電力工程專業(yè)畢業(yè)論文19284

1、畢業(yè)設計變電站斷路器機械特性監(jiān)測系統(tǒng)設計摘 要 對電力設備進行在線監(jiān)測，是實現(xiàn)設備預知性維修的前提，是保證設備安全可靠運行的關鍵，也是對傳統(tǒng)離線預防性試驗的重大補充和新的發(fā)展。高壓斷路器所造成的事故無論是在次數(shù)，還是在事故所造成的停電時間上都占據(jù)總量60以上。因此，及時了解斷路器的工作狀態(tài)對提高供電可靠性有決定性意義；并可以大大減少盲目定期檢修帶來的資金浪費。 本文論述了斷路器機械特性參數(shù)的監(jiān)測方法；提出根據(jù)斷路器生產(chǎn)廠家提供的斷路器額定短路電流分斷次數(shù)，計算每次分閘對應的觸頭電壽命損耗，預測觸頭電壽命；提出根據(jù)斷路器殼體溫度和斷路器周圍空氣溫度結合斷路器的熱阻來計算斷路器主觸頭穩(wěn)態(tài)溫升的方

2、法，并根據(jù)此時的負荷電流間接計算主觸頭回路的電阻；在實現(xiàn)在線監(jiān)測的系統(tǒng)的設計上本文選用了美國 ti 公司最新推出的一種功能強大的單片機msp430。在系統(tǒng)設計時充分考慮到由于該單片機的低供電電壓（1.83.6v）給設計所帶來的特殊問題，并予以解決。在通訊模塊設計中根據(jù)rs-485 通信芯片max1480b 的特殊結構，解決了不同工作電壓芯片rs-485 通信芯片max1480 與單片機msp430 的接口問題，并給出了max1480 與msp430 芯片直接聯(lián)接的接線方案。 關鍵詞：斷路器 在線監(jiān)測 機械特性 觸頭電壽命 觸頭溫度 on-line monitoring of hvcb abst

3、ract hvcbon-linemonitoring isessentialforpredictingmaintenance and as a supplement to the traditional off-line preventive maintenance is the key factor of its reliable operation. in fact,the faults on hvcb account for over 60 percent both in number and duration of all the faults occurring in a subst

4、ation. therefore, on-line monitoring ofhvcb could significantly improvepower supply reliability and greatly reduce the expense for regular overhaul. in this thesis, the inspecting methods of hvcb mechanical characteristics are discussed. according the shut-off times of hvcb at rated short circuit gi

5、ven by manufacturer,the contacts life loss can be calculated for each operation, and the remaining life can be forecast. in this thesis, an indirect method is proposed for determining the main contact temperature based on the breaker shell temperature, air circumference temperature and breakers heat

6、 resistance, and furthermore, determining the main contact esistance provided the load current is know. the on-line monitoring ris implemented with msp430, a new single chip microcomputer by texas instrument, with its lower supply voltagerange of this chip （1.83.6v）is well treated. in the design of

7、communication module, interfacing problem caused by different voltage supply levels (max1480 and msp430) is carefully solved, and a connection scheme is devised in this paper as well. kywords: hvcb on-line monitoring mechanical characteristic touch electricity endurance touch temperature 目 錄第1章 緒 論.

8、1 1.1 電力設備在線監(jiān)測. 1 1.1.1 電力設備在線監(jiān)測技術發(fā)展史. 1 1.1.2 電力設備在線監(jiān)測技術展望. 2 1.1.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求. 2 1.2 高壓斷路器在線監(jiān)測. 2 1.2.1 高壓斷路器在線監(jiān)測技術發(fā)展史. 2 1.2.2 國內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測技術現(xiàn)狀. 3 1.3 論文主要工作及取得的成果. 3第2章 在線監(jiān)測方案設計.5 2.1 機械特性在線監(jiān)測. 5 2.1.1 機械特性在線監(jiān)測的必要性. 5 2.1.2 機械特性參數(shù)的標定. 5 2.1.3 機械特性參數(shù)的采集. 8 2.1.4 機械特性參數(shù)的確定. 9 2.1.5 機械故障診斷. 10 2.2

9、 觸頭電壽命在線監(jiān)測. 10 2.2.1 分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法. 11 2.2.2 滅弧觸頭電壽命預測原理. 17 2.3 主觸頭導電性能在線監(jiān)測方法的探討. 19 2.3.1 斷路器的發(fā)熱與散熱. 19 2.3.2 主觸頭溫度和主回路電阻間接算法. 22 第3章 硬件設計.24 3.1 硬件系統(tǒng)組成概述. 24 3.2 新一代單片機msp430簡介. 25 3.3 各功能模塊設計. 26 第4章 軟件設計.32 4.1 硬件級驅(qū)動軟件設計. 32 4.1.1 wtd定時器中斷服務程序流程. 32 4.1.2 a/d 中斷服務程序流程. 32 4.1.3 狀態(tài)量輸入中斷服務程序流程. 33

