畢業(yè)樣板論文(《變電站斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》)

畢業(yè)設(shè)計(jì)樣板論文《變電站斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》摘要對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)知性維修的前提，是保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，也是對(duì)傳統(tǒng)離線預(yù)防性試驗(yàn)的重大補(bǔ)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(shí)間上都占據(jù)總量60％以上。因此，及時(shí)了解斷路器的工作狀態(tài)對(duì)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(fèi)。本文論述了斷路器機(jī)械特性參數(shù)的監(jiān)測(cè)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?jǐn)啻螖?shù)，計(jì)算每次分閘對(duì)應(yīng)的觸頭電壽命損耗，預(yù)測(cè)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(jié)合斷路器的熱阻來計(jì)算斷路器主觸頭穩(wěn)態(tài)溫升的方法，并根據(jù)此時(shí)的負(fù)荷電流間接計(jì)算主觸頭回路的電阻；在實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上本文選用了美國TI公司最新推出的一種功能強(qiáng)大的單片機(jī)MSP430。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到由于該單片機(jī)的低供電電壓(1.8?3.6V)給設(shè)計(jì)所帶來的特殊問題，并予以解決。在通訊模塊設(shè)計(jì)中根據(jù)RS-485通信芯片MAX1480B的特殊結(jié)構(gòu)，解決了不同工作電壓芯片RS-485通信芯片MAX1480和單片機(jī)MSP430的接口問題，并給出了MAX1480和MSP430芯片直接聯(lián)接的接線方案。關(guān)鍵詞：斷路器在線監(jiān)測(cè)機(jī)械特性觸頭電壽命觸頭溫度On-lineMonitoringofHVCBAbstractHVCBon-linemonitoringisessentialforpredictingmaintenanceandasasupplementtothetraditionaloff-linepreventivemaintenanceisthekeyfactorofitsreliableoperation.Infact,thefaultsonHVCBaccountforover60percentbothinnumberanddurationofallthefaultsoccurringinasubstation.Therefore,on-linemonitoringofHVCBcouldsignificantlyimprovepowersupplyreliabilityandgreatlyreducetheexpenseforregularoverhaul.Inthisthesis,theinspectingmethodsofHVCBmechanicalcharacteristicsarediscussed.Accordingtheshut-offtimesofHVCBatratedshortcircuitgivenbymanufacturer,thecontactslifelosscanbecalculatedforeachoperation,andtheremaininglifecanbeforecast.Inthisthesis,anindirectmethodisproposedfordeterminingthemaincontacttemperaturebasedonthebreakershelltemperature,aircircumferencetemperatureandbreaker’sheatresistance,andfurthermore,determiningthemaincontactesistanceprovidedtheloadcurrentisknow.Theon-linemonitoringrisimplementedwithMSP430,anewSingleChipMicrocomputerbyTexasInstrument,withitslowersupplyvoltagerangeofthischip(1.8?3.6V)iswelltreated.Inthedesignofcommunicationmodule,interfacingproblemcausedbydifferentvoltagesupplylevels(MAX1480andMSP430)iscarefullysolved,andaconnectionschemeisdevisedinthispaperaswell.TouchKywords:HVCB On-lineMonitoring MechanicalCharacteristicTouchElectricityEnduranceTouchTemperature目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè) 1\o"CurrentDocument"電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展史 1\o"CurrentDocument"電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)展望 2\o"CurrentDocument"在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本要求 2\o"CurrentDocument"高壓斷路器在線監(jiān)測(cè) 2\o"CurrentDocument"高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展史 2\o"CurrentDocument"國內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀 