（电气工程专业论文）永磁操动机构控制器的研制.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文研究了+ 种新型永磁操动机构控制器。 作为电能传输与控制的主要设备，电器元件和丌关设备必须改变传统的设计和控制 模式，爿能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会的发展趋势。随着电子技术、计 算机技术和信息处理技术的进步，开关电器正向智能化发展。作为重要的保护电器，断 路器不仅要完成最基本的保护和控制功能，还逐步地增加了在线监测和故障诊断功能， 因此操动机构及相应控制单元的性能和质量对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为 重要的作用。永磁操动机构是国际9 0 年代才出现的一种高压断路器驱动机构。它采用 一种全新的工作原理和结构，将电磁机构与永久磁铁有机地结合起来，克服了合、分闸 位置机械脱扣、锁扣装置动作不可靠的不利影响，利用永久磁铁产生的电磁保持力使真 空断路器保持在合、分闸位置上，并运用电子技术、电力电子技术和计算机控制技术完 善控制单元，特别有利于实现开关电器的智能化。 本文对真空灭弧室触头电磨损进行了分析和研究，建立了估计触头残余寿命的数学 模型，并提出采用快速付里叶变换分解开断电流瞬时值，以提取其稳态周期分量。 本控制器采用p i c l 6 f 8 啊，。鬣外围电路：以实现智能控制，使控制器实现永磁操动 机构的关合和开断更加可靠。用储能电容器提供永磁操动机构合分闸线圈的激励电 流，完成合、分闸操作。采用以1 6 b t 为主组成的电子开关通断合分闸线圈电流。显示 电路应用的是带有高速串行接口的8 位l e d 驱动器p s 7 2 1 9 ，有效地实现控制器的显 示。还设计了远程输入输出电路实现远程控制。 硬件设计部分给出了主要元器件的工作原理，硬件设计思路，各部分电路图，主要 元器件的型号选择及数值计算。软件设计部分给出了主程序和子程序的流程图及软件设 计思路。 关键词：永磁操动机构，控制器，分合闸控制，单片机 沈阳t 业太学硕j 学位论文 r e s e a r c ho f c o n t r o l l e rf o rp e r m a n e n t m a g n e t i c a c t u a t o r a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sa f ti n v e s t i g a t i o no nc o n t r o l l e rf o rp e r m a n e n tm a g n e t i c ( p m ) a c t u a t o r a st h em a i n e q u i p m e n tf o rd 龇q l i 潞、趴d 钟咀d n i i l ge l e c t r i c p o w e r , t h e t r a d i t i o n a ld e s i g n a n dc o n t r o lm o d eo fe l e c t r i cd e v i c e sa n ds w i t c ha p p a r a t u sm u s tb ec h a n g e d ，s ot oa d a p tt ot h e m o d e m p o w e rs y s t e ma n dt h em o d e mi n d u s t r yp r o d u c t i o na sw e l la st h es o c i a ld e v e l o p i n g t r e n d w i mt h ep r o g r e s s i n go ft h ee l e c t r o nt e c h n i q u ea n dt h ec o m p u t e rt e c h n i q u ea sw e l la s i n f o r m a t i o n p m c e s s i n gt e c h n i q u e , t h es w i t c ha p p a r a t u si so n t h ew a yf o ri n t e l l i g e n c e ac i r c u i t b r e a k e r , a sa ni m p o r t a n tp m t e c t i n ge l e c t r i cd e v i c e ，m u s tn o to n l yp e r f o r mt h eb a s i cf u n c t i o no f p r o t e c ta n dc o n t r o l ，b u ta l s og r a d u a la d dt h ef u n c t i o n so fo n - l i n em o n i t o r i n ga n dt r o u b l e d i a g n o s i s s o a st os a y t h ea c t u a t o ra n di t sc o n t r o lu n i t sp e r f o r m a n c ea n d q u a l i t yp l a y