10、4.1.4 ta、tb計數(shù)器捕獲中斷服務程序流程. 34 4.1.5 ds1820數(shù)據(jù)采集子程序. 35 4.2 功能模塊級軟件設計. 35 4.2.1 合閘記錄子程序. 35 4.2.2 分閘記錄子程序. 36 4.3 系統(tǒng)級軟件設計. 37第5章 數(shù)據(jù)通信. 39 5.1 rs-485 串行通信的特點. 39 5.2 msp430 串行通信的特點. 39 5.3 rs-485通信接口芯片max1480b. 40 5.4 存在的問題及解決方案. 40 5.4.1 存在的問題. 40 5.4.2 問題分析. 41 5.4.3 解決方案. 41 5.5 編程與調(diào)試注意事項. 41第6章 結論.

11、43 致 謝. 44參考文獻. 45第1章 緒 論 對電力設備進行在線監(jiān)測是實現(xiàn)設備狀態(tài)維修的前提，是保證設備安全可靠運行的關鍵，也是對傳統(tǒng)的離線預防性試驗的重大補充和新的發(fā)展在變、配電系統(tǒng)（該系統(tǒng)電力元件主要包括：變壓器、高壓斷路器、互感器、輸電線等）中高壓斷路器所導致的非計劃停電和事故，無論是次數(shù)還。1 是造成的停電時間，都占據(jù)總量60以上 。高壓斷路器在線監(jiān)測為實現(xiàn)24 由計劃檢修到狀態(tài)檢修 的轉變創(chuàng)造了條件。長期以來的計劃檢修，盲目解體拆卸，浪費了大量的人力物力和財力，同時也造成了停電損失，甚至會導致設備壽命的降低。目前，電力系統(tǒng)各運行單位正致力于高壓斷路器由計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉變，

12、不再以投入年限和動作次數(shù)作為衡量標準，而是以設備的實際狀態(tài)為維修依據(jù)。電力設備的檢修要實現(xiàn)這種轉變，在線監(jiān)測勢在必行。 高壓斷路器在線監(jiān)測技術將為gis （gas insulated metal enclosed swithgear）“氣體絕緣金屬封閉開關”的應用提供有力的技術支持。gis的廣泛應用又推動了在線監(jiān)測技術的迅速發(fā)展。 另外，高壓斷路器在線監(jiān)測技術的發(fā)展，將推動智能化高壓斷路器的進程，將來，智能化高壓斷路器將是一個發(fā)展趨勢。 綜上所述，該課題的目的和意義在于： (1) 為高壓斷路器由計劃檢修到狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件，最大化地節(jié)省不必要的檢修開支和停電時間，提高供、電配電可靠性。 (2)

13、為gis 的廣泛應用奠定基礎，為智能化高壓斷路器做前導工作。 1.1 電力設備在線監(jiān)測 1.1.1 電力設備在線監(jiān)測技術發(fā)展史 早在1951 年，美國西屋公司的約翰遜（john s.johnson）針對運行中的發(fā)電機因槽放電5導致電機損壞現(xiàn)象，提出并研究了在電機運行條件下對槽放電現(xiàn)象進行監(jiān)視。限于當時的技術條件，無法抑制來自線路的干擾，最后只得將電機從線路上斷開，即在離線條件下進行檢測，但這種在線監(jiān)測基本思想則一直沿用至今。60年代美國率先開發(fā)在線監(jiān)測技術，成立了龐大的研究機構，每年召開12 次學術交流會議。70年代加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國家的在線監(jiān)測技術開始起步，并得到迅速發(fā)展。其中加拿大于

14、1975年研制成功油中氣體分析的在線監(jiān)測裝置；日本于70年代末研制成功油中氫氣的監(jiān)測裝置、80 年代研制了變壓器局部放電的監(jiān)測裝置；前蘇聯(lián)的在線監(jiān)測技術也發(fā)展較快，特別是電容性設備絕緣監(jiān)測和局部放電的在線監(jiān)測方面，有較強的技術實力。 我國在線監(jiān)測技術起始于80 年代，在短短的二十年里得到了迅速發(fā)展。各單位相繼研制了不同類型的監(jiān)測裝置。主要有：各省電力部門研制的電容性設備監(jiān)測裝置（主要監(jiān)測介質(zhì)損耗、電容值、三相不平衡電流）；電力系統(tǒng)的一些研究所除電容性設備的監(jiān)測外還研制了各種類型的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)。清華大學、西安交通大學等高校則開始了絕緣診斷技術的研究。1985 年以后，國家先后將一些諸如：“電