3論文主要工作及取得的成果 3\o"CurrentDocument"第2章在線監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè) 5\o"CurrentDocument"機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的必要性 5\o"CurrentDocument"機(jī)械特性參數(shù)的標(biāo)定 5\o"CurrentDocument"機(jī)械特性參數(shù)的采集 8\o"CurrentDocument"機(jī)械特性參數(shù)的確定 9\o"CurrentDocument"機(jī)械故障診斷 10\o"CurrentDocument"觸頭電壽命在線監(jiān)測(cè) 10\o"CurrentDocument"分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法 11\o"CurrentDocument"滅弧觸頭電壽命預(yù)測(cè)原理 17\o"CurrentDocument"主觸頭導(dǎo)電性能在線監(jiān)測(cè)方法的探討 19\o"CurrentDocument"斷路器的發(fā)熱和散熱 19\o"CurrentDocument"主觸頭溫度和主回路電阻間接算法 22\o"CurrentDocument"第3章硬件設(shè)計(jì) 24\o"CurrentDocument"硬件系統(tǒng)組成概述 24新一代單片機(jī)MSP430簡(jiǎn)介 25\o"CurrentDocument"各功能模塊設(shè)計(jì) 26\o"CurrentDocument"第4章軟件設(shè)計(jì) 32\o"CurrentDocument"硬件級(jí)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì) 32\o"CurrentDocument"WTD定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程 32A/D中斷服務(wù)程序流程 32\o"CurrentDocument"狀態(tài)量輸入中斷服務(wù)程序流程 33TA、TB計(jì)數(shù)器捕獲中斷服務(wù)程序流程 34\o"CurrentDocument"DS1820數(shù)據(jù)采集子程序 35\o"CurrentDocument"功能模塊級(jí)軟件設(shè)計(jì) 35\o"CurrentDocument"合閘記錄子程序 35\o"CurrentDocument"分閘記錄子程序 36\o"CurrentDocument"系統(tǒng)級(jí)軟件設(shè)計(jì) 37\o"CurrentDocument"第5章數(shù)據(jù)通信 39\o"CurrentDocument"RS-485串行通信的特點(diǎn) 39\o"CurrentDocument"MSP430串行通信的特點(diǎn) 39RS-485通信接口芯片MAX1480B 40\o"CurrentDocument"存在的問題及解決方案 40\o"CurrentDocument"存在的問題 40\o"CurrentDocument"問題分析 41\o"CurrentDocument"解決方案 41編程和調(diào)試注意事項(xiàng) 41\o"CurrentDocument"第6章結(jié)論 43\o"CurrentDocument"致謝 44參考文獻(xiàn) 45第1章緒論對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)維修的前提，是保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，也是對(duì)傳統(tǒng)的離線預(yù)防性試驗(yàn)的重大補(bǔ)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(dǎo)致的非計(jì)劃停電和事故，無論是次數(shù)還。[1]是造成的停電時(shí)間，都占據(jù)總量60％以上。高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)為實(shí)現(xiàn)[2~4]]由計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。長(zhǎng)期以來的計(jì)劃?rùn)z修，盲目解體拆卸，浪費(fèi)了大量的人力物力和財(cái)力，同時(shí)也造成了停電損失，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備壽命的降低。目前，電力系統(tǒng)各運(yùn)行單位正致力于高壓斷路器由計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，不再以投入年限和動(dòng)作次數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，而是以設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)為維修依據(jù)。電力設(shè)備的檢修要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，在線監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)將為GIS(GASINSULATEDMETALENCLOSEDSWITHGEAR)“氣體絕緣金屬封閉開關(guān)”的使用提供有力的技術(shù)支持。GIS的廣泛使用又推動(dòng)了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展。另外，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，將推動(dòng)智能化高壓斷路器的進(jìn)程，將來，智能化高壓斷路器將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。綜上所述，該課題的目的和意義在于：為高壓斷路器由計(jì)劃?rùn)z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(shí)間，提高供、電配電可靠性。