（电机与电器专业论文）高压大电流开关试验系统的研究.pdf

塞里奎皇鎏墅羞鲨墨竺塑婴壅 a b s t r a c t n ev a c u l l i t ic i r c m tb r e a k e r d e v e l o p sr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s w h i c hh a sb e e nt h ed o m i n a n t b r e a k e ri nt h em e d i u m v o l t a g ed o m a i n n l et e s to f t h ev a c u u n 2c i r c u i tb r e a k e ri st h en e c e s s a r y p r o c e s sf o rt h em a n u f a c t o r yp l a n tt oa c c o m p l i s ht h ed e s i g no fp r o d u c t sa n df u r t h e rc h e c k o u t b e f o r ei tl e a v e st h ef a c t o r y ，t h et e s ts y s t e m , w h i c hi sr e l a t e dt ot h ev a c u u mc i r c u i t b r e a k e r , h a s b e e nt h em o s t n e c e s s a r ym e t h o df o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t s t h ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h et e s ts y s t e m ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e dd e s i g na n da sw e l la st h er e l i a b i l i t yt e s to ft h ea c t u a t o r ， w h i c hi sr e l a t e dt ot h et e s ts y s t e m , a r et h es u b j e c tw h i c hi sw o r t ht or e s e a r c h t e s to ft h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri st h em o s td i r e c tm e t h o dt oi d e n t i f yt h ec a p a b i l i t yo f t h ep r o d u c t sw h e t h e r p r e f e c t o rn o t s og r e a te m p h a s e si st a k e ni nt h ef i r s tp a r to f t h ea r t i c l eo n t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mf o rt h es y n t h e t i cc k c u i tw h i c hi sb a s e do np e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) n l ep r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) w h i c hp l a y s a d o m i n a n tr o l ei nc o n t r o l l i n gf i e l d si su s e di nt h ed e s i g n s 7 2 0 0s e r i e sp l co fs i e m e n s c o m p a n y i su s e di no r d e rt oa c h i e v et h ea i mo fc o n t r o l l i n gt h el i m e - s e q u e n c e ，p r e c i s i o na n d c h a r g e c i r c u i t i ti sas i g n i f i c a n tw o r kt 0 f i n i s ht h ed e s i g n s u c c e s s f u l l y , b e c a u s et h ec o n m ) l l i n g s y s t e m c a n p r o m o t e t h et e s tp r e c i s i o na n ds u c c e s s f u lp m b a b i l i t yo f t h et e s t b a s e do np m a ，t h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a