15、力設備運行中局部放電數(shù)字化監(jiān)測裝置和相應的微機系統(tǒng)”、“大型氣輪發(fā)電機故障在線監(jiān)測系統(tǒng)”項目列入“七五”和“八五”攻關項目。隨后，機械部、電力部也先后將諸如“大電機絕緣在線監(jiān)測技術的研究”、“在線局部放電抗干擾”列入重大科技項目，標志著我國的電力設備在線監(jiān)測技術進入全速發(fā)展階段?？傊S著計算機技術、信號處理、人工智能和測試技術的日趨完善，在短短的幾十年時間里在線監(jiān)測技術在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)展和廣泛應用。 1.1.2 電力設備在線監(jiān)測技術展望 從以上國內(nèi)外發(fā)展情況的總體來看：多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能比較單一，例如：僅對一種設備或多種設備的同類參數(shù)進行監(jiān)測；沒有很好的將診斷技術和監(jiān)測技術結合起來；

16、分析診斷也僅限于超標報警，具體詳細的分析診斷基本上由試驗人員完成。故此今后在線監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢應是： （1）多功能多參數(shù)的綜合監(jiān)測和診斷，即同時可進行多個狀態(tài)的監(jiān)測。 （2）對變電站的整個電氣設備進行集中監(jiān)視和診斷。 （3）提高監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性和靈敏度。 （4）在不斷積累監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷經(jīng)驗的基礎上發(fā)展人工智能技術，建立人工神經(jīng)網(wǎng)和專家系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)診斷自動化。 1.1.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求 隨著在線監(jiān)測技術的發(fā)展，對在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求也越來越規(guī)范。一般情況下，對于在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求如下： （1）系統(tǒng)的投入和使用不應改變和影響電氣設備的正常運行。 （2）系統(tǒng)應能自動地連續(xù)地進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)

17、處理和存儲。 （3）系統(tǒng)應具有自檢和報警功能。 （4）系統(tǒng)應具有較好地抗干擾能力和合理的監(jiān)測靈敏度。 （5）監(jiān)測結果應具有較好的可靠性和重復性以及合理的準確度。 （6）系統(tǒng)應具有在線標定其監(jiān)測靈敏度的功能。 （7）系統(tǒng)應具有故障診斷能力。1.2 高壓斷路器在線監(jiān)測 1.2.1 高壓斷路器在線監(jiān)測技術發(fā)展史 與變壓器、發(fā)電機、電容性設備相比，高壓斷路器在線監(jiān)測技術起步較晚。從某種意義上講“gis 技術”和“狀態(tài)維修”概念促進了高壓斷路器在線監(jiān)測技術的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中由于高壓斷路器的造價與變壓器、發(fā)電機等電力元件相比較為便宜，且其故障時所造成的危害不如電容性設備嚴重，因此雖然在變電和配電系統(tǒng)中，

18、它所造成的非計劃停電和事故無論從時間和數(shù)量上都遠遠高于其它電力元件，但直到90年代以后高壓斷路器在線監(jiān)測技術才逐漸發(fā)展起來。這主要是因為現(xiàn)在的電力系統(tǒng)事故已經(jīng)不再單純的以其對電力系統(tǒng)的危害來衡量它造成的經(jīng)濟損失。如果按我國權威部門指出的非計劃停電所造成的直接損失、間接損失、社會損失的比例為1：4：6來估計損失的話，設備費用反而只占很小一部分。從這種意義上講，加強對諸如高壓斷路器等高事故電力元件的在線監(jiān)測是減少損失的最佳途徑。隨著供電電壓的不斷提高，高壓斷路器對介質(zhì)有了特殊要求，油、真空、sf6高壓斷路器的出現(xiàn)使得高壓斷路器的現(xiàn)場維修較為困難，“狀態(tài)維修”的概念就是在這種情況下產(chǎn)生的。目前，國家

19、依然推行的是計劃性預防檢修。由于檢修技術水平和現(xiàn)產(chǎn)場條件等原因，解體拆裝有時甚至對正常高壓斷路器造成損害，同時也降低了其利用率和可靠性。隨后有人提出狀態(tài)維修的概念，用狀態(tài)維修替代計劃性維修。狀態(tài)維修克服了計劃檢修的盲目性，同時也最大化的節(jié)省了維護費用。狀態(tài)維修的前提是對高壓斷路器的狀態(tài)預知，高壓斷路器在線監(jiān)測技術為狀態(tài)檢修提供狀態(tài)預知的技術支持，狀態(tài)檢修的廣泛應用也推動在線監(jiān)測技術的發(fā)展。gis技術是本世紀60年代中期才出現(xiàn)的一種新型電器裝置。gis具有占地面積小、維護工作量少、故障率低、不受環(huán)境條件影響以及運行性能可靠等優(yōu)點，已經(jīng)得到國內(nèi)外電力部門的公認，目前已成為高壓配電裝置的一個發(fā)展方向

