n t r o lo ft h es y s t e ma n ds oa c h i e v i n gt h er e a l t i m ec o n t r o lo ft h et e s t i n gp r o c e s sa n dt h ej u d g m e n ta n dr e c o d i n go ft h e t e s t i n gr e s u l t s t h eu s i n go f t h et e s t i n gs y s t e mp r o v e dt h ec o n v e n i e n c eo f i t so p e r a t i n ga n di t sh i 曲a u t o m a t i z a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb r e a k e rs e c u r i t yt e s t i n gg l i d et a s k 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 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外，本论 l 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，均已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：霄弧 日期：，p j 年，月上f 日 附件五 i 。- 海交通大学海父迥大罕 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。本人授权上海交通大学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 苗等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在乞年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：1 琴 日期：扫。 年f 月叫日 l 1 1 j 籼 日 4 w 1 乒俐 抄奔月 名 年 铭 萨 雌 研 嚣 - = ， 戥 期 曾 日 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在学科 申请者 自琴 ( 专业) 砖7 ) 电子与电力t 初 论文题目 断路窑可靠t 嚏自动缆艰c i 糸癌，强研帝l 答辩目期地点 私易2 饶2l 。2 口鹕f 2f 答辩委员会成员 姓名单位职 称签名 卢广惹笙 盹，税刍、农援 书鸯七 i 骞 受艮j 吨红二税岩、象爱 c 荔锻仍 c 努馘盹乳z 张j 、 刊寿盘幔常烈 教仡? 日嘁乳，狂0 、函f 氙坡私，衄目 评语和决议：兰 庳巷可纬十t 槌 自- f 争髓芝当焉j ，丝中寸白1 第霉f 窆誉皂弓呵雒f e 断 傍烙出厂詹弓廷，傣 厦丁岢t 芏。旦乔氟帕砭爱r i j 一, f , c t 和痧中蠢釜 。 走i 逆j - q 停蓐1 可茸幢厨c 叻牧晌i 岛砖望馁欢揿，为了以童和周夜鲁 一该蛾矗街确面, - i s q - 卜至掌闾教千f ；番裂长r 芎引坛均丧- 4 仙忌句畅手壁。叫 争他寻褊藩f 3 釉毫磊粒稗朗外，力j 孑f 窜2 岳僻- 酾棼歹箩善7 噬鸯矗j 场撞 。啊i 之；皇1 - 一t - ：x “足m 5 p 年；。牮片丰。芬馒，u ，军f 刁5 一晰芯。可墨哗q 松窀槿f 咿 够，f 每过墨2 _ 钉2 兰吾：e 像见 副 乒荡壹蜘一劈希 f6 麓矗 次9f 二醒仉、，。 砭乏儆彦蒲壁、庋瞄穷，啊膨它屯睫， 攀f 刁嫂己i 南一议( 1 触寸辱 键渔掰辛畔之。糟寻破t 融 表决结果： 嘞啮捌渊辛一一滋 汐帅弓年t 月 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 l 前言 在低压电器领域中，作为低压配电与支路的主开关的断路器是一种非常重要 的元件之一。它可以对变配电系统、电力输送系统和用电设备的过载、短路、单 相接地及欠电压等实现保护，以避免或减小故障给电力系统及用电设备所造成的 损失，确保供电系统的安全性和可靠性。其中，智能化脱扣器的使用使断路器具 有遥测，遥控等功能。3 w n 6 过载脱扣前2 0 0 m s 时发出报警信号，在某些场合如 晶闸变流系统中很有用。国产d w 4 5 系列具有工控机，p l c 等通信功能，提供开 关状态，三相电流等数据和电压，功率因数，有功功率等参数。由于采用微处理 器做逻辑处理的基础，除传统脱扣，还有脱扣前报警，线路参数检测，试验功能。 由于采用各种现场总线技术，设备可实现网络化，通讯化。