s a n v e r y i m p o r t a n t r o l ef o ra h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e w e r sp e r f o r l n a n c ea n dr e l i a b i l i t y u n t i l1 9 9 0 st h e p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ra p p e a r si n t e r n a t i o n a l l ya sad r i v i n gm e c h a n i s m f o rl l i g hv o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r i ta d o p t so n ek i n d o f t o t a l l yn e ww o r k i n gt h e o r y a n d m e c h a n i s m ，c o m b i n i n g t h e e l e c t r i cm a g n e t i cm e c h a n i s mw i t ht h ep e r m a n e n tr r l a g r l e tw e l l ，o v e r c o m i n gt h eb a da f f e c to f n o n - r e l i a b l em o v e m e n to ft h em e c h a n i c a l t r i p p i n g l o c k i n g d e v i c ei nt h e o p e n i n g c l o s i n g p o s i t i o n , u s i r 培t h ee l e c t r i c 棚l a | 瓣毒聊l l i i 珥f o r c e 、p 暂o d u c e x t j a y , ：p e g n m e u tm a g n e t t ok e e pt h e v a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri nt h eo p e n i n g c l o s i n gp o s i t i o n , i nt h es a r l l et i m e ，u s i n gt h ee l e c t r o n t e c h n i q u ea n dt h ep o w e r e l e c t r o nt e c h n i q u ea sw e l l 勰c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u et oi m p r o v e a n dp e r f e c tt h ec o n t r o lu n i t , i ti s e s p e c i a l l yf o r t h er e a l i z a t i o no ft h es w i t c ha p p a r a t u s s i n t e l l i g e n c e t h i sp a p e rm a k e sa na n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o no nt h ee l e c t r i cw e a ro ft h ec o n t a c ti nt h e v a c u u ma r c - c h u t e s i th a se s t a b l i s h e do n ek i n do f m a t h e m a t i cm o d e lf o re s t i m a t i n gt h ec o n t a c t s r e s i d u a ll i f e a n di th a sp o i n t e do u tt ou s et h ef f tf o rd e c o m p o s i n gt h ei n s t a n tv a l u eo f t h ec u t - o f f c u r r e n ts oa st oa c q u i r ei t ss t e a d ys t a t e p o d o d i cc o m p o n e n t t h i sc o n t r o l l e r c o m p o u n dw i t hp e r i p h e r y c i r c u i ta d o p t sp i c l 6 f 8 7 7t o p e r f o r mt h e i n t e l l i g e n tc o n t r o la n d m a k e m a k i n ga n ds w i t c h i n go f p m a c t u a t o rm u c hm o r ec r e d i b l e i tu s e s p o w e rs t o r a g ee l e c t r i cc a p a c i t yt op m v i