20、（我國第一套110kv的gis 于1971年研制成功，1973年投入運行）。gis技術的應用，使得其核心電力元件高壓斷路器的檢修更加困難，所以必須對其中的高壓斷路器進行在線監(jiān)測才能做到“應修必修”和維修量最小、維修費用最低。gis 技術的廣泛應用成了高壓斷路器在線監(jiān)測技術發(fā)展的另一股推動力。 90年代美國、日本開始研究斷路器的在線監(jiān)測，美國學者率先給出斷路器壽命與開斷電流的關系，提出“滅弧觸頭電壽命”的概念，“全工況跳合閘回路完整性監(jiān)視”的概念也是同期提出的，此時的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進行的。隨著研究的深入，都先后生產(chǎn)了自己的高壓斷路器在線監(jiān)測裝置，不過都存在著只能對其中的一個或

21、幾個狀態(tài)進行監(jiān)測的問題，檢測結果的適用性和部分項目的檢測手段仍然很不理想。1992年吉林電業(yè)局曾立項“斷路器機械性的監(jiān)測”和“gis 局部放電特高頻在線監(jiān)測”，1995年清華大學高壓教研室研制了cba-1 高壓斷路器參數(shù)測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測合、分閘電流、行程曲線及振動信號。綜上所述，斷路器在線監(jiān)測技術發(fā)展起步較晚，“gis技術”和“狀態(tài)維修”概念促進了高壓斷路器在線監(jiān)測技術的發(fā)展。短短的十幾年時間里 斷路器在線監(jiān)測技術得到了較快的發(fā)展。 1.2.2 國內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測技術現(xiàn)狀 目前，高壓斷路器在線監(jiān)測技術已經(jīng)進入一個新的發(fā)展階段，一些新理論、新技術、新檢測手段正在被開發(fā)、運用。國

22、內(nèi)外在斷路器在線監(jiān)測項目方面正在做或已經(jīng)做的工作主要有以下幾個方面： （1）記錄分合閘操作的行程、時間特性曲線，提取機械運動參數(shù)，并借之判斷機械故障。 （2）高壓斷路器的機械振動信號包含豐富的信息，受到國內(nèi)外普遍重視。 （3）合、分閘線圈回路線路完整性監(jiān)測。 （4）測量靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻以檢測觸頭的燒損情況。 （5）sf6壓力檢測。 （6）絕緣監(jiān)測。 （7）人工智能與計算機結合的專家系統(tǒng)。 顯然，檢測手段一直是在線監(jiān)測技術的核心工作，目前、國內(nèi)外都在致力于檢測手段的開發(fā)和研究。以局部放電為例：國外最新技術ims （ion mobilityspectrometer）“離子遷移頻譜儀 ”， 69

23、已經(jīng)在巴西投入試運行，它能對局部放電進行較為精確的檢測。相同領域，國內(nèi)正在發(fā)展一種超高頻法，旨在對局部放電進行定位和監(jiān)測，目前尚未投入實際應用。其它檢測項目方面的情況類似。另外，在參量檢測結果的準確性、穩(wěn)定性以及診斷結果的有效性等方面還有待于進一步提高，部分項目的監(jiān)測仍無法實現(xiàn)或無應用前景。 1.3 論文主要工作及取得的成果 在該論文中，我們主要完成以下工作： （1） 通過對機械特性參數(shù)的在線監(jiān)測來判斷斷路器的工作狀態(tài)。 （2） 基于斷路器廠家提供的斷路器額定短路電流開斷次數(shù)，計算每次分閘對應的觸頭電壽命損耗，并用此法來預測觸頭電壽命。 （3） 用斷路器殼體溫度、環(huán)境溫度和負荷電流來間接反映主

24、觸頭溫度和主觸頭的導電狀況的方法，并給出了諸參量之間的關系表達式，給出主觸頭回路電阻的計算公式。 （4） 在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)上，我們選用了美國ti公司最新推出的一種功能強大的單片機msp43010，11。在系統(tǒng)設計時充分考慮到由于該單片機的低供電電壓（1.8-3.6v）給設計帶來的特殊問題。以該單片機為核心，構造硬件電路對斷路器的各參量進行采集、處理和運算實現(xiàn)上述各功能，并用匯編語言實現(xiàn)之。 （5） 在通訊模塊設計中根據(jù)rs-485 通信芯片max1480b12，13的特殊結 構，解決了不同工作電壓的芯片max1480與msp430 的接口問題，并給出了 max1480與msp430直接聯(lián)接的