因此，万能式断路器 在配电系统中得到广泛的应用。它的质量和可靠性水平是用户十分关注和重视的 问题。生产出质量好、工作可靠的万能式断路器也是制造厂追求的目标。近十余 年来，机械部积极开展了机械产品可靠性考核工作，低压电器也列在其中。低压 电器的可靠性工作得到了推动和开展，成效显著，各制造厂在可靠性考核工作中 提高了考核产品的质量和可靠性，收益匪浅。根据行业要求，制定了 g b t 1 4 0 4 8 1 - 2 0 0 0 低压开关设备和控制设备总则， 6 b 1 4 0 4 8 2 - 2 0 0 l 低 压开关设备和控制设备低压断路器检测标准。万能式断路器在低压电器众多 产品中属结构最复杂、价格最昂贵的产品，其功能也较多，不但具有切换电能的 功能，而且还具有保护作用。从可靠度的角度来看，最好把万能式断路器整体作 为可靠性试验的内容。 2 可靠性技术 众所周知，产品质量是产品满足使用要求所具备的固有属性，它包括以下三 个主要指标：产品的功能( 即性能) 指标；产品的可靠性指标；产品的有效性指标。 而产品的功能指标和有效性指标能否满足生产使用需要，在很大程度上取决于产 品的可靠性水平如何。水平高才能使其得到充分利用，否则就无从谈质量。可靠 性( r e l i a b i l i t y ) 是指产品在规定条件下，规定的时间内完成规定的功能的能力。可 靠性工作范围相当大。例如：可靠性组织管理、可靠性数据、可靠性检验、可靠 性理论等等。可靠性的任务是研究产品的质量、产品的可靠性设计；对一些零部 件的寿命试验：对部件、系统进行可靠性评估；讨论产品可靠性检验和质量控制 等等的。它的目的是：提高产品质量，提高经济效益，提高产品的技术水平，提 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 高科学研究水平，最终降低或防止因产品失效而造成的损失及伤害。 可靠性技术是指与可靠性有关的工程方法，从确定产品可靠性指标、研究、 试制、设计、制造、试验、鉴定直到投入使用为止的各个阶段都与可靠性密切相 关，而且产品失效后对产品进行的失效分析也与产品可靠性密切相关。产品可靠 性技术基本内容如图1 1 所示，图中表示了从产品设计、制造、可靠性筛选、可 靠性试验、产品现场使用以及对失效产品进行失效分析，并将所得到的信息反馈 到设计、制造及可靠性筛选中去，以找到相应改进措旌的全过程。 图1 - 1 产品可靠性技术基本内容图 f j g 1 一ls t r u c t u r eo fp r o d u c tr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y 从图1 1 可见，可靠性试验作为可靠性技术基本内容的个重要环节，其 主要目的和作用之一在于通过对失效产品所进行的分析可找出引起产品失效的 内在原因( 即失效机理) 及产品的薄弱环节，从而可以采取相应的措旌来提高产品 的可靠性水平口】。可靠性试验是为了测定、验证或提高产品的可靠性而进行的试 验，是对产品在设计、研制、生产各阶段的可靠性进行调查、分析和评价的一种 手段，是可靠性工作的一个重要环节1 4 j 。通常，对产品进行可靠性试验的目的有 几个方面： ( 1 ) 在研制阶段使产品达到预定的可靠性指标。为了使产品能达到预定的可 靠性指标，在研制阶段需要对样品进行可靠性试验，以便找出产品在原材料、结 构、工艺环境适应性等方面所存在的问题，而及时地加以改进，经过反复试验与 改进，就能不断地提高产品的各项可靠性指标，达到预定的要求。 ( 2 ) 在产品研制定型时，根据产品标准( 或产品技术条件) 进行可靠性鉴定试 验，来全面考核产品是否达到规定的可靠性指标。 ( 3 ) 在生产过程中控制产品的质量。对于稳定的生产产品需要每个产品都按 产品技术条件规定的项目进行可靠性试验( 一般称为交收试验) ，此外还需要逐 批或按一定期限进行可靠性抽样试验( 一般称为例行试验) 。通过对产品的可靠性 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 试验可以了解产品质量的稳定程度。若因原材料质量较差或工艺流程失控等原因 造成产品质量下降时，就能在产品的可靠性试验中反映出来，从而可及时采取纠 正措旌来使产品质量恢复正常。 ( 4 ) 对产品进行筛选以提高整批产品的可靠性水平。合理的筛选可以将由于 各种原因( 如原材料有缺陷、工艺措施不当、操作人员疏忽、生产设备发生故障 和质量检验不严格等) 造成的早期失效的产品剔除掉，从而提高整批产品的可靠 性水平。 ( 5 ) 研究产品的失效机理，通过产品的可靠性试验( 包括模拟试验及现场使用 试验) 可以了解产品在不同环境以及不同应力条件下的失效模式与失效规律。通 过对失效产品所进行的分析可找出引起产品失效的内在原因( 即失效机理) 及产 品的薄弱环节，从而可以采取相应的措施来提高产品的可靠性水平【5 】。 