(2)為GIS的廣泛使用奠定基礎(chǔ)，為智能化高壓斷路器做前導(dǎo)工作。電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展史早在1951年，美國西屋公司的約翰遜(JohnSJohnson)針對(duì)運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)因槽放電[5]導(dǎo)致電機(jī)損壞現(xiàn)象，提出并研究了在電機(jī)運(yùn)行條件下對(duì)槽放電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，無法抑制來自線路的干擾，最后只得將電機(jī)從線路上斷開，即在離線條件下進(jìn)行檢測(cè)，但這種在線監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)，成立了龐大的研究機(jī)構(gòu)，每年召開1－2次學(xué)術(shù)交流會(huì)議。70年代加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國家的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)開始起步，并得到迅速發(fā)展。其中加拿大于1975年研制成功油中氣體分析的在線監(jiān)測(cè)裝置；日本于70年代末研制成功油中氫氣的監(jiān)測(cè)裝置、80年代研制了變壓器局部放電的監(jiān)測(cè)裝置；前蘇聯(lián)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也發(fā)展較快，特別是電容性設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)和局部放電的在線監(jiān)測(cè)方面，有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力。我國在線監(jiān)測(cè)技術(shù)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(cè)裝置。主要有：各省電力部門研制的電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置(主要監(jiān)測(cè)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(shè)備的監(jiān)測(cè)外還研制了各種類型的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校則開始了絕緣診斷技術(shù)的研究。1985年以后，國家先后將一些諸如：“電力設(shè)備運(yùn)行中局部放電數(shù)字化監(jiān)測(cè)裝置和相應(yīng)的微機(jī)系統(tǒng)”、“大型氣輪發(fā)電機(jī)故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”項(xiàng)目列入“七五”和“八五”攻關(guān)項(xiàng)目。隨后，機(jī)械部、電力部也先后將諸如“大電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究”、“在線局部放電抗干擾”列入重大科技項(xiàng)目，標(biāo)志著我國的電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入全速發(fā)展階段?？傊?，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理、人工智能和測(cè)試技術(shù)的日趨完善，在短短的幾十年時(shí)間里在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛使用。電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)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(cè)系統(tǒng)的功能比較單一，例如：僅對(duì)一種設(shè)備或多種設(shè)備的同類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；沒有很好的將診斷技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合起來；分析診斷也僅限于超標(biāo)報(bào)警，具體詳細(xì)的分析診斷基本上由試驗(yàn)人員完成。故此今后在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是：（1）多功能多參數(shù)的綜合監(jiān)測(cè)和診斷，即同時(shí)可進(jìn)行多個(gè)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。（2）對(duì)變電站的整個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)和診斷經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展人工智能技術(shù)，建立人工神經(jīng)網(wǎng)和專家系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)診斷自動(dòng)化。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本要求隨著在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求也越來越規(guī)范。一般情況下，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求如下：（1）系統(tǒng)的投入和使用不應(yīng)改變和影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。（2）系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)地連續(xù)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。（3）系統(tǒng)應(yīng)具有自檢和報(bào)警功能。