25、接線方案。第2章 在線監(jiān)測方案設計2.1 機械特性在線監(jiān)測 高壓斷路器依靠其機械部件的正確動作來完成其職能，因而每個組成部件的機械牢固性極為重要。國際大電網(wǎng)會議對高壓斷路器可靠性所做的兩次世界范圍的調(diào)查和我國電力科學院對高壓開關事故的統(tǒng)計分析均表明，高壓斷路器故障80%是機械的原因14。且大多數(shù)故障是操作機構的問題，如拒分、拒合或不能開斷。隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，停電事故給生產(chǎn)、生活帶來的影響及損失也越來越大，保證電力設備的安全運行越來越重要。因此，對高壓斷路器實施狀態(tài)診斷或?qū)崟r在線監(jiān)測，及時了解其運行狀況，掌握其運行特性及變化趨勢，對提高電力系統(tǒng)運行可靠性極為重要。 2.1

26、.1 機械特性在線監(jiān)測的必要性 高壓斷路器在安裝投入或檢修后，為保證其安全運行，按規(guī)程要求必須進行機械參數(shù)測試。其參數(shù)包括：分、合閘時間、分、合閘同期性、開距、超程、剛分、合速度、平均速度和最大速度等。 在早期的傳統(tǒng)的測試方法中，檢修試驗人員使用電秒表、同步燈、光線示波器、電磁振蕩器和轉鼓測速儀等進行測試。這些設備運輸困難，而且這些方法不但占用現(xiàn)場面積大，測試時接線復雜，讀取記錄的數(shù)據(jù)要進行人工處理和計算，而且測量的誤差大，檢修工作的時間長。 80年代末90年代初，通過模擬數(shù)字電路技術的運用，先后研制投產(chǎn)了集箱式斷路器機械特性測試儀。這類儀器綜合了上述部分儀表的測量功能，簡化了試驗接線和操作，

27、且有攜帶方便等優(yōu)點；但它仍然采用傳統(tǒng)的技術和試驗方法，由可控硅直流電源測速器控制電路、門控電路及計時顯示電路和同期燈等幾部分組成，存在自動化程度低、測量誤差大和功能不 強等缺點。隨著微電子技術的發(fā)展及微機技術在國內(nèi)外的廣泛應用，90年代開始出現(xiàn)微機型高壓開關機械特性測試儀。國外在這方面的研究較早，目前已有功能齊全、抗干擾性能高的成熟產(chǎn)品，如美國doble公司開發(fā)研制的tr-3000 型數(shù)字式斷路器試驗系統(tǒng)。國內(nèi)先是出現(xiàn)了以-80 單板機作微處理器的產(chǎn)品，繼而出現(xiàn)了以mcs-51系列單片機作微處理器的產(chǎn)品，現(xiàn)在也有采用mcs-96系列單片機作微處理器。以-80單板機作微處理器的微機系統(tǒng)測速誤差大

28、、導電桿總行程和導電桿超行程測量精度低、達不到對速度、行程、超行程的測量精度，隨著mcs-51系列單片機的出現(xiàn)而逐漸被淘汰。90 年代中出現(xiàn)的以8031 單片機作微處理器，以各種傳感器作為行程傳感器的高壓開關特性測量儀測量精度較以前有較大提高，時間誤差不大于0.1ms，行程誤差不大于1mm，速度誤差不大于0.01m/s，但是接 線和操作仍較復雜 。在使用前檢修試驗人員必須仔細閱讀使用說明，但即使這樣，往往在變電站現(xiàn)場中還是出現(xiàn)因檢修試驗人員接線或使用不當而導致測量出錯或儀器損壞的情況，因此仍需進一步改進。目前，國內(nèi)一些單位和廠家仍在改進該類產(chǎn)品，以期能用于各種斷路器，以及進一步提高測量精度、系

29、統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性等，并進一步改進操作。 上述對高壓斷路器機械性能的檢測，主要是在設備交接及停電期間，結合檢修而進行的定期預防性試驗，根據(jù)檢測結果進行部件更換或者檢修等工作。這種離線檢修方式是按檢修計劃來的，無論設備狀況如何都實施定期檢修，致使有些設備帶病運行卻得不到及時維修，而有些設備使用率較低則得到不必要的維修。因此，為了更好的了解斷路器的工作狀況，對 斷路器的機械特性參數(shù)進行在線監(jiān)測是一種很好的途徑。2.1.2 機械特性參數(shù)的標定 眾所周知，分閘速度的降低將使電弧的燃燒時間增加，從而加速斷路器觸頭的電磨損降低斷路器的使用壽命；分閘速度過高，又會使運動機構承受過大的機械應力和沖擊，從而造成