根据试验的地点、试验的项目、可靠性工作的阶段、施加的应力强度、对可 靠性的影响、试品破坏情况、试验规模及抽样方案的类型等因素，可以将可靠性 试验分成很多种类，例如：按试验项目分类可分为环境试验、筛选试验和寿命试 验；按试品破坏情况分类可分为破坏性试验和非破坏性试验；按试验地点分类可 分为实验室试验和现场试验；按可靠性试验的性质分类可分为可靠性测定试验、 可靠性验证试验和可靠性增长试验；按抽样方案类型分类可分为定时或定数截尾 试验和序贯截尾试验。而本文主要讨论的是关于断路器的可靠性验证试验，该试 验应为非破坏性试验，且不能改变试品的失效机理。 可靠性检测可分为试验室试验和现场试验两种方式。两种方式各有其优缺 点，根据不同需要采用不同的检测方式。而计算机技术的应用可进一步提高检测 设备的自动化程度，具有数据处理功能，长期保存，可查阅每一台的检测参数和 整个检测的汇总情况。 1 试验室试验 优点： 曲试验条件和故障评判标准统一 b 1 可比性强 c ) 便于确定可靠性考核指标和评定方法 缺点： a ) 使用条件不同 b ) 主要技术性能的可靠性试验费用浩大 c ) 试品数量少，试验费用贵 2 现场试验 ( 1 ) 建立断路器在线监测系统1 2 j ，可对断路器进行长期连续监测。断路器现 场监测摸块与传感器安装在开关设备上，不影响设备的原有性能，参数及可靠性。 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 采用计算机技术、传感器技术、电磁兼容技术，使得断路器现场监测摸块的运行 可靠性高，可工作在强电磁干扰，温度变化大，机械振动强的苛刻环境中。 ( 2 ) 断路器现场监测摸块能把数据送到上级计算机，建立断路器的状态数据 库。应用信号处理技术，能对断路器进行质量统计与管理。 ( 3 ) 监测系统不仅可以提供断路器当前的参数，而且还能分析重要参数的变 化趋势，为现场断路器的维修提供依据，增大设备的维修保养周期，减少维修保 养费用。 ( 4 ) 具有各种数据采集、信号处理、故障诊断、数据管理软件，人机界面好。 因为在现场使用中有许多不定因素的影响，不能满足试验室条件，比如在制 造厂，s f 6 断路器车间对清洁度有很高要求，这一点在现场很难满足，因此在国 外又发展了l 临时性监测技术( t e m p o r a r ym o n i t o r i n g ) ，应用这一技术，在检查 断路器时，不需打开断路器，采用传感技术即可了解断路器内部触关烧损、机构 等情况。这一技术在状态维修中具有重要作用。 综合两种优点我们自行开发研制一套检测装置，即可用于实验室出厂检测， 又可用于临时性监测。 3 国内外研究及其发展 微机化的断路器检测仪器( 离线式) 国内外均有多家生产，检测项目多只有 合分时间，速度，同期性，回路电阻等，在技术上没有多少困难，据了解北京大 学电子仪器厂的产品生产历史久，品种多，己生产出多达六种型号产品，在国内 市场上占有率高。该厂不少产品系从清华大学引进。断路器临时性监测仪的检测 项目除上述项目外，还有( 1 ) 合闸线圈电流检测分析，( 2 ) 分闸线圈电流检测 分析，( 3 ) 动态回路电阻，( 4 ) 关合分断过程中的机械振动等。清华大学在 1 9 9 5 年己为大连电业局做出产品。据了解，断路器在线监测系统，国内生产尚 少，因此十分有必要开拓这一广阔市场。 在国内天水长城开关厂断路器检测向国际水平看齐，从瑞典宝加玛公司引进 的断路器智能检测系统经过中文模版转换和认真调试后，检测断路器4 0 0 0 多台 为用户提供机械特性实验报告4 0 0 0 多份，使用户对长开厂z n 6 3 、z n 6 5 精品断路 器内在质量有了全新认识。引进的这套检测系统测量精度达0 1 ，测量行程精 度达0 1 r a m ，开断时间精度达0 1 m s ，可对断路器主要机械特性进行测量，其检 测水平与当今国际同行业检测水平看齐。在检测过程中对每台断路器进行单独编 号，检测合格后，该检测系统自动打印机械特性实验报告，用户可从报告中的测 量数据和机械特性曲线对每台断路器的运行平稳性、设计水平和装配质量有一个 全面准确的了解和评价。 但是尽管万能式断路器在国内外得到广泛应用，但对其产品的可靠性检测设 4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 备却远远落后于需要。许多厂家必须高价进口国外的检测仪器和设备，而且使用 和维护都十分的不方便；针对这种情况，我们自行开发研制了这套万能式断路器 的可靠性检测装置。为进一步提高工作效率，同时完成多台断路器的自动检测， 实现流水线作业，致力于向国际水平看齐，我们又对这套检测装置进行了一系列 改进，设计出了符合本国国情的自动化检测装置。 