d ee x c i t i n gc u r r e n to f i nm a k i n g i m e r m p t i n ge l e c l r i cc o i l 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 t oa c c o m p l i s h o p e n i n g c l o s i n go p e r a t i o n i ta d o p t se l e c t r o n i cs w i t c hb e i n gc o m p o s e do f i g b t t oc o n t r o lt h e o p e n i n g c l o s i n gc o i lc u r r e n t d i s p l a yc i r c u i ta d o p t s8b i t sl e d d r i v ep s 7 2 1 9w i t h h i g h - s p e e ds e r i a li n t e r f a c et or e a l i z ed i s 社a y t h i sc o n t r o ld e v i c ed e s i g n sl o n g - d i s t a n c ei n p u t o u t p u tc i r c u i tt oa c h i e v el o n g - d i s t a n c ec o n t r 0 1 p r i n c i p l eo f m a i nc o m p o n e n t , d e s i g nt h o u g h t , c i r c u i td i a g r a mo f e v e r yp a r t ，m o d e lc h o i c e a n dn u m e r i c a lv a l u ec o u n to f m a i n c o m p o n e n t i sp r e s e n t e di nh a r d w a r ed e s i g n p a r t f l o wc h a r t a n d d e s i g nt h o u g h to f m a i n a n d s u b p r o g r a m i sp r e s e n t e di ns o t h u e d e s i g np a r t k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r ，c o n t r o l l e r , o p e n i n g c l o s i n gc o n t r o l ，s i n g l e - c h i p 3 一 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：日期： 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：导师签名： 日期： 沈阳t 业大学硕上学位论文 1 绪论 我国电力工业的发展，带动了输、变、配电设备制造业，高、中、低压开关及其成 套设备制造业的发展，而后者的发展又提高了电力供应的水平，促进了电力工业的发展 川。可以预计，在我国电力供应仍然落后于发达国家的今天，我国的输、变、配电设备 制造业在当今及今后相当长的一段时间，仍会有相当大的发展空间。摆在输、变、配电 设备制造业和开关行业制造厂家面前的问题是：如何生产高技术含量、高质量水平的产 品，满足电力工业不断发展的各种需要和服务1 2 】。 1 1 高压开关的性能问题 自1 9 6 1 年美国g e 公司研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技术水平迅 速提高，其中，随着新触头结构及材料的研制，真空断路器的开断能力不断提高，真空 断路器作为控制和分配电能用的开关元件越来越广泛地应用于电力系统，并在中、高压 领域保持着主导地位。 真空断路器由于其真空电弧无与伦比的特性，使其电寿命大大增加。同时，其机械 寿命也从传统的两千次跃增为几万次，因此，与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性 就成了较为突出的问题【3 】。高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性，电力运行和试 验站的故障统计中表明，我国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题，这与发达国 家相比较为落后，在发达国家的先进公司，现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器 产品。我国高压开关设备要真正做到产品免维护仍然很困难，实际上，在产品设计上尽 可能地简化结构，最简化的产品结构也就是最可靠的产品f 引。 断路器q 全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通 过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性 能和可靠性起着极为重要的作用。