（4）系統(tǒng)應(yīng)具有較好地抗干擾能力和合理的監(jiān)測(cè)靈敏度。（5）監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)具有較好的可靠性和重復(fù)性以及合理的準(zhǔn)確度。（6）系統(tǒng)應(yīng)具有在線標(biāo)定其監(jiān)測(cè)靈敏度的功能。（7）系統(tǒng)應(yīng)具有故障診斷能力。高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展史和變壓器、發(fā)電機(jī)、電容性設(shè)備相比，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚。從某種意義上講“GIS技術(shù)”和“狀態(tài)維修”概念促進(jìn)了高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中由于高壓斷路器的造價(jià)和變壓器、發(fā)電機(jī)等電力元件相比較為便宜，且其故障時(shí)所造成的危害不如電容性設(shè)備嚴(yán)重，因此雖然在變電和配電系統(tǒng)中，它所造成的非計(jì)劃停電和事故無論從時(shí)間和數(shù)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)技術(shù)才逐漸發(fā)展起來。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)在的電力系統(tǒng)事故已經(jīng)不再單純的以其對(duì)電力系統(tǒng)的危害來衡量它造成的經(jīng)濟(jì)損失。如果按我國權(quán)威部門指出的非計(jì)劃停電所造成的直接損失、間接損失、社會(huì)損失的比例為1：4：6來估計(jì)損失的話，設(shè)備費(fèi)用反而只占很小一部分。從這種意義上講，加強(qiáng)對(duì)諸如高壓斷路器等高事故電力元件的在線監(jiān)測(cè)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(duì)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(chǎng)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，國家依然推行的是計(jì)劃性預(yù)防檢修。由于檢修技術(shù)水平和現(xiàn)產(chǎn)場(chǎng)條件等原因，解體拆裝有時(shí)甚至對(duì)正常高壓斷路器造成損害，同時(shí)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(jì)劃性維修。狀態(tài)維修克服了計(jì)劃?rùn)z修的盲目性，同時(shí)也最大化的節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。狀態(tài)維修的前提是對(duì)高壓斷路器的狀態(tài)預(yù)知，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)為狀態(tài)檢修提供狀態(tài)預(yù)知的技術(shù)支持，狀態(tài)檢修的廣泛使用也推動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。GIS技術(shù)是本世紀(jì)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(hù)工作量少、故障率低、不受環(huán)境條件影響以及運(yùn)行性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到國內(nèi)外電力部門的公認(rèn)，目前已成為高壓配電裝置的一個(gè)發(fā)展方向（我國第一套110KV的GIS于1971年研制成功，1973年投入運(yùn)行）。GIS技術(shù)的使用，使得其核心電力元件一一高壓斷路器的檢修更加困難，所以必須對(duì)其中的高壓斷路器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)才能做到“應(yīng)修必修”和維修量最小、維修費(fèi)用最低。GIS技術(shù)的廣泛使用成了高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的另一股推動(dòng)力。90年代美國、日本開始研究斷路器的在線監(jiān)測(cè)，美國學(xué)者率先給出斷路器壽命和開斷電流的關(guān)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(shí)的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進(jìn)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(cè)裝置，不過都存在著只能對(duì)其中的一個(gè)或幾個(gè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的問題，檢測(cè)結(jié)果的適用性和部分項(xiàng)目的檢測(cè)手段仍然很不理想。1992年吉林電業(yè)局曾立項(xiàng)“斷路器機(jī)械性的監(jiān)測(cè)”和“GIS局部放電特高頻在線監(jiān)測(cè)”，1995年清華大學(xué)高壓教研室研制了CBA-1高壓斷路器參數(shù)測(cè)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)合、分閘電流、行程曲線及振動(dòng)信號(hào)。綜上所述，斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展起步較晚，“GIS技術(shù)”和“狀態(tài)維修”概念促進(jìn)了高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。短短的十幾年時(shí)間里斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)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(cè)技術(shù)現(xiàn)狀目前，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，一些新理論、新技術(shù)、新檢測(cè)手段正在被開發(fā)、運(yùn)用。