4 本方案介绍 对于断路器来说，从生产到使用直至报废，其失效率基本是符合浴盆曲线 ( b a t h t u bc u r v e ) 的，如图卜一2 所示：i 区为早期失效型( d e c r e a s i n gf a i l u r e r a t e ) ，简记为d f r 型，它是由于产品内部材料有缺陷，设计不妥善，制造有缺 陷，检验疏忽所造成的；i i 区为偶然失效型( 或恒定失效型) ( c o n s t a n tf a il u r e r a t e ) ，简记为c f r 型，它是产品在使用过程中，由于应力条件随机的变化，而 使产品发生的偶然失效。在这一阶段为产品的最佳使用期；区为耗损型 ( i n c r e a s ir i gf a i l u r er a t e ) ，简记为i f r 型，这一阶段失效率随时间t 的增大 而增大，属于产品老化、衰变、退化的状态。 可见，断路器在使用初期，由于本身的缺陷而产生失效( 即不可靠) 的可能性 大，随着使用时间延长，失效率逐渐下降，其失效率属于d f r 型。如果上述缺 点充分暴露，经过维修，失效率降到最低进入偶然失效期，这时，失效率稳定于 常数，其失效率属于c f r 型。随着工作时间的再延长，达到了使用寿命，从而 进入耗损失效期，其失效率属于i f r 型。 t l t 2 图1 2浴盆曲线图 f i g 1 2b a t h t u bc u r v e t 所以根据浴盆曲线，若能在投入运行前对产品进行一定次数的操作测试，使 其度过早期失效期直接进入偶然失效期，可使产品的性能趋于稳定。因此，加强 机械故障的检测手段，提前发现潜在故障，对降低设备故障率，以提高电力系统 的安全性和高效性具有十分重要的意义。 在早期的传统的测试方法中，设备庞大，运输困难，而且这些方法不但占用 5 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 现场面积大，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。存在自动化程度低、测量误差大和功能不强等 缺点。而且，随着电力事业的发展，输电线路电压越来越高，高压断路器每相断 口数也相应增加已不能满足测量要求。为了进一步提高断路器的测量精度、系统 稳定性和抗干扰性等，为断路器的大批生产提供快速的可靠性自动化检测设备， 根据其可靠性指标特设计了这套检测装置。 本套低压断路器可靠性试验装置是为万能式框架式和抽屉式低压断路器产 品的可靠性试验而设计的。该装置不仅具有多种控制功能，而且能对产品的常见 故障进行判断、记录和分析。万能式低压断路器分为框架式和抽屉式两种，对该 试验装置的要求也有所不同，本文以d w 4 5 框架式低压断路器的可靠性试验装 置为例，阐述其结构与功能。该试验装置也可作断路器在主电路空载情况下，电 动机操作机构和脱扣机构( 包括分励脱扣器和失压脱扣器) 的动作可靠性试验和 研究之用。 这套检测装置包括硬件和软件两部分。硬件部分负责断路器各种参数信息的 检测包括：主电路电流、电压的检测，操作机构合闸、分闸电流的检测，触头超 行程的检测以及不同条件下各种开关量的通断情况等等。软件部分主要完成：断 路器参数选择，能对检测结果进行显示保存，打印，查询，对错误故障进行分析、 判断，自动显示故障点，便于工作人员对开关进行维护。此外，为了实现流水线 作业，我们还对检测系统做了一系列改进。利用新型单片机m s p 4 3 0 来完成检测 过程，通过r s 4 8 5 总线与上位p c 机进行通讯。上位p c 机完成对检测结果的判 断、分析和处理。在下面的章节中将对此进行详细的说明。 6 上海史通大学硕士学位论文 第= 章系统硬件设计部分 第二章系统硬件设计部分 l 产品介绍 在介绍检测装置之前有必要对检测的产品做一个简单的了解。下面将介绍一 下产品的机构组成和特点。 d w 4 5 是我国自行研制开发的新一代智能型断路器，不仅具有切换、控制、 保护等功能，还具有自诊断、显示、记忆功能和计算机接口。因为其保护功能齐 全，自动化程度高而被广泛应用于电力系统配电网络中，用来分配电能和保护线 路，防止电源设备遭受过载、欠电压、短路、单相接地等故障的危害，提高供电 可靠性。 1 结构组成 智能型断路器主要由触头系统，操作机构，智能型脱扣器以及各种电气附件 ( 如欠电压脱扣器，分励脱扣器，闭合电磁铁，电动储能机构，辅助触头等) 组 成。分励脱扣器的可靠工作电压范围是7 0 1 1 0 ，闭合电磁铁和电动储能机 构为8 5 1 1 0 ，而欠电压脱扣器性能见表2 1 。 表2 1 断路器欠电压脱扣器性能表 t a b 2 1p e r f o r m a n c et a h leo fb r e a k e r 类别欠电压延时脱扣器欠电压瞬时脱扣器 脱扣器动作时厄 延时1 、3 、5 s瞬时 脱扣器 3 5 7 0 u e 能使断路器断开 动作 3 5 u e 断路器不能闭合 电压值 8 5 1 l o u e断路器能可靠闭合 在1 2 延时时瓶内，当电源 断路器不断开 电压恢复到8 5 u e 时 2 故障原因 根据多年来用户使用中暴露的故障和制造厂多年来试验结果表明断路器的 主要故障是机械故障( 包括操动机构及控制电路故障) ，包括拒分、拒合、非全 相合分、机械卡滞等。