开关设备的操动机构需要较多的机械零件配合组成， 这不仅成本高，而且可靠性不足，因为故障率上升的可能性是和零件的数量成f 比的。 沈阳工业太学硕士学位论文 弹簧操动机构是利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常是由 电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储能、维持储能、合闸与合 闸维持和分闸四个部分。弹簧操动机构的优点是不需要大功率的直流电源，电动机功率 小，交直流两用，适宜交流操作：其缺点是结构比较复杂，零件数量多( 约为2 0 0 个) ， 且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。靠电磁力合闸的 操动机构称为电磁操动机构，电磁操动机构的优点是结构简单，零件数量少( 约为1 2 0 个) ，工作可靠，制造成本低，但其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求用户配 备价格昂贵的蓄电池组，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长【5 】。 真空断路器之所以如此迅速发展，在于其真空灭弧性能的优异【6j ，沿用传统断路器 操动机构来驱动真空断路器显然很难体现出其高寿命、高可靠性的优点，因此需要一结 构高度简化、节能和高可靠性的机构来满足真空断路器的驱动要求。在弹簧机构和传统 电磁机构的优点基础上，克服其不足，将永久磁铁应用于操动机构中，设计中使真空断 路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现，取代了传统的锁扣装置。这种磁力机构具有 永久磁铁和分闸、合闸控制线圈，当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并由 永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电，动铁心向反方向运动，同样由永久磁 铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置上，即该机构在控制线圈不通电流时它的动铁 心有两个稳定工作状态，合闸与分闸，也称双稳态电磁机构【7 8 】。这种机构的特点是： ( 1 ) 其吸力特性可以较为理想地满足真空灭弧室的工作需要。 ( 2 ) 永久磁铁与分、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题， 因而磁系统结构尺寸比普通电磁机构减小了，分、合闸控制线圈电流小。 ( 3 ) 真空灭弧室靠永久磁铁产生的力使其保持在合闸与分闸位置上，取代了传统 的机械锁扣方式，机械结构大为简化，仅有几个活动部件，零件总数约为5 0 件左右， 耗材省，节能且成本低。 ( 4 ) 操动机构无需机械锁扣和辅助电器，机械动作的可靠性大大提高，能实现免 维护，节省维修费用。 永磁机构包含两部分：一是机构本体；二是电源和控制部分。前者主要是电磁系统 及与之相关的机械部件，后者则是驱动电源、工作电源及控制单元【引。二者相辅相成， 一2 一 沈阳- i = 业大学硕士学位论文 任何一个环节设计不当或成本偏高都会对其综合性能产生影响。若一味追求机构本体小 型化，但未加以优化，则难以输出足够高的分、合闸速度，即使可以使用，也将会增大 分、合闸线圈的电压和电流，加大电源和控制单元的负担，增加电源和控制单元的成 本，影响产品的经济指标。如果机构本体己经被优化了，但电源及控制部分功能不完 善、可靠性不高，同样更会影响产品的整体性能。因此，在设计上，必须从整体出发， 机构本体和控制单元二者兼顾，以保证产品的技术性能和经济性能。 1 3 永确操动机构的国内外发展状：态 永磁操动机构诞生于1 9 9 7 年。它采用一种全新的工作原理和结构，将电磁机构与 永久磁铁有机地结合起来，克服了合、分闸位置机械脱扣、锁扣装置动作不可靠的不利 影响，并利用电子技术、电力电子技术和计算机控制技术完善控制单元。 ( 1 ) 前不久，由a b b 在英国和美国的工程师联合开发了一种新型v m l 型真空断路 器，采用了仅有7 个活动元件组成的磁力驱动装置代替有数百个零件组成的传统机构。 其分合闸位置均靠永久磁铁磁能保持【1 0l 。采用这种无磨损的真空断路器机构在其1 0 万 次的操作寿命中不需维修，是传统真空断路器寿命的三倍，可节省维修费用。v m l 的创 新还包括将真空灭弧室用环氧树脂完全浇注形成一体，这样可不受外界因素的影响。真 空灭弧室额定短路开断电流的次数为1 0 0 次。v m l 真空断路器的额定电压目前为1 2 、1 7 和2 4 k v ，额定电流为6 3 0 或1 2 5 0 a ，额定短路开断电流为2 0 或2 5 k a 。较高电压等级和 大开断能力的产品正在研制中。 ( 2 ) 荷兰h o l e c 的m m s 型真空断路器采用永磁机构驱动，其短路开断电流为 3 1 5 k a 。该操动机构中，合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，且只有真空灭弧室的 合闸位置是靠永久磁铁保持的，机构的终止位置是分闸位置，其分闸动作基本上是被动 的，不需要提供额外的能量，仅靠触头弹簧和分闸弹簧的力，通过分闸线圈使之释放能 量。