ll i f et e s ts y s t e mo fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r w h i c hi sa l s on a m e dv a c m l r f lc i r c u i tb r e a k e rt e s tc o n t r o l l e r , i st h es e c o n dp a r to f t h ep a p e r p l c i su s e da st h ec o n t r o l l i n gc o r ec o m p o n e n ti nt h ed e s i g no fl o g i c a lc o n t r o l l e dc i r c u i t n l e c o n t r o l l e rh a sb e e nt e s t e ds u c c e s s f u l l y 。i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y 。i tc a n n o t o n l yb eu s e di nt h el a b o r a t o r yo f h i g hv o l m g ea n dl a r g ec u r r e n t ，b u ta l s oc a n b eu s e di nt h e i n n e r l a b o r a t o r yo f f a c t o r y a sr o u t i n ed e t e c tf o rt h e p m d u c t s p m a p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nv a c u u m c i r c u i tb r e a k e r s ot h ec a p a b i l i t yo fp m ai s a n a l y z e di nt h el a s tc h a p t e ro f t h ep a p e r f u r t h e r m o r e ，t h ea c t u a t o r sf u n c t i o n ，d e v e l o p m e n t h i s t o r y ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e v e l o p m e ma n d s e l e c t i o no f p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a la r e i n t m d u c e d f i n a l l y ，i t so p p o s i t ef o r c ec h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e d t h ew o r kn o to n l yh a sa n i n s t r u c t i o ni n f l u e n c ei nt h em a n u f a c t u r ea n dr e s e a r c ho fp m a b u ta l s oc a np r o m o t ei t s d e v e l o p m e n t f o r w a r dt os e r i e s n l cc o n c l u s i o no ft h ep a p e rc a r lm a k eg r e a tp r o g r e s si nt h et e s ts y s t e mo ft h ev a c u u m c i r c u i tb r e a k e ra n dc a nm a k ea d a p tt ot h er e q u i r e m e n tf o rt h eg r e a ti n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，h i g h p r e c i s i o n a n dr e n m r k a b l er e l i a b i l i t yo f h i g h v o l t a g el e v e lp r o d u c t s k e yw 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 rs y n t h e t i cc i r c u i tp r o g r a m m a b l e l o g i c a lc o n t r o l l e r v a c u u mc i r c u i tb r e a k e rt e s tc o n t r o l l e rm e c h a n i c a ll i f e - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。