统计表明5 0 7 0 故障来自断路器的操作机构。另外， 用作控制和保护的分励、失压脱扣亦存在一定数量的故障。而断路器的电寿命及 短路、过载脱扣，由于实际使用中常留有很大的冗余或者极少发生等原因，出现 问题极少“1 。操作机构有两种方式：电动机操作和手柄操作。这两种操作方式互 不干涉，位于断路器正面右侧。操作机构由储能机构，自由脱扣机构，电动机传 上海交通大学硕士学位论文 第= 章系统硬件设计部分 动机构组成。储能机构由储能弹簧，凸轮，储能杠杆，扣板，半轴构成”。自由 脱扣机构为两级再扣：第一级为顶杆式，第二级为半轴扣板式。电动机传动机构 由直流串激电动机作动力源，高速电动机经齿轮和行星变速轮变速后带动主轴上 的凸轮转动而工作。各部件以及机架之间的运动关系相当复杂，机构的分断和闭 合速度非常快，容易出错，因此是可靠性检测的重点研究对象。 2 技术要求 本套检测装置必须达到如下技术要求： ( 1 ) 试品的数量 根据可靠性理论，大样本较能充分反映母体的现况。但对万能式断路器言， 要抽取较多的试品，比如1 0 台、2 0 台甚至更多，对我国的生产厂家来说是不切 实际的。但试品也不能过少，比较合适的数目为4 5 台。每批试品为4 台d w 4 5 框架式断路器：固定式、快速电动机操作，带分励和失压脱扣器。4 台试品依次 轮流动作。断路器用操作电动机闭合，然后由分励脱扣器或失压脱扣器断开。断 路器每闭合和断开1 次称操作1 次。试验操作频率为1 2 0 次h 。 ( 2 ) 可靠性特征量 如前所述，万能式断路器具有切换、控制和保护等几方面的功能，因此，采 用一个可靠性特征量很难反映产品的可靠性。对于操作机构，宜采用平均无故障 工作时间( m t b f ) ，而失压、分励脱扣则采用成功率较为妥当。 ( 3 ) 试验截止时间 作为可靠性摸底试验的时间可考虑长一些，尽可能试验到耗损失效期出现为 止，或者每台产品发生4 5 个故障，或者试验到4 5 倍的电寿命的操作次数。 ( 4 ) 测量 断路器工作过程分为闭合和断开，在这两个过程中观察或测量的点也有所不 同。 对于闭合过程： 断路器控制电源电压； 控制电路电压： 电动机( 或电磁铁) 有无电流输入； 断路器主触头的闭合状况； 断路器辅助触头正常工作状况： 从施加控制电源电压起到所有极主触头都闭合瞬间为止的时间间隔，即 闭合时间； 主触头闭合后，电动机停转状况。 对于断开过程： 上海交通大学项士学位论文第= 章系统硬件设计部分 分励、失压脱扣器的输入电压： 分励、失压线圈的工作电流； 主触头断开状况： 辅助触头复位状况； 断开时间。 上述的检测量对于故障的判断和分析会有很大帮助。在闭合、断开这两个过 程中，操作电动机、失压脱扣器、分励脱扣器的控制电压自动按试验次数的比例 分配。以每操作4 0 次作为个分配周期。表2 2 列出了断路器闭合过程中操作 电动机和失压脱扣器以及断路器断开过程中分励和失压脱扣器控制电压的分配 要求。装置的测量误差必须小于5 。 表2 2 断路器闭合、开断过程的技术指标 t a b ，2 - 2t e e h n ic 8 ii n d e xo fb r e a k e r s0 na n d o f f 控制电压 占总操作次数 操作类别部件类别操作次数 u 。的份额 1 1 0 2 05 0 操作电动机 8 52 05 0 闭台过程 8 5 2 05 ( 3 失压脱扣器 1 l o 2 05 0 7 0 1 0 2 5 分励脱扣器 断开过程 1 1 01 02 5 失压脱扣器 3 52 05 0 此外，还需要对脱扣器整定检测，包括： a ) 长延时过电流特性 长延时过电流保护反时限动作特性为i2 l = ( 1 5 i ，) 2 屯，其中t t 一长延时 1 5 i 。时整定时间，i ，一长延时整定电流，t 。一长延时动作时间。 ( 1 ，0 5 2 o ) i 。的动作时间见表2 3 。要求其时限误差为1 5 ； 表2 3 长延时过电流保护特性 t a b 2 3p r o t e c t io l lc h a r a c t e r is t i co fl o n g d e l a yo v e r c u r r er l t 2 0 1 i 。l 卜 1 0 5 1 r l 1 3 1r i t l ( s ) 1 53 0 6 0 1 2 02 4 04 8 0 i 动作时 2 h 不 8 1 。