m m s 型永磁机构的结构非常简单，它的组成部件不足1 5 个，特别是还能实现分相 可控操作，在关合容性负载时，可减小涌流，在分闸时可减小过电压，且分合闸时间偏 差不超过l m s ”j 。 一3 - 沈阡| t 业大学硕十学位论文 ( 3 ) 永磁机构自问世以来，国内很多研究单位和高等院校做了大量相关工作，许 多厂家已完成了永磁机构及其断路器或接触器的开发与试验，并通过了样机鉴定。但从 2 0 0 2 年的销售情况来看，永磁机构的销售和推广并不尽人意，销售量仅为1 0 0 0 台， 2 0 0 3 年的销售量也所增不多。永磁机构本体较为简单，其设计要点是结构优化，凭借 现有的电磁场数值计算软件，这一点较易实现1 1 ”。但为保证永磁机构能可靠工作，必 须要有一个直流驱动电源( 一般是充电电容器) 和负责分、合闸线圈通断的控制单元。 直流电源和控制单元的功能、成本及可靠性一直是大家关注的焦点，也是影响永磁机构 发展和推广的重要内在因素。其发展方向是提高可靠性和降低成本【l 3 1 。 永磁机构的控制单元包括电源和控制部分等。 从目前国内外情况看，永磁机构的电源大致有以下几种：一是采用储能电容器对 分、合闸线圈放电；二是直接使用高能量的锂电池；三是在有条件的电站，直接使用站 内的直流电源。 在以上三种方式中，永磁机构分、合闸线圈电流的大小对电源有直接影响，特别是 对前两种情况影响更为显著。线圈电流的大小直接影响电容器和锂电池的体积、成本和 可靠性。如电流较大、电压较高，则电容器的容量大、耐压高，由此带来体积大、成本 高等问题，甚至当电流、电压超过某一范围后，锂电池供电方案不再可行。 对于分、合闸线圈的切换，国内外主要采用以下两种方式：一是使用电子控制单元 和电力电子器件对机构的分、合闸线圈进行切换；二是使用传统的直流接触器对分、合 闸线圈进行切换。 从各个不同厂家的产品来看，电子控制单元的抗干扰已经不是主要问题，只要采取 相应的技术措施，并筛选和选用一致性好的优良器件，抗干扰问题不难解决。目前主要 的问题集中在分、合闸线圈的切换上。当关断功率器件和控制线圈时，由于感性电流在 线圈和器件两端产生较大的自感电势，有时会损坏器件，造成事故。因此在元器件的选 用与匹配方面，仍然有许多工作需待以解决【1 4 】。 - 4 - 沈阳工业大学硕上学位论文 电容器的寿命也是大家关注的热点，这也可能是影响永磁机构发展的一个障碍。受 容量影响，目前在大多数场合，电容器都采用电解电容，而其电解液将随时间劣化，导 致电容器绝缘电阻降低、漏电流增大、寿命缩短。电容器劣化的速度与温度密切相关， 一般温度在1 0 5 。c 时，其平均寿命为2 0 0 0 h ，但当其工作温度降低5 0 。c ( 即5 5 。c ) 后， 其寿命可达1 0 年以上。因此控制单元设计时，应采取有效措施降低电容器的工作温 度，最好使其长期工作在5 0 。c 左右，这样可使其使用寿命超过1 0 年，足可满足一般电 力用户的需要【l ”。 系统成本也是影响永磁机构广为应用和推广的一个重要因素。永磁机构本体的成本 并不高，但加上控制单元后( 包括放电电容器再内) ，成本则可能高于弹簧机构。为降 低成本，有些用户不要求配控制单元，而是直接用接触器切换分、合闸线圈，用酋流屏 供电，省去了功率器件和放电电容，但由此带来了一些问题：一是控制时间不准确、分 散性大；二是接触器的寿命和可靠性多不理想。因此，在绝大多数应用场合，配永磁机 构的断路器均需要配用控制单元，这无形中增加了产品的成本。 1 5 永磁操动机构的应用 在许多应用场合，永磁机构都有绝对的优势。例如户外柱上真空断路器，由于产品 安装在柱上，不易检修，同时户外环境条件恶劣，使得弹簧机构在长期运行中润滑失 效、零件生锈、动作不灵活。永磁机构体积小，可以密封在充气箱体内，可免受恶劣环 境的侵蚀。此外，柱上开关还要解决电源问题，对配网自动化的产品尤为如此，同样也 需要控制单元。因此户外柱上真空断路器应优先选用永磁机构，国外几家大的公司近期 推出的户外柱上产品几乎都是配永磁机构的。例如，英国的1 l 】f h i p p a b o u r n e 公司、a b b 公司以及s i e m e n s 等公司的柱上产品都是配了永磁机构【l “。 大多数户外环网柜一般都采用充气柜( s f 6 气体) ，如用弹簧机构，因体积大、零 部件多，为便于维修，一般将其放在气体室外，这就产生了一个动密封问题，由此增加 了漏气的几率。而永磁机构体积小、免于维护，可以放在气体室内，省去了动密封的环 节。同时，由于永磁机构被安放在气体室内，不会因外部环境恶劣而引起锈蚀或卡滞。 因此，能长期保持其工作性能。 5 - 沈阳工业大学硕士学位论文 永磁机构还可以广泛用于铁道电气化断路器、车载开关等动作比较频繁的场所。由 于车载开关经常处于振动工况下，选用其他机构有可能会误动作。国内已经有一些公司 将产品推广应用到铁道电气化断路器和车载开关上，运行状况良好。此外，永磁机构还 可用于真空接触器，因为真空接触器是通过通电线圈提供励磁电流将衔铁保持在分、合 闸位置上，而在保持过程中，不仅要耗损电能，而且还会带来噪声污染，而永磁机构依 靠永久磁铁提供保持力，可以降低能耗、减少噪声 1 7 】。 1 6 本论文的主要工作 随着永磁机构的推广和应用，永磁机构机体的设计技术越来越完善，同时，高质 量、高稳定性、长寿命的钕铁硼永磁材料的应用，更为永磁机构的发展提供了保障。 