30、個別部件的損壞或者縮短使用壽命；斷路器分合閘的嚴重不同期將造成線路和變壓器的非全相運行，從而可能出現(xiàn)導致絕緣損壞的危險的操作過電壓、繼電保護誤動作等不利現(xiàn)象。因此，斷路器的機械特性參數(shù)對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行意義重大。斷路器的機械特性包括：合閘時間、分閘時間、觸頭行程、超行程、合閘不同期、分閘不同期、剛合閘速度、剛分閘速度、合閘最大速度、分閘最大速度、合閘平均速度、分閘平均速度等等?，F(xiàn)將某廠生產(chǎn)的 -126 型 高壓斷路器分合閘型式試驗時所記錄的時序圖示于圖2.1、圖2.2，從圖上可以清楚的看到斷路器的各機械特性參數(shù)的定義，為我們求取斷路器的機械特性參數(shù)提供依據(jù)。 各機械特性參數(shù)定義如下：合閘時間：從

31、合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時間間隔。 分閘時間：從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時間間隔【15】 。 觸頭行程：動觸頭的起止位置之差的總位移量。 超行程：從所有極觸頭都接觸開始到合閘穩(wěn)定位置為止的位移量之差。 合閘不同期：從首極合開始到所有極都合為止的時間之差。 分閘不同期：從首極分開始到所有極都分為止的時間之差。剛合閘速度：合閘輔助接點接通后10ms內(nèi)的平均速度。 剛分閘速度：分閘輔助接點接通后10ms內(nèi)的平均速度。 合閘最大速度：合閘全過程中的最大速度。 分閘最大速度：分閘全過程中的最大速度。 合閘平均速度：合閘過程中中間80行程的平均速度。 分閘平均速

32、度：分閘過程中中間80行程的平均速度。 為了斷路器機械特性參數(shù)的求取方便，我們將斷路器合閘、分閘的整個動作過程可以看成是由各個動作過程連接起來組成的順序時間鏈 。各個動作過程又是順序時間鏈的子時間鏈。當對某一臺斷路器的操作過程進行監(jiān)測記錄時，設法捕獲到斷路器各個有關部件的動作時刻在順序時間鏈中所處的相對位置，那么這臺斷路器的各時間參量就一目了然，然后經(jīng)過微處理器計算出各機械特性參量。為方便說明和表示，現(xiàn)將合閘、分閘過程時序示意圖示于圖2.3，圖2.4。然后將各機械特性參數(shù)用圖中的參量點表示出來。16 主觸頭超行程如果不借助振動信號將無法求取。滅弧觸頭超出主觸頭長度即有效滅弧長度雖然可以通過標定

33、主觸頭在行程中的位置，用捕獲11 方法求出，但仍然屬于間接求法，無法直接精確求出。2.1.3 機械特性參數(shù)的采集 斷路器機械特性參數(shù)包括行程、速度和時間三種參量，而行程又為速度和時間的乘積，所以在斷路器的參量求取中，我們至少要知道兩個量才能得出斷路器的機械特性參數(shù)。在本設計中我們結合單片機的特點，選用時間和行程（高壓斷路器主軸連動桿位移量）兩個參量。事實上是單片機的定時器配合斷路器分、合閘過程中的如下輸入信號： （1） 分、合閘命令信號。 （2） 分、合閘電磁鐵線圈回路電流信號。 （3） 高壓斷路器主軸連桿位移量。 （4） 觸頭分、合狀態(tài)信號（由主回路電流間接反映）。 （5） 輔助接點狀態(tài)信號

34、。 根據(jù)以上信號，在線狀態(tài)下求出斷路器分、合閘機械特性參數(shù)。 斷路器的分、合閘過程瞬間即可完成，故此要求系統(tǒng)的實時性極強。以某廠生產(chǎn)的 -126 型高壓斷路器為例：合閘時間小于150ms、分閘時間小于30ms、全開時間小于60ms。所以，為了提高測量精度和測量結果的有效性，在本設計中，狀態(tài)量為中斷方式輸入，沒有延時；位移量脈沖記錄由高速計數(shù)器自動完成；模擬信號的采樣頻率為6000hz，最大延時不超過0.2ms。 a、時間量采集 時間量采集靠單片機的定時器，由分合閘命令信號觸發(fā)分合閘時間記錄序列，記下分合過程中的各個有效參量點，再根據(jù)前節(jié)的特性參數(shù)計算公式，算出各機械參量。b、位移量采集 171

35、9 位移量采集是靠光電式行程傳感器 來實現(xiàn)的。其工作原理如下： 把旋轉光柵安裝在斷路器操動機構的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對運動，經(jīng)光電轉換，將速度、行程信號轉換為電信號。光柵移過一個孔距s，產(chǎn)生一個周期的脈沖信號即為一個周期t(一次光照和一次非光照為一個周期)。由于動觸頭的運動速度是變化的，所以t是不等的。這樣，根據(jù)某一行程處的孔距和對應的脈沖信號周期t，即可求得該行程處的平均速度v，從累計脈沖數(shù)又可求得行程。當斷路器在分合閘過程結束之前由于彈力的作用，動觸頭有彈跳的過程，若不采取措施，必然會將負方向運動的脈沖當作正方向的脈沖進行累加，產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)在一些生產(chǎn)廠家干脆在合閘時只測超程，在