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 大连理工大学或其他单位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贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：邋脯巡至! 旦塑 大连理工大学硕士学位论文 1 。绪论 1 1 课题研究的内容 1 1 1 本文研究的内容 本文的题目是高压大电流开关试验系统的研究，首先重点介绍了两套开关试验系统 的设计，即基于永磁操动机构的合成回路试验控制系统的设计和机械寿命试验系统的设 计，最后对永磁操动机构的原理与性能进行了简单的分析，具体的说，全文的内容主要 有以下三个方面： 1 ) 基于永磁操动机构的合成回路的控制系统的研制 本控制系统利用了西门子s 7 2 0 0 系列p l c 作为控制核心实现对威尔合成回路的充 电回路、各个断路器的动作时序以及点火回路的控制。 以前的控制方案是用8 0 c 1 9 6 k c 型单片机来实现的【1 】，整套系统的抗干扰能力相对 较差，目前改进为p l c 以后，可靠性、抗干扰能力大大提高，因为p l c 是专门为工业控 制设计的，平均故障时间间隔为几十万小时，p l c 循环扫描工作方式能在很大程度上减 少因外界环境影响而产生的软故障，如电磁干扰、超高温、超低温，过电压等。另外， 硬件方面采用了隔离手段，在微处理器和i ( 9 接口电路之间，采用了光电隔离措施，此 外，在供电系统及输入线路采用了多种形式的滤波电路，可消除和抑制高频干扰【2 。 2 ) 基于永磁操动机构的机械寿命试验系统真空开关试验控帛8 器的研制 目前已经用p l c 作为逻辑控制核一i l , 研制成功了真空开关试验控制器。该控制器用 于配用永磁操动机构的真空断路器的机械寿命试验。可以实现对永磁机构( 真空断路 器) 的自动和手动动作，可以很方便的与示波器配合测量出动作特性，用以检查操动机 构动作的分散性。该控制器设计应用了充电、放电的硬件电路、循环动作、故障报警等 逻辑电路，经过大量的试验，证明该控制器性能稳定、操作简单、经济实用，适合于高 校的研究以及工厂的厂内试验站作出厂检验使用。 3 ) 永磁操动机构性能的简单分析 高压大电流开关试验系统的研究 介绍了永磁操动机构的原理、作用、发展史、功能特点和永磁材料的发展，永磁机 构中永磁材料的选择，最后对双稳态永磁操动机构进行了反力特性分析，目的是确定动 作过程中吸力和反力的合理配合，使之适合电力系统高压电器机械寿命和电气寿命长、 高可靠性，免维护的趋势。 l _ 2 课题研究的意义 在电力系统中，高压电器的稳定、可靠运行是整个系统正常、高效工作的前提条 件，高压电器的型式试验和预防性试验是检验其性能的重要环节，如何在高压电器产品 投产或投入运行以前，准确的检测出产品的性能是十分必要的，而检测结果的精确度主 要取决于检测产品的试验系统是否精确、可靠，是否能模拟产品实际运行的状况，因而 试验系统的智能化和可靠性控制是一个值得研究的课题。 1 2 1 合成回路试验研究 高压电器是发电、输电、变电和配电设备的重要组成部分。电力系统可能发生各种 短路，为了保障安全运行，要求开关设备迅速切除故障，恢复到安全运行状态。开关设 备，尤其是断路器在系统短路状态下的关合及开断性能是最重要的性能。运行条件对高 压电器提出了各种性能的要求，性能的保证是由产品标准所规定的试验项目和各种特殊 试验来检验实现的。目前的科技发展水平。对灭弧装置还不能进行精确的计算，产品的 研制必须通过试验提供的信息和经验，最终通过试验来鉴定是否可以定型和生产【3 】。 对高压断路器而言，考核它的开断能力的常用方法是试验，丽试验方法可分为直接 试验和间接试验，直接试验的方法之一是试验电源直接由电网提供，通常称为网络试验 站或现场试验，沈阳虎石台高压试验站就是利用电网提供的电流作为电流源，振荡回路 作为电压源；方法之二是建立冲击发电机组，提供很大的短路电流，对断路器进行短路 开断试验，西安高压电器研究所使用的合成回路属于这种情况；以上两种方法部因为电 网容量和稳定运行以及投资成本等因素而受到限制。方法之三就是本文介绍的合成回路 法，也叫振荡回路试验方法，目前国内许多高校使用这种方法，其中包括我们大连理工 大学。所谓的合成试验法是一种短路试验方法，其中大部分电流或全部电流取自一个电 2 。 大连理工大学硕士学位论文 源( 简称电流源) ，而大部分或全部瞬态恢复电压取自另一个或更多的独立电源( 电压 源) 。电压回路的电压与被试断路器的额定电压相当，电流源的电源电压可能是电压回 路电压的几分之一或者更低。 科研工作者发现断路器开断故障时，存在着两个不同的阶段。先是燃弧阶段，此阶 段电流虽然很大，但维持电弧燃烧所需的电压并不高；继之是电流开断后的电压恢复阶 段，此阶段电压虽然很高，但几乎没有电流，提供恢复电压的电源容量不需要很大。这 种认识就启发人 i f i n 用两个独立的容量较小的电源，一个提供电流，另一个提供恢复电 压，这就是合成试验法诞生的构想基础。关键的问题是，在电弧电流熄灭的零点附近， 如何使种状态过渡到另一种状态，同时又能使其受到的试验条件和直接试验时等同。 即所谓等价性问题、电压回路投入的同步问题，这是使构思达到工业应用需要解决的理 论和技术问题【4 。 