1 时应自动转换为定时限特性，其定时限特 性见表2 4 ，要求时限误差为1 5 ； 表2 4 过电流脱扣器短延时特性 t a b 2 - 4p r o t e c t io nc h a r a c t e r i s t i eo fs h o r t d e l a yo v e r c u r r e n t 延时时间( s )可返回时间( s ) 。10 2 0 3 o 4o 0 60 1 4o 2 3o 3 5 c ) 瞬时保护特性 当短路电流为l o i 。- - 5 0 k a 时，智能脱扣器为瞬时动作，其动作误差为1 5 ； ( 5 ) 故障判据。当发生以下情况时，判断为故障： 试品的闭合时间超过了摄大固有闭合时间的2 倍，即操作电动机施加 控制电压后，超过1 6s ，试品主触头仍未闭合： 试品闭合后，操作电动机未能停转于规定的位置上( 超转) ； 试品的断开时间超过了最大固有断开时间的2 倍，即分励脱扣器或失 压脱扣器施加脱扣电压信号后，超过0 5s ，试品主触头仍未断开； 零部件碎裂、掉落； 辅助触头在断路器闭合时，其常开触头不能闭合，常闭触头不能断开： 断路器断开时，辅助触头不能复位。 ( 6 ) 判断故障发生的部位。根据故障发生的次数作出是否停止故障试品或整 个试验的判断。 ( 7 ) 当发生停电时，能保存各试品的试验次数和故障次数等重要数据。 ( 8 ) 显示和打印各种重要的记录。 ( 9 ) 本装置应运行稳定，并有足够的抗干扰能力。 由于万能式断路器属可修复产品，因此发生故障无法进行试验时允许进行 维修调整恢复。发生故障时要分清是操作机构的故障，还是脱扣系统的故障。凡 属关联故障都应计入相应的故障数。万能式断路器操作机构和失压、分励脱扣可 靠性试验设备，采用微机自动检测设备可自动地试验、测量、故障报警停机等， 可大大节省人力，方便而又安全。因为其主要故障模式可分为三类：( 1 ) 操作故 障；( 2 ) 误动故障；( 3 ) 拒动故障。根据断路器的上述工作特点及故障模式，我们 采用保护成功率r 的高低和故障率 的大小作为其可靠性指标。此外，为了对故 1 0 上海变通大学硕士学位论文 第二章系统硬件设计部分 障发生部位进行判别，我们可以根据故障树来对产品进行检测分析。该产品的故 障树见图2 一l 所示。 其中z h 一终点开关，i ( 1 一防二次闭合操作接触器，k 2 一闭合操作接触嚣。 图2 1 断路器故障树 f i g 2 1f a u l tst r e eo fb r e a k e r 3 硬件设计部分 总的说来，硬件部分必须完成如下功能： 1 主电路电压采样 2 断路器各组件的电压控制 3 各种开关量的检测 4 动作时间的检测 5 操作机构分、合闸电流和电压的测量 6 主触头超行程的钡4 量 本装置的总体框图见图2 2 。 试验装置的硬件电路包括采样、检波、放大及接口电路。为了提高精度和灵 敏度，选用了空心和铁芯两种电流互感器作电流检出传感器，并采用精密检波放 大电路和p s - - 2 1 1 6 数据采集卡( 完成继电器组的操作和a d 转换) 。 上海交通大学硕士学位论文 第= 章系统硬件设计部分 电脑寰机 一斡 廊囱回i 蒸耋l l 函时叫盍ft i试赣皇黼鼹 l 图2 2 检测装置总体框图 f i g 2 - 2g e n e r a ld ia g r a mo f ) , i o n i t o r i n ge q u i p m e n t 3 1 数据采集卡p s - - 2 1 1 6 数据采集卡p s - - 2 11 6 可配接2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 等微型计算机，该卡包括 1 6 路a d ，2 4 路数字量输入输出。输入电压范围：o 5 v ：a d 转换时间：约 2 5 u s ；系统误差 h e a d t i m e s = 4 ：总循环次数 i n f o 一) h e a d c h a n n e l s = 1 0 ：通道数 f o r ( i n ti = o ：j i n f o i c h a n n e l = i ： i n f o 一 i n f o i l e n g t h = 1 0 0 ： ) 采样的全部数据需要的缓冲区大小 i n tb u f l e n g t h = m u l t i c h a n n e l b u f l e n ( i n f o 一 h e a d ) p v o i db u f = m a l 】o c ( b u f l e n g t h ) h a n d l eh c h a n n e l = o p e n c h a n n e ( m u l t i c h a n n e l ，0 ) r e a d 研u l t i c h a n n e l ( h c h a n n e l ，& i n f o 一 h e a d ，b u f ，b u f l e n g t h ，n u l l ) c 】o s e c h a n n e l ( h c h a n n e l ) f r e e ( p i o c o n t r o li n f o ) 使用完b u f 中的数据后，应f r e e ( b n f ) ： 当安装好动态链接库，设置好程序明白接口函数的使用方法后，要想在 d e l p h i 中调用它，还必须编写一个接口单元实现采集卡与计算机界面的连接， 比如打开、关闭通道口，对通道口的读写操作以及对基本1 0 口的读写操作等等。 