当前，永磁机构的控制单元尚有许多实际工作需要不断地完善，电子技术、微型计 算机控制技术和信息处理技术的进步也不断地推动永磁机构控制单元向前发展。本沦文 的主要工作是能设计一满足普通永磁机构需要的经济可靠的智能控制器。该控制器具有 以下特点和功能： ( 1 ) 选用性能好、价格低，即高性价比的单片机作整个测量和控制系统的核心， 配外围测量和控制模块，实现对永磁机构的控制。 ( 2 ) 在不增加硬件电路和略增加硬件电路的前提下，实现真空灭弧室的寿命预 测，以推动真空开关向智能化发展。 本论文主要工作如下： ( 1 ) 研究真空灭弧室的在线监测和寿命预测方法，建立相应的数学模型，并在控 制器中加以实现； ( 2 ) 根据永磁操动机构的工作原理和特点设计控制器的硬件电路，力求功能完 善，且经济可靠； ( 3 ) 软件设计和调试； ( 4 ) 总体调试。 6 一 沈阳1 二业大学硕士学位论文 2 真空断路器触头残余寿命的在线估计方法 2 1 触头材料电磨损率的规律 在真空中，触头材料的电磨损率与开断电流大小和开断次数有关，并且有一定的规 律性。一般当开断电流不大时，如在额定电流或小于额定电流下，触头在开断过程中产 生电弧的能量较小，触头电磨损不严重，触头开断次数多；但在开断电流大( 如较大的 短路电流) 时，触头在开断过程中产生电弧的能量较大，触头电磨损严重，触头开断次 数大为降低【协 。 此外，触头的开断次数还与开断相角有关，对应不同相角，电弧过零熄灭前产生的 能量不同，触头的电磨损也随之不同。但开断相角是一个随机变量，对每次开断而言， 开断相角是不同，但对于多次开断，开断相角对触头开断次数的影响可以抵消。 国内外有关研究和生产帮f j 对箕釜灵弧室触头黾磨损进行了大量的测试和研究，并 得到了统计规律，德国s i e m e n s 公司对1 2 k v 电压等级，额定电流6 3 0 a 的杯状触头( 触 头材料为c u c r ) 结构真空灭弧室作的电磨损实验结果表明：当额定短路开断电流分别 为8 k a 、1 2 5 k a 和1 6 k a 时，相应的开断次数各为4 0 0 次、1 5 0 次和1 0 0 次，并随着开 断电流的减小、开断次数迅速地提高，直到l k a 后开断次数可达3 万次；对额定电压为 2 4 k v 、额定电流为1 2 5 0 a ，当额定开断电流分别为2 0 k a 、2 5 k a 和4 0 k h 的真空灭弧室的 开断次数分别为3 0 0 次、1 0 0 次和5 0 次。表2 1 和表2 2 所示分别为上述2 组实验数 据。 上述实验只给出了真空灭弧室的开断次数与开断电流的几个数据点，并未给出具体 的特性关系。为找出开断次数与开断电流闽的关系，本文利用逆幂律方程对实验数据进 行了曲线拟合，探索触头电磨损的规律。 根据可靠性理论可知，产品的失效的快慢与所施加的应力有关，应力大，产品失效 快；应力小，产品失效慢【1 9 】。应力种类不同，失效规律也不尽相同：当温度是引起产 品失效的主要机理时，寿命与温度间的关系符合阿伦尼斯( a r r h e n i u s ) 方程和艾伦 沈阳工业人学硕上学位论文 ( e y r i n g ) 方程；当开断电流是引起产品失效的主要机理时，寿命与应力问的关系符合 逆幂律方程。很多产品的寿命实验结果验证了上述方程的有效性【2 0 1 。 表2 11 2 k v 真空灭弧室触头开断次数与开断电流问关系 开断电流( 1 c a ) 181 2 51 6 开断次数( 次) 3 0 0 0 04 0 01 5 01 0 0 表2 22 4 k v 真空灭弧室触头开断次数与开断电流间关系 开断电流( k a ) 2 02 54 0 开断次数( 次) 3 0 01 0 05 0 对于真空灭弧室而言，触头的开断电流是影响开断次数的显著机理，为此，本文采 用逆幂律方程对上述实验数据进行曲线拟合，以建立触头电磨损的数学模型。 根据逆幂律方程可知：产品的寿命( 开断次数) 与所加应力( 电压或电流或功率) 问的关系： ”。“。4 “ 。 ，1 ，2 茜 ( 2 1 ) 式中t _ 一产品寿命( 开断次数) ： v 应力( 电压或电流或功率) c 、p 一系数，与产品有关。 将( 2 1 ) 做线形变换，得 l g t = l g c p l g v( 2 2 ) 可见，l 垂与l g v 成线形比例关系。采用最小二乘原理对表2 1 和表2 2 所列出的实验 数据进行了线形拟合，图2 1 所示为对数坐标下开断次数与开断电流问特性关系的拟合 直线。据此可以看出，开断次数的对数与开断电流的对数成正比，可见，真空灭弧室触 头的电寿命与开断电流间的关系满足逆幂律方程。 一8 一 沈阳工业人学硕上学位论文 1d 5 百 基1 d 4 1 口2 0 1 l 一 噩 气： y 瑟 、 ；： 。j ， - 18 。11 0 010 11 0 2 r m sv a l u eo ff u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fb r e a k i n gc u r r e n t ( k a ) ( a ) 额定电流6 3 0 a 、电压1 2 k v 1 0 6 1 0 4 0 1 * ：= = - i 、 ： l l ：l 。i l = ：，- ：； 互 i ： | 羹| 斑 j 土 ： i ： 1 0 。11 0 。