合成回路试验方法，可以用较小的设备获得大的试验容量，其投资费用比同样试验 容量的直接试验设备要少的多。而且等价性也得到了公认，因此被广泛应用【5 】。尤其是 受空间、设备容量、投资费用所限制的部门应用更加普遍，本文研究的合成试验回路就 是电流源和电压源都是由振荡回路构成的情况。 自合成回路诞生以来，人们对它的控制系统的研究就一直也没间断，从最初的继电 器系统控制到单片机控制，这两套方案有其自身难以克服的缺点，如继电器系统动作分 散性大，属于硬连接，更改困难，出现故障不易查找，单片机系统的抗干扰能力差，容 易死机，而目前设计应用的p l c 控制系统可避免上面的不足，使控制精度大为提高。 目前，国内其他高校中的合成回路均在更新换代阶段，本实验室是最先完成改造， 投入合成实验的。合成回路试验控制系统的研制与进一步完善，对于高校的理论研究和 工业现场的断路器性能的检测等实际应用都有重要的价值。 1 2 2 基于永磁操动机构的真空开关试验控制器的研制 高压开关设备在投产鉴定前必须进行型式试验，以断路器为例，机械寿命试验为必 试项目，以往这项试验大多是靠较大的时间继电器、接触器、机械计数器系统来完成， 3 高压大电流开关试验系统的研究 试验前的调试工作较多，尤其是在更换试晶的时候。另外，他们控制精度差，只能完残 既定的逻辑控制、定时等功能，在出现故障时，查找和排除非常困难，既浪费时间，又 影响生产，这些仪器主要用于弹簧操动机构的断路器。永磁机构在目前的真空断路器操 动机构中占有一定的地位，关于永磁机构的机械寿命的试验仪器方面的文献不是很多， 在这种背景下，设计出一个新型的、实用的真空开关试验控制器就显得更加重要了。 该控制器的成功研制一方面可以完善我校高压试验室的试验系统，另一方面，也可 以用于真空断路器或真空灭弧室的生产厂家进行出厂检验。 12 3 永磁操动机构的研究 随着国民经济的发展和电气工业市场竞争的日趋激烈，要求电气设计人员对各种电 力系统电器设备的设计越来越向高精度、高效率、高可靠性和低成本等方面发展。 在配电和供电系统中，断路器使用量大，操作频繁，其可靠性和免维护的要求更 高。操动机构在断路器中占有重要地位。它不但要保证断路器长期动作的可靠性，而且 要满足灭孤特性对机构的要求。断路器的分合闸所需要的时间或速度必须满足其开断和 关合要求，以便快速切除故障而不使故障扩大，保持系统稳定，所以研究和设计合适的 操动机构，对于实现和提高断路器产品的性能和可靠性，保障系统的安全运行具有重要 的意义。 多年来，真空断路器一直在追求着一种完美的操动机构：结构简单，寿命长，可靠 性高，可以用小功率电源操作，出力特性与真空断路器的反力特性很好的匹配，能给出 不大的合闸速度和较大的分闸速度，永磁机构已经接近于这种操动机构了。目前，永磁 操动机构有不同的结构形式，但工作原理却大体相似 6 ，以双稳态永磁机构为例，机 构中部的永久磁铁用于实现分闸或合闸保持，当有动作信号时，分闸或合闸线圈通过电 容的直流电压激磁，其产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成，实现动作，并由永磁 体将动铁心保持在终端位置。准确的计算出运动过程中的动态特性，找出动作时的磁 场、力、速度、发热等参量随时间变化的过程以及他们之间的关系，就可以计算机构的 动作时间，实现吸力和反力合理的配合使之既保证动作的可靠性又能改善机械碰撞， 4 大连理工大学硕士学位论文 提高机械寿命 7 。 本课题的成果将对提高高压电器设备检验的精度和电力系统的安全运行有一定的 意义。 1 3 本课题需解决的关键问题及各章节的安排 ( 1 ) 对合成回路进行理论分析，并确定了合成回路中短路电流的各个主要参数。 ( 2 ) 用p l c 编程，实现合成回路动作过程的控制。 ( 3 ) 用p l c 作为控制核心设计了真空开关试验控制器，可用于配用永磁操动机构的 真空断路器进行机械寿命试验。 ( 4 ) 对永磁机构进行简单的分析计算。 本文的章节安排就是按照如上的顺序布置的，第一章是绪论，介绍的论文总体的内 容：第二章介绍了合成回路的原理，对开断电流的各个参数进行了简单的分析和计算； 第三章重点对合成回路的控制系统进行设计，从合成试验的控制精度、可靠性、可操作 性和实用性等角度出发，利用了西门子s 7 2 0 0 系列可编程控制器作为控制的核心而实 现。实践证明本控制系统性能稳定，操作简单，试验成功率高，是目前该领域比较先进 的。第四章重点介绍了另套试验系统的设计真空开关试验控制器的设计，这套系 统是用于机械寿命试验中的，目前，国内关于这方面的文献很少，所以这套系统的设计 成功在一定程度上完善了目前的配用永磁操动机构的真空断路器的机械寿命试验系统。 最后，对永磁机构进行了简单的计算。 以上工作的完成对于目前的断路器的试验系统是完善和提高，对高压试验站也有重 要的参考和应用价值。 - 5 高压大电流开关试验系统的研究 2 合成试验回路主要参数的计算 2 1 合成回路试验 自从有合成回路的构想开始的那一天起，国内外的学者就没有中断对合成回路的研 究，包括硬件电路和控制系统。从3 0 年代开始，世界各国提出了多种合成回路方案，其 中很多方案都申请了专利，一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路试验站。