36、分閘時只測開距，以回避彈跳過程。本設計中則是既可根據(jù)預知的斷路器行程長度設定100行程位置捕獲點，又采用兩路相位相差90的光電斷續(xù)器構成光電位移傳感器，根據(jù)兩路輸出信號的超前滯后關系，決定分、合閘的運動方向。旋轉光柵是輸入軸角位移傳感器，圓光柵在光電斷續(xù)器中旋轉，通過光電轉換將軸旋轉角位移轉換成電脈沖信號。當輸入軸轉動時，編碼器輸出a相、b相兩路相位差90度的正交脈沖串，經(jīng)光電隔離和取反后，得到a 、 、b 、 四路方波信號，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路處理后，得到上升沿窄脈沖信號a 、 、b 、對窄脈沖信號進行運算處理，輸出兩路加減計數(shù)脈沖p +和p - ： = + + + (2.1) = + + + (

37、2.2) 公式（2.1）、（2.2）的目的有兩個：1、將計數(shù)分辨率提高四倍；2、實現(xiàn)正、反兩個方向的計數(shù)。 和兩路計數(shù)脈沖經(jīng)兩個計數(shù)器進行計數(shù)。其中中存放正向移動的位移量，中存放反向移動的位移量。所以無論是分閘還是合閘，無論合閘過程中有無彈跳，該位置傳感器都可以準確記量位移值。且任一時刻的計數(shù)速率就是此時的速度。 2.1.4 機械特性參數(shù)的確定 總體方案確定后，要根據(jù)高壓斷路器機械特性參數(shù)定義，確定在本系統(tǒng)中如何根據(jù)現(xiàn)有采集量來求取各種機械特性參數(shù)的問題。需要計算與轉換的有位移量、時間量、速度量，其中首先要確定的是各動作時刻在分、合閘操作時間序列中的位置確定各時間參量，由此配合各序列點位移量確

38、定各位移參量，再由位移量與時間量算出各速度參量。 a、合、分閘時間的確定 首先需確定的時間量為合、分閘時間。合閘時間是從合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時間間隔；分閘時間是從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時間間隔。所以合、分操作起始瞬間的選擇直接影響著高壓斷路器機械參量的數(shù)值。由于起始的依據(jù)是判合、分閘電磁鐵線圈中有電流通過，所以啟動電流的定值（即門坎值）的大小將影響著測量精度，也影響著測量系統(tǒng)穩(wěn)定度。從起動時刻開始計時，到電氣主觸頭移動到換位點的時間，即是合、分閘時間。關于換位點的確定不同文獻有不同的方法。在本設計中合閘換位點取三相有電流時刻，即滅弧觸頭全合時刻

39、，分閘換位點取輔助接點狀態(tài)信號變位時刻。 b、行程、超行程的確定 在各點時間量和相對位移量確定的前提下，行程、超行程以及速度參量依次可求出。具體作法為：從合閘前的穩(wěn)態(tài)位置到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭合閘行程；從分閘前的穩(wěn)態(tài)位置到分閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭分閘行程。且合閘行程和分閘行程是相等的。事實上，當斷路器型號選定后，行程參量也就確定了。故此可以 通過捕獲得到行程全程中任一行程位置點在分、合閘操作中發(fā)生的時刻。超行程有主觸頭超行程和弧觸頭超行程兩種。主觸頭超行程幾乎沒有變化，而滅弧觸頭超行程則隨著開斷次數(shù)增多而減小。所以，只有測量弧觸頭超行程才是有意義的，本文

40、也只計算弧觸頭超行程?；∮|頭超行程起始于三相弧觸頭合而止于操作穩(wěn)態(tài)位置。即三相弧觸頭全接觸開始到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置的位移量之差。這里的主要問題是如何確定超行程的起始點，即如何有效的提取三相觸頭全合信號。本文采取的方法是在合閘過程中，從操作機構運動開始判斷三相電流采樣值大小，如果都曾經(jīng)大于某一門坎值則認為三相全合，所以門坎值的選取尤為重要。太大則造成起始點選取不精確，太小則降低抗干擾能力。 c、同期性的確定 合閘不同期時間指的是從首相合到三相全合之間的時間，可以由首相有合閘電流到三相有合閘電流之間的時間之差確定。關鍵問題是：如何有效的提取首相開始有電流和三相全部有電流信號。另外一個問題是同期時間極