一0 1 1 0 2 r m s v a l u eo f f u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fb r e a k i n gc u r r e n tf k a ) ( b ) 额定电流1 2 5 0 a 、电压2 4 k v 图2 1 开断次数与开断电流特性的拟合直线 一9 一 kdec口c王巴ou哑，o= 【s量：高nec口妄盖磐d等cm)8= 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 触头残余寿命的估计方法 对于真空断路器而言，在额定开断电流下，触头的电寿命约为5 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 次，所 以，对一个新的真空断路器，其残余寿命r e e 为n e 。在额定电流下，每开断1 次， r e e 减1 ，当r e e = 0 时，触头电磨损达到临界值，触头失效。 但实际上，真空灭弧室并不一一定恰好在额定电流下开断，如果开断电流为i i ，则其 电磨损量与开断电流为额定的电痔损是不1 样的i 这样其残余寿命就不应该减1 。根据 逆幂律方程可知，对于某一开断电流i i ，触头允许开断次数n j 的估计值为 卟吾 ( 2 3 ) 式中c 、r 系数。 与e 下电磨损量相比，在五下开断1 次的相对磨损量为n g n i 等= 根据式( 2 3 ) 可得 ( 2 4 ) 故可以导出估算触头残余寿命的公式 r e e 吨一酝 眨s ， 式中，广_ 累积开断次数； 卜第i 次开断时的开断电流； 由( 2 5 ) 式可以看出，只要测量出每次的开断电流，即可估算出触头的残余寿命，据 此可实现真空灭弧室触头电寿命的在线监测【2 ”。 2 3 开断电流及其稳态周期分量的提取 开断电流的一般表达式为 z 。，= l s t n c m r + p 一妒，一s ；n c 妒 式中i 。短路电流周期分量的幅值； - 1 0 ( 2 6 ) 沈阳丁业大学碗士学位论文 ( 0 电源角频率； 、i ，短路瞬问电压相位角； 广电流滞后于电压的相位角； t 为线路衰减时间常数。 山( 2 6 ) 可见，在实际丌断过程中，丌断电流包含暂态直流衰减分量和稳态周期分 量，而直流衰减分量与短路瞬闻电压相位角和电流滞后于电压的相位角有关，故为随机 分量，因此，不能直接根据开断电流的大小计算开断电流周期分量的有效值。为按( 2 5 ) 式估计触头残余寿命，需要知道丌断电流的稳态周期分量。为此，需要根据开断电流的 瞬时采样值提取出其稳态周期分量【2 2 】 本文采用改进快速傅立叶算法【2 3 ( i m p r o v e df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n s ，i f f t ) 分 解开断电流，以抽取出稳态周期分量。对f 2 6 ) 式所表示的短路开断电流，若采样速率为 每基波周期n 次，则其离散形式的一般表达式为 k 和可“s i n l 等伍- 1 ) + l ( 27 ) 式中，广直流衰减分量的初值； 卜直流衰减分量的时问常数； 产一电源频率； 厶f _ 交流周期分量的幅值； 毋交流周期分量的初相角。 肛采样序号( k = 1 2 ) 。 为将短路电流分解，需确定一“一滤波矩阵口，由其对原始采样数据进行作用以消除某 一特定的频率。本设计中，需消除交流周期分量，取n = 2 0 ，为保证滤波效果，在满足 响应速度的前提下，适当地加长了数据窗的长度，故用娃对赢，进行作用，相应的滤波 矩阵吐和滤波算法为 。t 。 ；c 2 足一2 ，+ 妒 28 口 ，b + 2 一， 坠州 一 一 k p 0 f k 口 口 n ， = = 沈阳工业大学硕士学位论文 一 2 1 3 u 胃2 ”c 2 k - 2 = 0 ，即 则( 2 8 ) 式的计算结果中就不含有交流周期分量。令t t 2 = 3 2 7 6 7 ，滤波矩阵的解为 o t = - 2 0 2 5 1 ，3 2 7 6 7 ，一2 0 2 5 1 】 由于( 2 8 ) 式中交流周期波分量的初相角西是任意的。因此用同一滤波矩阵对原始采样 数据厶霄进行作用，即 匕= 口r ，2 ：未i a e 斋毒。i 。陪( 2 x 叫+ ，1 。 = 主a r，+ 妻口ksn f 等 一i ) + l r = 1r = l1 川 1 则( 2 9 ) 式的计算结果中同样也不含有基波分量 分别将第1 、3 、5 个采样值和第2 、4 、6 个采样值代入( 2 8 ) 式和( 2 9 ) 式，得 耳：至口r ，2 f i l 壹口p ”，7 ( 2 1 0 ) 用( 2 1 0 ) 式除以( 2 1i ) 式，得 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 由( 2 11 ) 式可以求出直流衰减分量时间常数的估计值千。将( 2 1 2 ) 式代入( 2 1 0 ) 式，整理 后得 - 1 2 一 o = 1，j 嘶 、卜iio二iiip0 0 妨一打一 吨吱 s c 刁刁 幼一幼 吖文 s c 0 0 新一撕一 r飞，义 m 崭 一 8 r 口 o b rtr 口 ，b j 砭 筹磊、 一生一舻 厶h豇m l 如 毒 沈阳- e 业竖堡兰兰垡! 