从 6 0 年代初开始，为了产品发展的需要，各国进行了更广泛的试验研究，以证明合成试验 法对开断试验来讲是等价的，并且很适用于型式试验和验收试验。由于合成试验具有经 济性、灵活性、对试品无破坏性以及能按需要广泛的调节暂态恢复电压t r v ，因此它更 是一种理想的研究工具。1 9 6 8 年i e c 一1 7 a “高压开关设备和控制设备”分委会决议以i e c 标准的形式推荐给各国使用，1 9 7 3 年作为i e c 的标准，在i e c _ 4 2 7 出版物上正式提出关 于高压交流断路器的合成试验报告。与此同时，各国相继新建或扩建了合成回路试验 室。各式各样的回路方案中，并联电流引入回路为各国广泛采用，在我国也有近3 0 年的 运行历史 3 。目前我国国内的合成回路的种类主要有以下几种：第一种，由发电机提 供短路电流，由电容放电的振荡回路作为电压源，西安高压电器研究所的合成回路试验 即属于这一种情况；第二种，由电网提供短路电流，由电容放电的振荡回路作为电压 源，沈阳虎石台试验站合成回路试验属于这种情况；第三种，电流源和电压源都由振荡 回路提供的情况，西安交通大学、清华大学、沈阳工业大学和我们大连理工大学都采用 这种方式。 目前，国内其他高校中的合成回路均在更新换代阶段，本实验室是最先完成改造， 投入合成实验的。我们这套合成回路试验系统也是国内高校中已投入使用的水平最高的 系统。另外，试验环境都做了良好的接地和屏蔽，绝缘环节也都做了良好的处理。就控 制系统来说，我们目前j 黾p l c 实现的控制方案是十分完善的，一方面能精确的控制动作 时序，提高试验的成功率，另一方面，具有操作简单、参数修改方便等特点。这对于合 成回路的研究以及断路器开断性能的检测提供了可靠的保证。 6 大连理工大学硕士学位论文 电流开断过程中的电流、电压波形变化见图2 。i 。可见其电流开断过程可以划分为 4 个阶段。从触头分离瞬间起到主电流消失瞬间的时间段称为燃弧时间。在每个燃弧半 波，电弧电压在电流过零前通常表现出显著变化，这取决于弧隙特性，其电流变化率也 将偏离相应预期电流的变化率，这一阶段为电弧电压显著变化阶段。随后断口两端的电 压与电流一起降至零并改变极性，断口两端出现瞬态恢复电压。在电流零点后，由于瞬 态恢复电压和弧隙剩余电导的作用，断口会流过弧后电流，即弧后电流阶段。 流过断口的电流消失后，断口间相当于一段绝缘并承受电压，即介质强度阶段。必 须指出，实际上不可能精确地确定这些阶段的界线。电弧电压显著变化阶段和弧后电流 阶段可统称为电流零点阶段，即电流零区。 电墨电毫一一、迥流零点阶段 x 弧电压、 压显著变化阶段i 1 r 、弧后电流二 、 弧后电流阶段 k 八广上 一燃弧阶段一 一介质强度阶段一 图2 1电流开断过程中几个阶段的电流、电压原理波形图 f i g 2 1c u r r e n ta n d v o l t a g e w a v e f o r m d u r i n g c u r r e n to p e n i n gc o l l r s e 由对开断过程的分析可以看出，当电弧电流通过时，弧隙上的电弧电压很低，主要 的压降在线路阻抗上。在电流零点后，恢复电压加在弧隙上，使弧隙上出现高的电压a 显然，断路器在开断过程中，大电流和高电压并不是同时出现在弧隙上的。根据这一特 点，可将大电流和高电压实时先后加在断路器上进行试验，以满足断路器开断过程中燃 弧时的大电流及熄弧后高电压的要求。此即为合成试验法的基本思想 3 a 2 2 开断试验的目的、有关规定及试验方法 7 高压大电流开关试验系统的研究 2 2 1 开断试验的目的 高压断路器开断与关合试验的目的是为了研究、考核断路器的各种开断与关合性 能，检验灭弧室与其他部分的结构设计、制造工艺和材料选择是否合理。断路器的开断 过程涉及到的问题极为复杂，目前还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符 合各项开断性能和其它要求的断路器。只能靠试验鉴定产品的性能，因此，开断与关合 试验就显得格外重要。 2 2 2 开断试验的有关规定 1 ) 功率因数：试验回路的短路功率因数的平均值不应超过o 1 5a 2 ) 断路器应在额定频率下进行试验。频率容差1 0 。 3 ) 瞬态恢复电压：关于瞬态恢复电压的规定可参考g b l 9 8 4 交流高压断路器【4 a 4 ) 开断电流中的直流分量 对于一般对称开断的情况，直流分量不应大于开断电流中交变分量峰值的2 0 ，如 r 图2 2 所示，即之竖1 0 0 2 0 ( 2 - 1 ) 爿 d c 一 一l 豁o a 专f 迓必l 一? 一 上) 7 c 。 图2 2 直流分量百分数与关合、开断电流的确定 f i g 2 2t h e d e f i n i t i o no f d i r e c tc u r r e n tp e r c e n t a g eo f c l o s i n g a n d o p e n i n g c u r r e n t 8 - 大连理工大学硕士学位论文 图中各个蓝线表示的内容：a a 、b b7 一电流波形包络线；c c 一周期分量零 线：e e 触头分离瞬间；k 。