其u n i t h 2l1 6 程序源代码如下： t i l l i th 2 l 】6 ： i n t e r f a c e f $ m _ u s e sw i n d o w s 上海交通大学硕士学位论丈第三章系统软件设计部分 t y p ep c h a n n e ll n f o = t c h a n n e ll n f o ： t c h a n n e li n f o = r e c o r d c h a n n el ：d w o r d ：c h a n n e ln o l e n g t h ：d w o r d ：l e n g t hj nw o r d e n d ： p i o c o n t r o l h e a d = t 工o c o n t r o l h e a d t i o c o n t r o l h e a d ：r e e o r d t i m e s ：d w o r d ： c h a n n e l s ：d w o r d ： e n d ： p i o c o n t r o l i n f o = t i o c o n t r o l i n f o ： t i o c o n t r 0 1i n f o = r e c o r d h e a d ：t i o c o n t r o l h e a d ： i n f o ：a r r a y 0 。5 1 1 o ft c h a a n e l i n f o e n d ： c o n s t m u l t ic h a n n e l ：1 6 f u n c t i o i l o p e n c h a n n e l ( c h a n n e l ：d w o r d ：f l a g s ：d w o r d ) ：t h a n d l e ：s t d c a l l f u n c t i o n c l o s e c h a n n e l ( c h a n n e l ：t h a n d l e ) ：l o n g b o o l ：s t d e a t l f u n c t i o nr e a d c h a n n e l ( c h a n n e l ：t h a n d l e ： b u f ：p o i n t e r ：l e n g t h ：d w o r d ： o v e r l a p ：p o v e r la p p e d ) ：i n t e g e r ：s t d c a ll f u n c t i o n r e a d m u l t i c h a n n e l ( c h a n n e l ：t h a n d l e ： p a r a m ：p 1 0 c o n t r o ljn f o ： b u f t p o i n t e r ；l e n g t h ：d w o r d ； o v e r l a p ：p o v e r l a p p e d ) ：i n t e g e r ：s t d c a ll 3 l 上海交通大学硕士学位论文第三章系统软件设计部分 f u n c t i o ng e t a s y n c r e s u l t ( c h a n n e l ：t h a n d l e ： o v e r l a p ：p o v e r l a p p e d ： b w a i t ：l o n g b 0 0 1 ) ：i n t e g e r ：s t d c a l l f u n e ti o n m u l t i c h a n n e l b u f l e n ( p a r a m ：p i o c o n t r o l h e a d ) ：i n t e g e r ：s t d e a l f u n c t i o n p o r t i n ( c h a n n e l ：t h a n d l e ：p o r t o f f s e t ：w o r d ) ：b y t e ：s t d c a l l p r o c e d u r ep o r t o u t ( c h a n n e l ：t h