堕一 二一 由( 2 1 3 ) 式可以求出直流衰减分量初始值的估计值站。根据亍和i d 可以求出各个采 样时刻的直流衰减分量的估计值k k 巩。一器吼”、 k 巩e 盯b 1 詈j ” 将 k _ 从短路电流的瞬时采样值i k 中减去，即可估计出不同时刻短路电流周期分量 的离散值i n 。 分别对第1 5 个l k ，和第2 6 个k 求代数和，得 z 1 驴5 z 差5 k j 扣n i - 等伍一叫 z l = 氏一。二一5 m l i n l r 1 = l 2 j 吐奏i f等扯k壹=isinkl c 。挎口= 如l 亏( k q 巾o c 小o 面p = l j 。 k t 将h j 2 = k “i m ”n | 百p r f r ；2 l 一 巩鞘等k 1 卜争将叫 = j s i n i 专l “c 墨1 c o s l 百“j x = l “一、 ( 2 1 5 、 f 2 t 6 ) 式中1 r 籼分别为对第1 个数据进行采样时短路电流基波分量的实部和虚部解( 2 1 5 ) 吉和f 2 1 国式，得 ，：，= - 0 4 2 0 8 2 1 + o 5 7 9 2 2 2 ( 2 1 7 ) l o 2 (218)c 0 5 7 9 2 2 1 4 2 0 8 z 可见，只要根据6 个采样数据，就可以从中估计出短路电流的直流衰减分量和交流 周期分量的特征值【2 4 、2 5 。 2 4 小结 根据对真空灭弧室触头电磨损的测试结果进行分析，得出触头的电磨损率与开断电 潲慧：点篓蓁篡量植刺憾采用雠付里叶婀蝴删 开断电流含有稳态周期分量和直流襄减分量，米崩伏愿俏生q 3 乙伙”“。 稳态分量，进而估计出触头的残余寿命。 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 3 硬件电路的设计 3 1 总体方案 为对永磁机构进行控制和保护，为对真空灭弧室的残余寿命进行在线估计，本设计 采用单片机作为整个控制器的核心，配电流采样电路、线圈驱动电路、衔铁位置检测电 路、电容充电电路、远程输入输出电路和显示电路及电源等部分，图3 1 所示为硬件电 路总体框图2 6 2 7 】。 一一一1 i电流采样电路卜_ 一 远程输入输出电路电容充电电路 t上上 i媸目丑f 彳粕由啦i l _ 叫* 4 l 。1 女自自e 女 1 1 1一 一“ rl ” 1r 1 衔铁位置监测电路显示电路 电源 图3 1 硬件电路总体框圈 各部分电路功能如下： 电流采样电路：采集主回路的电流，以实现真空灭弧室触头残余寿命的在线估计： 线圈驱动电路：驱动分合闸线圈，为防止误操作，设有互锁功能； 衔铁位置监测电路：监测衔铁位置，以判断衔铁是否运动到位： 电容充电电路：储存能量，为永磁操动机构合分闸线圈提供激励电流。 充电电压监测电路：监测储能电容器的充电电压，使之能保证具有足够的能量，以 完成断路器的合、分闸操作。 远程输入输出电路：利用远程开关控制分、合闸操作； 显示电路：用l e d 数码管显示工作状态及触头的残余寿命。 一1 4 一 沈阳工业大学硕上学位论立 此外，还设有二个输入按键，以使用户能输入、查询和修改整定参数和状态参数。 3 2 电流采样电路 电流采样电路如图3 2 所示怔。2 9 1 。电流互感器为空心线圈，可对较大的短路 开断电流进行测量。被测电流信号i ( t ) 穿过线圈，这样二次侧线圈两端的感应电压 e ( t ) 为 砸) = m 警，m = 丁n s ( 31 ) 式中 卜互感系数： ，一二次侧线圈匝数； 卜线圈截面积； 卜磁路长度。 线圈两端并联一积分电阻r ，故 哪掣+ ( r l + r ) f 2 ( f 确竽 ( 32 ) 式中l 一线圈自感； 、 r l 线圈电阻。 l d i 防2 ( t ) ( 也+ 观( ) ，故 砸m 警 ( 3 3 ) 所以，；万1 批则 “。) = 如( f ) = 万r = k i ( f ) ( 3 4 ) 即信号电压”和被测电流i 成线性关系。k 为灵敏度，它与线圈匝数n 成 反比，与自积分电阻r 成正比【3 0 3 ”。 本设计所用的单片机为p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机，因其片内a d 转换器为单极 性，故需对u ( c ) 进行提升后才进行 a d 转换。 一1 5 ， 沈阳丁业大学硕上学位论文 3 。3 线圈驱动电路 线圈驱动电路如图3 3 历示。 图3 2 电流检测电路 r 图3 3 驱动电路 c 1 1 0 m r v l 8 3 0 v 驱动电路中的电子开关q 1 为绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 。绝缘栅极双极型晶 体管是双极型电力晶体管和m o s f e t 的复合，前者饱和压降低、载流密度大，但驱动 电流大：后者驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大、载流密度小， g b t 综合了 这两种器件的优点，驱动功率小，且饱和压降低【3 2 、3 3 】。 i g b t 也是多元集成结构，它由一个m o s f e t 和一个p n p 晶体管构成，给栅极施加正 偏压降后，m o s f e t 导通，从而给p n p 晶体管提供了基极电流使其导通；给栅极施加反 偏信号，m o s f e t 关断，使p n p 晶体管基