- 一关合电流；k 触头分离瞬间交流分量的峰值：i d c - - 触头 分离瞬间直流分量 5 ) 开断的电流 断路器至少应在1 0 、3 0 、6 0 、1 0 0 的额定电流下进行试验，以上对应的分别 是试验方式i 到试验方式4 ，开断电流中的直流分量小于开断电流中交变分量峰值的 2 0 。当断路器最小分闸时间小于8 0 m s ，直流分量大于2 0 时应按照试验方式5 进 行，直流分量百分数与时间间隔t 的关系见图2 3 。 。 。 、 - 、 of 02 03 04 05 06 07 0 8 09 0 从疑珞电矗瓮始豹时何间隔t a s 图2 1 3 直流分量百分数与时间间隔t 的关系 f 追2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d i r e c tc u r r e n t p e r c e n t a g ea n d t 对于由短路电流直接脱扣的断路器，t 等于断路器的最小分闸时间：对于由辅助动 力脱扣的断路器，t 等于断路器的最小分阉时n 力n _ k 额定频率( 5 0 h z ) 的半个周波。 6 ) 操作顺序 对于手动操作的顺序为：分1 8 0 s 一合分。一般自动操作的顺序为：分- - 1 8 0 s 合 分一1 8 0 s 合分。具有重合闸功能的操作顺序为：分一e 一合分1 8 0 s 合分，其中0 为自动重合闸的无电流间隔时间，通常取o 。3 s 或o 。5 s 。 9 阳 的 卸 佃。 糕娘阻嘲求憾埘 高压大电流开关试验系统的研究 7 ) 电源电压 取工频( 5 0 h z ) 或尽可能接近工频的正弦波交流电源作为试验电源。外施电压应保 证满足工频恢复电压的规定要求。设工频恢复电压为u i ，最高工作线电压为u 。，则三 相开断试验时应u i1 0 9 5 u 。；当三相断路器作单相开断试验时，应考虑首开相系数 ( 其值为1 5 或1 3 ) ，当首开相系数取为1 5 时，则应有： rr u 1 5 弩0 9 5 0 8 2 ( 2 - 2 ) j 2 3 合成回路的硬件构成 我校高压试验室的合成回路的硬件电路如图2 。4 所示， 图2 4 合成回路原理图 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eo f s y n t h e t i c c i r c u i t 本文所涉及的合成回路是指电流源和电压源都是振荡回路构成的情况，其原理主要 是充满电荷的电容器组c 对电感工放电，只要使得参数配合恰当即可得到近似5 0 h z 的 开断电流。试验回路的原理图如图2 4 所示，其中s 1 为合闸开关，s 2 为辅助开关，s 3 为 试品开关；风、c o 为调频电阻和调频电容，用于改变试品开关s 3 两端的暂态恢复电压 的峰值和频率；c 1 、l ，为电流源电容和电感，振荡产生工频开断电流；c ：、l ：电压源 电容和电感，振荡产生高频暂态恢复电压：阻容分压器r cv d t 用于测量暂态恢复电 压；电阻分压器rv d t 用于测量电压源电容c 2 上的充电电压；r o g o w s k i 线圈用于测量 开断电流；交流接触器j l 电流源电源控制开关：j 2 电流源充电控制开关；h 电压源电源 控制开关；j 4 电压源充电控制开关；其中电流源充电回路采用倍压整流充电的方法a 1 0 严睦 大连理工大学硕士学位论文 2 4 硬件电路的参数计算 本文所述的合成回路是指电流源和电压源都是由振荡回路构成的情况， 2 4 1 电流源的计算 振荡回路试验的基本原理见图2 4 ，利用工频电源整流后对电容i n c ，( 作电流源使 用) 充电至u 。，当电流源充电完毕，断开充电回路，在开关s l s 3 闭合瞬间，电路的 状态相当于电容c 。对厶及闭合线路的所有电阻r t 放电，等值电路如下图2 5 所示： r 图2 5 电流源放电回路的等效电路 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f c u r r e n t r e s o u r c ed i s c h a r g e 图中c ；为电流源充电后的电容电压，厶为电流源回路的电感；r r 为闭合线路的所 有电阻，在振荡电路中电阻r t 主要是接触电阻和连接线的电阻，其值很小。假设电流 源放电电流为 , n u ，。和的变化规律为： f l = 。s i n c o l f - 粤s i n 国l ， ( 2 3 ) ( u l “。= u 1 。c o s ( 0 1 f ( 2 - 4 ) q 以介赢 与 式2 3 到2 5 中，z 是电流源的振荡频率。单位为 k ；c ，为电流源电容的值，单 位为f ；厶是放电回路的电感，单位为h 。我们需要的工频开断电流就是由c l 和厶合 理配合，振荡产生的，两者的参数选择可以预先通过实验确定，也可根据理论计算或经 验，实际试验中的电流波形如图2 6 的上方曲线所示， 高压大电流开关试验系统的研究 倒2 6 试验中的波形图 f i g 2 6t h ew a v e f o r mo ft e s tr e s u l t 只要选择合适的c 1 和上1 ，就可以在放电回路中得到工频5 0 h z 的正弦电流【5 。因实 际回路中的正弦电流i 落后于电容f z 压, u ，9 0 。