41、短，如何在這么短的時間內(nèi)有效的得到上述數(shù)據(jù)。我們的采樣周期為1/6ms，a/d工作于中斷方式，采樣到首相合信號后就一直等待記錄三相合信號，故可以實現(xiàn)較為準確的測量。以-126 型 高壓斷路器為例，它的合閘同期時間是小于4ms，分閘同期時間小于2ms。這樣長的時間里，必將有幾個采樣點落在該區(qū)間里，故此可以準確測量。由于分閘時的電弧影響，分閘不同期時間很難確定，這里不再討論。 d、速度的確定 剛合、剛分速度可以由輔助接點變位后10ms 內(nèi)的平均速度來反映；平均速度在已知行程長度（例如-126 斷路器的行程為145mm-152mm10，11 情況下，由計數(shù)器的捕獲功能 得到行程的10和90位置，算出

42、該段中間的平均速度即為斷路器的平均速度；然而，最大速度在該電路設計情況下無論如何是無法知道的。但我們可以從分、合閘特性曲線圖2.1和圖2.2可以看出，對-126斷路器來講，中間80斷路器的速度是恒定的，即剛速度、平均速度和最大速度是同一個速度。而我們可以精確測得平均速度，故本在線監(jiān)測裝置只給出平均速度。2.1.5 機械故障診斷 對于電磁鐵操作機構的斷路器，線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵芯行程、鐵芯卡滯、線圈狀態(tài)(如匝間短路)、分合閘線圈的輔助接點狀況與轉換時間。通過對分合操作線圈動作電流的監(jiān)測，運行人員可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及鐵芯的運動有無卡滯等，為檢修提供一個輔助依據(jù)。該診

43、斷過程是由監(jiān)控計算機完成的。在線監(jiān)測設備只是提供 數(shù)據(jù)給監(jiān)控機，由監(jiān)控機上運行的專家系統(tǒng)軟件來完成分析過程。 對于非電磁操作機構，只有靠機械特性參數(shù)來完成診斷工作。分、合閘時間和分、合閘速度參數(shù)的變化反映機械機構的卡澀；行程、超行程間接反映斷路器機械機構工作情況；滅弧觸頭的剩余長度反映電磨損；同期反映滅弧觸頭的平整度及燒損情況。 2.2 觸頭電壽命在線監(jiān)測 在觸頭電壽命監(jiān)測方面，以往對電磨損的監(jiān)測是以記錄累計開斷電流或累計電弧能量()為依據(jù)的。事實上，同一斷路器在同樣的外部條件下先后兩次開斷同樣大小的電流值，其燒損程度也不可能相同，而且，開斷電流相差很大時，斷路器觸頭的燒損機理不同，燒損相差更

44、大。因此，用累計開斷電流來判斷觸頭燒損量是不夠的；另外電磨損雖然取決于電弧能量，但還與觸頭分斷速度等有關，且電磨損與電弧能量沒有比例關系。因此要對斷路器觸頭電磨損、電壽命監(jiān)測作進一步研究，對斷路器觸頭進行電壽命監(jiān)測需要解決電壽命的概念和工程實施方法問題。另外，大量的試驗結果表明，從斷路器累計電磨損的角度考慮，雖然燃弧時間的長短對單次開斷是隨機的，但對多次開斷，其平均燃弧時間則是趨近的(20 次開斷與30次開斷的平均燃弧時間有幾乎相同的標準差)。即隨機因素對燃弧時間分散性的影響從累計的角度來考慮可以忽略不計，也就是說，斷路器的電磨損可以僅用開斷電流作參照量。本文采用觸頭累積磨損量作為判斷電壽命依

45、據(jù)的高壓斷路器觸頭電壽命監(jiān)測和診斷方法?；谠摲椒ㄩ_發(fā)的裝置與傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更能準確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實施。 2.2.1 分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法 由于不同開斷電流時電磨損的差別很大，因此開斷電流值的測量精度直接影響觸頭電壽命預測準確度。在被開斷電流變化范圍寬、短路電流含有直流分量、短路電流大到一定程度時ct會出現(xiàn)不同程度的磁飽和等因素的影響下，恰當?shù)倪x擇算法是很困難的。這些因素都直接影響開斷電流測量的準確性。 在這種情況下，我們選擇了最大斜率算法20，21來計算短路電流值。現(xiàn)在就最大斜率算法的推導過程和在頻率偏移、直流分量等因素影響下的誤差分析作簡介如下： 在電路設計中我們使用的a/d 轉換器是msp430 單片機自帶的，它是單極性a/d，所以在轉換交流信號時，我們將輸入的ct交流電流信號i變成交流電壓信號u后，并將其基線偏置到0.5vref處，這樣處理的結果最大斜率點并沒有發(fā)生變化。a最大斜率算法設處理后的輸入信號為： u = sin（ +）+0.5v （2.3） 則求導后則為： u= cos（ +） （