國內(nèi)外在斷路器在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目方面正在做或已經(jīng)做的工作主要有以下幾個(gè)方面：記錄分合閘操作的行程、時(shí)間特性曲線，提取機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并借之判斷機(jī)械故障。高壓斷路器的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)包含豐富的信息，受到國內(nèi)外普遍重視。合、分閘線圈回路線路完整性監(jiān)測(cè)。測(cè)量靜態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻以檢測(cè)觸頭的燒損情況。SF6壓力檢測(cè)。絕緣監(jiān)測(cè)。人工智能和計(jì)算機(jī)結(jié)合的專家系統(tǒng)。顯然，檢測(cè)手段一直是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心工作，目前、國內(nèi)外都在致力于檢測(cè)手段的開發(fā)和研究。以局部放電為例：國外最新技術(shù)IMS（IONMOBILITYSPECTROMETER）“離子遷移頻譜儀”，［6?9］已經(jīng)在巴西投入試運(yùn)行，它能對(duì)局部放電進(jìn)行較為精確的檢測(cè)。相同領(lǐng)域，國內(nèi)正在發(fā)展一種超高頻法，旨在對(duì)局部放電進(jìn)行定位和監(jiān)測(cè)，目前尚未投入實(shí)際使用。其它檢測(cè)項(xiàng)目方面的情況類似。另外，在參量檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及診斷結(jié)果的有效性等方面還有待于進(jìn)一步提高，部分項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)仍無法實(shí)現(xiàn)或無使用前景。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：通過對(duì)機(jī)械特性參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)來判斷斷路器的工作狀態(tài)。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(jì)算每次分閘對(duì)應(yīng)的觸頭電壽命損耗，并用此法來預(yù)測(cè)觸頭電壽命。用斷路器殼體溫度、環(huán)境溫度和負(fù)荷電流來間接反映主觸頭溫度和主觸頭的導(dǎo)電狀況的方法，并給出了諸參量之間的關(guān)系表達(dá)式，給出主觸頭回路電阻的計(jì)算公式。線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，我們選用了美國TI公司最新推出的一種功能強(qiáng)大的單片機(jī)MSP430［10，11］。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到由于該單片機(jī)的低供電電壓（1.8--3.6V）給設(shè)計(jì)帶來的特殊問題。以該單片機(jī)為核心，構(gòu)造硬件電路對(duì)斷路器的各參量進(jìn)行采集、處理和運(yùn)算實(shí)現(xiàn)上述各功能，并用匯編語言實(shí)現(xiàn)之。（5）在通訊模塊設(shè)計(jì)中根據(jù)RS-485通信芯片MAX1480B［12，13］的特殊結(jié)構(gòu)，解決了不同工作電壓的芯片MAX1480和MSP430的接口問題，并給出了MAX1480和MSP430直接聯(lián)接的接線方案。第2章 在線監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)高壓斷路器依靠其機(jī)械部件的正確動(dòng)作來完成其職能，因而每個(gè)組成部件的機(jī)械牢固性極為重要。國際大電網(wǎng)會(huì)議對(duì)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(xué)院對(duì)高壓開關(guān)事故的統(tǒng)計(jì)分析均表明，高壓斷路器故障80%是機(jī)械的原因［14］。且大多數(shù)故障是操作機(jī)構(gòu)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(shè)備的安全運(yùn)行越來越重要。因此，對(duì)高壓斷路器實(shí)施狀態(tài)診斷或?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解其運(yùn)行狀況，掌握其運(yùn)行特性及變化趨勢(shì)，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性極為重要。機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行，按規(guī)程要求必須進(jìn)行機(jī)械參數(shù)測(cè)試。其參數(shù)包括：分、合閘時(shí)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(cè)試方法中，檢修試驗(yàn)人員使用電秒表、同步燈、光線示波器、電磁振蕩器和轉(zhuǎn)鼓測(cè)速儀等進(jìn)行測(cè)試。這些設(shè)備運(yùn)輸困難，而且這些方法不但占用現(xiàn)場(chǎng)面積大，測(cè)試時(shí)接線復(fù)雜，讀取記錄的數(shù)據(jù)要進(jìn)行人工處理和計(jì)算，而且測(cè)量的誤差大，檢修工作的時(shí)間長(zhǎng)。80年代末90年代初，通過模擬數(shù)字電路技術(shù)的運(yùn)用，先后研制投產(chǎn)了集箱式斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀。這類儀器綜合了上述部分儀表的測(cè)量功能，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)接線和操作，且有攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)；但它仍然采用傳統(tǒng)的技術(shù)和試驗(yàn)方法，由可控硅直流電源測(cè)速器控制電路、門控電路及計(jì)時(shí)顯示電路和同期燈等幾部分組成，存在自動(dòng)化程度低、測(cè)量誤差大和功能不強(qiáng)等缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展及微機(jī)技術(shù)在國內(nèi)外的廣泛使用，90年代開始出現(xiàn)微機(jī)型高壓開關(guān)機(jī)械特性測(cè)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(yàn)系統(tǒng)。國內(nèi)先是出現(xiàn)了以2-80單板機(jī)作微處理器的產(chǎn)品，繼而出現(xiàn)了以MCS-51系列單片機(jī)作微處理器的產(chǎn)品，現(xiàn)在也有采用MCS-96系列單片機(jī)作微處理器。以Z-80單板機(jī)作微處理器的微機(jī)系統(tǒng)測(cè)速誤差大、導(dǎo)電桿總行程和導(dǎo)電桿超行程測(cè)量精度低、達(dá)不到對(duì)速度、行程、超行程的測(cè)量精度，隨著MCS-51系列單片機(jī)的出現(xiàn)而逐漸被淘汰。90年代中出現(xiàn)的以8031單片機(jī)作微處理器，以各種傳感器作為行程傳感器的高壓開關(guān)特性測(cè)量?jī)x測(cè)量精度較以前有較大提高，時(shí)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(fù)雜。在使用前檢修試驗(yàn)人員必須仔細(xì)閱讀使用說明，但即使這樣，往往在變電站現(xiàn)場(chǎng)中還是出現(xiàn)因檢修試驗(yàn)人員接線或使用不當(dāng)而導(dǎo)致測(cè)量出錯(cuò)或儀器損壞的情況，因此仍需進(jìn)一步改進(jìn)。目前，國內(nèi)一些單位和廠家仍在改進(jìn)該類產(chǎn)品，以期能用于各種斷路器，以及進(jìn)一步提高測(cè)量精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性等，并進(jìn)一步改進(jìn)操作。上述對(duì)高壓斷路器機(jī)械性能的檢測(cè)，主要是在設(shè)備交接及停電期間，結(jié)合檢修而進(jìn)行的定期預(yù)防性試驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)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(jì)劃來的，無論設(shè)備狀況如何都實(shí)施定期檢修，致使有些設(shè)備帶病運(yùn)行卻得不到及時(shí)維修，而有些設(shè)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(duì)斷路器的機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是一種很好的途徑。機(jī)械特性參數(shù)的標(biāo)定眾所周知，分閘速度的降低將使電弧的燃燒時(shí)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(huì)使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的機(jī)械應(yīng)力和沖擊，從而造成個(gè)別部件的損壞或者縮短使用壽命；斷路器分合閘的嚴(yán)重不同期將造成線路和變壓器的非全相運(yùn)行，從而可能出現(xiàn)導(dǎo)致絕緣損壞的危險(xiǎn)的操作過電壓、繼電保護(hù)誤動(dòng)作等不利現(xiàn)象。因此，斷路器的機(jī)械特性參數(shù)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。斷路器的機(jī)械特性包括：合閘時(shí)間、分閘時(shí)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LW25-126型SF高壓斷路器分合閘型式試驗(yàn)時(shí)所記錄的時(shí)序圖示于圖2.1、圖2.2,從圖上可以6清楚的看到斷路器的各機(jī)械特性參數(shù)的定義，為我們求取斷路器的機(jī)械特性參數(shù)提供依據(jù)。各機(jī)械特性參數(shù)定義如下：合閘時(shí)間：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(shí)間間隔。分閘時(shí)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(shí)間間隔【15】。觸頭行程：動(dòng)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(shí)間之差。分閘不同期：從首極分開始到所有極都分為止的時(shí)間之差。剛合閘速度：合閘輔助接點(diǎn)接通后10ms內(nèi)的平均速度。剛分閘速度：分閘輔助接點(diǎn)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。分閘平均速度：分閘過程中中間80％行程的平均速度。平均臺(tái)閘含閘時(shí)間平均臺(tái)閘含閘時(shí)間接觸行程為圖2.1合閘特性圖平均分閘速度j同默-行程5=150Vo=S/ro'=15[VTo圖2.2分閘特性圖為了斷路器機(jī)械特性參數(shù)的求取方便，我們將斷路器合閘、分閘的整個(gè)動(dòng)作過程可以看成是由各個(gè)動(dòng)作過程連接起來組成的順序時(shí)間鏈。各個(gè)動(dòng)作過程又是順序時(shí)間鏈的子時(shí)間鏈。當(dāng)對(duì)某一臺(tái)斷路器的操作過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄時(shí)，設(shè)法捕獲到斷路器各個(gè)有關(guān)部件的動(dòng)作時(shí)刻在順序時(shí)間鏈中所處的相對(duì)位置，那么這臺(tái)斷路器的各時(shí)間參量就一目了然，然后經(jīng)過微處理器計(jì)算出各機(jī)械特性參量。為方便說明和表示，現(xiàn)將合閘、分閘過程時(shí)序示意圖示于圖2.3，圖2.4。然后將各機(jī)械特性參數(shù)用圖中的參量點(diǎn)表示出來。[16]TOC\o"1-5"\h\z分 主 滅 滅閘 觸 主 弧 弧 分 分線 頭 觸 觸 觸 同 閘分 圈 開 頭 頭 頭 滅 開 彈 過間 有 始 三 首 三 弧 始 跳 程信 電 分 相 相 相 過 彈 過 結(jié)號(hào)流離分分分程跳程束圖2.4分閘時(shí)序圖