所以，振荡回路中被试断路器开断的电 流相当于电感中的纯电感性电流。当电流过零时，电容上的电压【，c 达到最大值u ，相 当于开断瞬间的工频恢复电压值。由于在被试断路器s 3 上并联接有调频电容c 。，当s 3 电流过零开断时，断路器上将出现瞬态恢复电压。 瞬态恢复电压的振荡频率五为： 1 。丽 调节c 。的大小可以改变被试断路器开断时的瞬态恢复电压频率。如果还需要改变 瞬态恢复电压的幅值大小，则需要调节r 。的大小。 根据图2 4 以及式2 3 式2 - 5 可知， i ) 电流峰值： k = 冶砜偿 协a ， 2 ) 振荡频率： 由式2 - 5 可得： 2 司1 雨 2 _ 7 式中c 。为两个电容串联，电容c , = 5 0 0 0 uf ，电感l t = 2 0 m h ，这样由式2 - 5 的得 振荡频率= 5 0 4 h z ，接近于工频。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 本实验室的合成回路的一条支路的参数为，电容值c 。= 5 0 0 0 uf ，电感厶- 2 。o m h 投入支路的条数与充电电压的计算关系为： i = 慨砌c 。u 1 。 该式可由2 - 6 推导得到，其中i 为放电电流第一半波有效值，为振荡频率，k 是 电流衰减比，这里取0 9 5 。因为电弧电压很低，不会对电流造成畸变，所以没考虑它的 影响。 2 4 2 电压源参数分析 1 ) 电压源回路引入电流的频率 电压源回路放电过程与电流源回路基本一致，僵考虑到合成回路等价性方面的因 素，保证过零前后电弧的物理过程相同。在投入电压源后，被试断路器中电流过零时的 变化率应与规定的预期电流过零时的别础相等。根据这一条件，电流源与电压源的电 流间的关系可由下式决定： c o , , 。= 吐厶。 即丘：堕：五 ( 2 8 ) 。厶。石 式中，1 1 。和，2 。分别为电流源和电压源电流的幅值；q 和石为电流源电流的角频 率和频率；和 为电压源电流的角频率和频率。 引入电流的频率五应足够高以防止在燃弧阶段因引入电流和工频电流叠加而引起 过度的电流畸变。而且五还应低于瞬态恢复电压的基频，使回路易于调整。引入电流 频率通常为2 5 0 1 0 0 0 h z ，我们一般选5 0 0 h z 5 1 。 艄：。= 竽= 盖k 乩u 。 ( 2 - 9 ) 2 ) 电容的充电电1 1 i , u 。 在l o o k v 以下的系统瞬态恢复电压近于衰减的振荡波形，可用两参数法表示， 所谓两参数即w 峰值u c 以及到达u c 的时间，可得己v 峰值： 1 3 高压大电流开关试验系统的研究 吣酗而( 爿 其中：k 。为振幅系数；k 为首开相系数，般取1 3 1 5 ；u 为断路器额定电压有 效值。 如果不考虑衰减的影响，则电压源的充电电压可按u 。选取。以1 0 k v 断路器为 例， ，。可以取：u 。= k 动( 击 = 1 5 x 1 4 1 4 x 1 0 - - 1 7 3 2 - 1 2 2 4 6 k v ，考虑衰减的影 响可以再乘以衰减系数1 1 。即：【，卅= 1 2 2 4 6 1 1 = 1 3 4 7 k v 3 ) 电容值c 2 、电感值l ：的确定 考虑试验等价性，结合式2 - 8 、式2 - 9 和电压源回路，可列下列方程组，可以进一 步计算出电压源部分的电容量q 和电感l 。的大小。 卜= 警= 器”叫k c z = 去 沼 l 妒去 方程组2 - 1 1 中， q 和彳为电流源电流的角频率和频率，u 。为电流源的充电电 压：和 为电压源电流的角频率和频率。，c 2 、三：分别为电压源回路的电容值和 电感值， ，：。为电压源电流，u 。为电压源的充电电压。 由上面的方程组2 - 1 1 可知，如已知断路器产品的额定电压和额定短路开断电流， 就可以计算出相应的试验参数，当然还要考虑实际试验的电压衰减情况后，选择合适的 充电电压。 2 4 3 调频参数确定 根据上述图2 4 的合成回路原理图。在电压源投入瞬间，调频回路和电压源回路的 关系及等效电路图如图2 7 所示：其中r 。，c 。为调频电阻和调频电容，s 3 为试品开 关，r cc d t 为阻容分压器，用来检测恢复电压的大小，r v d t 是电阻分压器，用于测 量电压源c ：充电电压，正：为限流电抗器，i ：为电压源电流。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 1硒 0 lo 图2 7 调频回路 f i g 2 7t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o nc i r c u i t 当试品断路器断开以后，经调节调频电容和调频电阻可得到预想的恢复电压参数。 根据图2 7 振荡回路列写k v l 方程如下： 吐鲁+ f 1 ：一c ，d u e 2 d t ( 2 一1 2 ) 铲c 。警 由式2 - 1 2 的后两个方程可得： 鲤：一鱼虹 ( 2 1 3 ) d t c 2 d t 由于被试断路器并联有调频电容和调频电阻，电流过零电弧熄灭后，若忽略调频电 阻震。