a n d le ： p o r t o f f s e t ：w o r d ：v a l u e ：b y t e ) ：s t d c a l l i m p le m e n t a tio n c o n s td 1 i n a m e ：p s 2 11 6 d 1 1 f u n c t i o n o p e n c h a n n e l ( c h a n n e l ：d w o r d ：f l a g s ：d w o r d ) ：t h a n d l e ：s t d c a l l e x t e r n a ld 1i n a m ei n d e x1 ： f u n c t i o n c l o s e c h a n n e ( c h a n n e l ：t h a n d l e ) ：l o n g b o o l ：s t d c a l1 e x t e r n a ld li n a m ei n d e x6 ： f u n c t i o n r e a d c h a n n e l ( c h a n n e l ：t h a n d l e ； b u f ：p o i n t e r ：l e n g t h ：d w o r d ： o v e r l a p ：p o v e r l a p p e d ) ：i n t e g e r ：s t d e a l l e x t e r n a ld 1i n a m ei n d e x2 ： f u n c t i o ng e t a s y n c r e s u l t ( c h a n n e l ：t h a n d l e ： o v e r l a p ：p o v e r l a p p e d ： b w a i t ：l o n g b 0 0 1 ) ：i n t e g e r ：s t d c a ll e x t e r n a ld 1i n a m ei n d e x5 ： p u n c t i o n r e a d m u l t i c h a n n e l ( c h a n n e l ：t h a n d l e p a r a m ：p l o c o n t r o l i n f o ： b u r ：p o i n t e r ：l e n g t h ：d w o r d ： 3 2 上海交通大学硕士学位论文 第三章系统软件设计部分 o v e r l a p ：p o v e r l a p p e d ) ：i n t e g e r ：s t d c a l l e x t e r n a ld 11 n a m ei n d e x4 ： f u n c t i o n m u l t i c h a n n e l b u f l e n ( p a r a m ：p i o c o n t r o l h e a d ) ：i n t e g e r ：s t d c a l l e x t e r n a ld 1 1 n a m ei n d e x3 ： f u n c t i o n p o r t l n ( c h a n n e l ：t h a n d l e ；p o r t o f f s e t ：w o r d ) ：b y t e ：s t d c a l l e x t e r n a ld 1 1 n a m ei n d e x7 ： p r o c e d u r ep o r t o u t ( c h a n n e l ：t h a n d l e ： p o r t o f f s e t ：w o r d ：v a l u e ：b y t e ) ：s t d e a l l e x t e r n a ld il n a m ei n d e x8 ： e n d 编好接口单元u n i th 2 1 1 6 后，在主程序单元m a i n u n i t 中j m p l e m e n t a d n 部分一定要加上u s e sh 2 1 1 6 ：这条语句才能正确调用接口函数。 2 3 检测流程 检测流程采用的是模块化的设计，主流程是由各个模块根据用户的需要组合 而成的，方便用户对检测过程的新需求。而且，各个模块间是相互独立的，当产 品结构改变时，只需修改相应模块即可。这样，检测可以随时根据用户的需要进 行重组和扩展，因而软件可以适用于其他类似的应用中，有很好的扩展性。 根据断路器的情况，设计了以下模块： 电动操作予程序： 合闸操作子程序； 分励操作子程序； 欠电压延时操作子程序； 欠电压低压脱扣子程序： 欠电压调压子程序。 每个模块针对一个附件或附件的个功能进行设计，里面封装了控制、检测、 分析、保护和存贮几个功能。整个检测流程图如下