在如下的表述中，設(shè)合閘速度為乙療）、分閘速度為尸f（『儲(chǔ)則:合閘時(shí)間： 值=%-"分閘時(shí)間： T:j=Tfl-TFa合閘不同期： %=丁皿一小4J動(dòng)社頭總行程： 4=//什踮=］乙{『她弧觸頭超行程： 口反=］心⑴法剛合閘速度： %=%（%）國盼閘速度： 嗑=yF{TF￡）合閘最大速度， /回=VHmax主觸頭超行程如果不借助振動(dòng)信號(hào)將無法求取。滅弧觸頭超出主觸頭長(zhǎng)度即有效滅弧長(zhǎng)度雖然可以通過標(biāo)定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。機(jī)械特性參數(shù)的采集斷路器機(jī)械特性參數(shù)包括行程、速度和時(shí)間三種參量，而行程又為速度和時(shí)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(gè)量才能得出斷路器的機(jī)械特性參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中我們結(jié)合單片機(jī)的特點(diǎn)，選用時(shí)間和行程（高壓斷路器主軸連動(dòng)桿位移量）兩個(gè)參量。事實(shí)上是單片機(jī)的定時(shí)器配合斷路器分、合閘過程中的如下輸入信號(hào)：分、合閘命令信號(hào)。分、合閘電磁鐵線圈回路電流信號(hào)。高壓斷路器主軸連桿位移量。觸頭分、合狀態(tài)信號(hào)（由主回路電流間接反映）。輔助接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)。根據(jù)以上信號(hào)，在線狀態(tài)下求出斷路器分、合閘機(jī)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(shí)時(shí)性極強(qiáng)。以某廠生產(chǎn)的LW25-126型SF高壓斷路器為例：合閘時(shí)間小于150ms、分閘時(shí)間小于30ms、全開時(shí)間小于660ms。所以，為了提高測(cè)量精度和測(cè)量結(jié)果的有效性，在本設(shè)計(jì)中，狀態(tài)量為中斷方式輸入，沒有延時(shí)；位移量脈沖記錄由高速計(jì)數(shù)器自動(dòng)完成；模擬信號(hào)的采樣頻率為6000Hz，最大延時(shí)不超過0.2ms。a、時(shí)間量采集時(shí)間量采集靠單片機(jī)的定時(shí)器，由分合閘命令信號(hào)觸發(fā)分合閘時(shí)間記錄序列，記下分合過程中的各個(gè)有效參量點(diǎn)，再根據(jù)前節(jié)的特性參數(shù)計(jì)算公式，算出各機(jī)械參量。b、位移量采集［17?19］位移量采集是靠光電式行程傳感器來實(shí)現(xiàn)的。其工作原理如下：把旋轉(zhuǎn)光柵安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度、行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光柵移過一個(gè)孔距△$，產(chǎn)生一個(gè)周期的脈沖信號(hào)即為一個(gè)周期T（一次光照和一次非光照為一個(gè)周期）。由于動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)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△5和對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)周期T,即可求得該行程處的平均速度V,從累計(jì)脈沖數(shù)又可求得行程。當(dāng)斷路器在分合閘過程結(jié)束之前由于彈力的作用，動(dòng)觸頭有彈跳的過程，若不采取措施，必然會(huì)將負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)作正方向的脈沖進(jìn)行累加,產(chǎn)生誤差。現(xiàn)在一些生產(chǎn)廠家干脆在合閘時(shí)只測(cè)超程,在分閘時(shí)只測(cè)開距,以回避彈跳過程。本設(shè)計(jì)中則是既可根據(jù)預(yù)知的斷路器行程長(zhǎng)度設(shè)定100％行程位置捕獲點(diǎn),又采用兩路相位相差90°的光電斷續(xù)器構(gòu)成光電位移傳感器,根據(jù)兩路輸出信號(hào)的超前滯后關(guān)系,決定分、合閘的運(yùn)動(dòng)方向。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn),通過光電轉(zhuǎn)換將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),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、A、B、B四路方波信號(hào)，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路處理后，得到上升沿窄脈沖信號(hào)A、A、B、B對(duì)窄脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出兩路加減計(jì)數(shù)脈沖P+和P-：(2.1)P+=AB+HB+B'A+BA(2.1)P-=AfB+A^B+B'A+BA （2.2）公式（2.1）、（2.2）的目的有兩個(gè)：1、將計(jì)數(shù)分辨率提高四倍；2、實(shí)現(xiàn)正、反兩個(gè)方向的計(jì)數(shù)。P+和P-兩路計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器T、T進(jìn)行計(jì)數(shù)。其中T中存放正向移AB A動(dòng)的位移量，T中存放反向移動(dòng)的位移量。