的影响，瞬态恢复电压将以振荡形式出现，振荡频率为 f 0 = ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 对1 0 k v 产品而言，恢复电压的振荡频率通常取5 9 k h z ，这样就可出c 。的大小。 1 5 厂，、，l 高压大电流开关试验系统的研究 2 5 合成试验波形分析 采用本合成试验系统所做的合成试验的成功试验波形图如图2 8 所示，失败的试验 波形如图2 9 所示。 t d $ 2 1 0 9 ：0 4 ：4 32 0 0 5 - 1 甜t 2 t 0 _ 1 2 , 0 9 ：2 92 0 0 5 - 1 - 2 3 图2 8 成功试验波形图图2 9 失败试验波形图 f i g2 8 t h ew a v e f o r mo f s u c c e s s f i g2 9t h ew a v e f o r m o f f a i l u r e 以上两个波形取自电压为l o k v ，额定电流为6 3 0 a 的真空断路器的合成试验，额定 短路开断电流为2 0 k a ，从图2 8 成功的波形可以看出，在电流过零前某一个时刻电压 源投入，产生叠加电流，在这个电流过零时刻成功开断；图2 9 是失败的试验波形，从 图中可看出，在电流过零时刻，没有完成开断，而是在第二半波才开断。所以为保证试 验的成功率，在试验前要做一些准备工作，如动作时间的测量，点火系统的调试等。 2 6 合成回路的等价陛 合成试验法是一种间接试验方法，它除了必须合适地选择回路参数以满足开断条件 外，还需保证与相同开断条件下的直接试验方法的等价。保证合成回路等价性的要素主 要有三个方面，现分别说明如下： 1 ) 电弧能量 电流源必须提供所需要的试验电流，其电弧能量应与等价的直接试验相同。燃弧时 间内释放的电弧能量取决于电弧电压及电流。当断路器开断电流时，电流总有些畸变， 其幅值和半波持续时间要相应减小，畸变的大小取决于电弧电压与电源电压之比。 在直接试验时，不需考虑断路器电弧电压在减小电流幅值及半波持续时间( 与预期 电流相比较) 方面的影响，因为这一影响是断路器的一种性质。但在合成试验中，由于 1 6 大连理工大学硕士学位论文 工频电流回路的电压较低，以及由辅助断路器和被试断路器相加的总电弧电压较高，使 电弧电压对工频回路电压之比增大，即加大了对电流的影响。 因此，要求开断电流的幅值和电流半波持续时间的误差小于1 0 。为满足这一要 求，电流源的电压不能太低，其电压幅值至少应为电弧电压的1 0 - - - 1 5 倍。 2 1 电流过零 开断后，高频电流迭加到直流电流，造成人工零点及恢复电压形成并增长的过程 中，试验回路须与实际网路完全等价，电弧电流的变化率d i l d t 相同，即在电流零点前 后，回路阻抗必须等价。 3 ) 恢复电压 由前面的分析可知，调节c 0 可得到不同频率的恢复电压，调节r 0 可改变恢复电压 的大小 8 。 2 7 小结 本章对合成回路的工作过程和试验的有关规定做了简要的介绍，结合我校高压试验 室的硬件电路，对合成回路的主要参数进行了计算，可为以后的试验提供借鉴。 1 7 高压大电流开关试验系统的研究 3 基于高速p l c 的合成回路控制系统 3 1 概述 合成回路试验是检测断路器开断性能重要的手段，目前，我校的合成试验系统在国 内最先完成改造并投入使用的，其控制系统的精度和实用性也是处于较高的水平，本控 制系统主要是用p l c 来控制合成回路试验的操作时序、操作精度等。它工作的准确性 及可靠性决定着合成回路试验的成功与否。 传统的高压合成回路试验装置的控制系统多采用继电控制线路，所用的元器件很 多，结构复杂，可靠性差，调整及维护困难，并且占用空间大。由于继电器元件本身的 动作具有分散性，试验时往往要经过几次试验配合才能得到正确的波形，这样极大的扭 曲了试验的精准性及试验的等价性，后来改为单片机系统进行控制，单片机系统的时间 精度方面十分准确，但是它的抗干扰能力弱是致命的缺点，而用p l c 进行控制系统的 设计就可以避免上述的不足。以往继电器系统和单片机系统的控制的劣势主要表现在以 下几方面； 1 ) 试品开断的固有时间比合闸开关的合闸固有时间短，造成电流源电流无法投 入；或者二者时间的配合分散性较大时，会使燃弧时间前后改变较大，使试验的结果受 到一定的影响； 2 ) 试品开断的固有时间超过半个周期，造成大电流由辅助开关来开断，失去了试 验考察试品的意义： 3 ) 点火回路的点火时间配合不精确( 过早或过晚) ，造成试验的等价性大大降低， 同时也会对系统造成一定的冲击； 4 ) 系统的各时间参数调节不方便，控制系统的人机交互不直观，抗干扰能力差。 近年来国内有研究机构改用单片机等智能c p u 系统来进行合成回路的控制系统设 计，它们在硬件设计上不存在时间精准性的问题，但是在这种强电环境下经常会造成很 大的干扰，会造成程序跑飞甚至是死机。 1 8 。 大连理工大学硕士学位论文 我们现在的控制系统是用p l c 作为控制的核心，利用高速脉冲输出和高速计数器 的配合实现时间上的精度要求，这里选用的脉冲周期为1 0 0 “s ，完全可以满足试验的 要求；利用西门子t d 2 0 0 文本显示和修改模块，可方便的对试验参数进行外部修改和 设定，关于t d 2 0 0 的组态编程在第4 章有详细的介绍。 本文是在对p l c 特点作以简单介绍的基础上，对合成回路试验过程的充电控制、 手