所以無論是分閘還是合閘，無論合閘過程中有B無彈跳,該位置傳感器都可以準(zhǔn)確記量位移值。且任一時(shí)刻的計(jì)數(shù)速率就是此時(shí)的速度。機(jī)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(jī)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(jī)械特性參數(shù)的問題。需要計(jì)算和轉(zhuǎn)換的有位移量、時(shí)間量、速度量,其中首先要確定的是各動(dòng)作時(shí)刻在分、合閘操作時(shí)間序列中的位置確定各時(shí)間參量,由此配合各序列點(diǎn)位移量確定各位移參量,再由位移量和時(shí)間量算出各速度參量。a、合、分閘時(shí)間的確定首先需確定的時(shí)間量為合、分閘時(shí)間。合閘時(shí)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(shí)間間隔；分閘時(shí)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(shí)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(jī)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(dòng)電流的定值（即門坎值）的大小將影響著測(cè)量精度,也影響著測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定度。從起動(dòng)時(shí)刻開始計(jì)時(shí),到電氣主觸頭移動(dòng)到換位點(diǎn)的時(shí)間,即是合、分閘時(shí)間。關(guān)于換位點(diǎn)的確定不同文獻(xiàn)有不同的方法。在本設(shè)計(jì)中合閘換位點(diǎn)取三相有電流時(shí)刻,即滅弧觸頭全合時(shí)刻,分閘換位點(diǎn)取輔助接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)變位時(shí)刻。b、行程、超行程的確定在各點(diǎn)時(shí)間量和相對(duì)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(shí)上,當(dāng)斷路器型號(hào)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(diǎn)在分、合閘操作中發(fā)生的時(shí)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(cè)量弧觸頭超行程才是有意義的，本文也只計(jì)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(diǎn)，即如何有效的提取三相觸頭全合信號(hào)。本文采取的方法是在合閘過程中，從操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(rèn)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(diǎn)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(shí)間指的是從首相合到三相全合之間的時(shí)間，可以由首相有合閘電流到三相有合閘電流之間的時(shí)間之差確定。關(guān)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(hào)。另外一個(gè)問題是同期時(shí)間極短，如何在這么短的時(shí)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(hào)后就一直等待記錄三相合信號(hào)，故可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)量。以LW-126型SF高壓斷路器為例，它的合閘同25 6期時(shí)間是小于4ms，分閘同期時(shí)間小于2ms。這樣長(zhǎng)的時(shí)間里，必將有幾個(gè)采樣點(diǎn)落在該區(qū)間里，故此可以準(zhǔn)確測(cè)量。由于分閘時(shí)的電弧影響，分閘不同期時(shí)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(diǎn)變位后10ms內(nèi)的平均速度來反映；平均速度在已知行程長(zhǎng)度(例如LW-126斷路器的行程為145mm-152mm[10，11] 情況下，由計(jì)數(shù)器T、25 AT的捕獲功能得到行程的10％和90％位置，算出該段中間的平均速度即為斷路器的平均B速度；然而，最大速度在該電路設(shè)計(jì)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(duì)LW25-126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(gè)速度。而我們可以精確測(cè)得平均速度，故本在線監(jiān)測(cè)裝置只給出平均速度。機(jī)械故障診斷對(duì)于電磁鐵操作機(jī)構(gòu)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(diǎn)狀況和轉(zhuǎn)換時(shí)間。通過對(duì)分合操作線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，運(yùn)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(yùn)動(dòng)有無卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助依據(jù)。該診斷過程是由監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成的。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備只是提供數(shù)據(jù)給監(jiān)控機(jī)，由監(jiān)控機(jī)上運(yùn)行的專家系統(tǒng)軟件來完成分析過程。對(duì)于非電磁操作機(jī)構(gòu)，只有靠機(jī)械特性參數(shù)來完成診斷工作。分、合閘時(shí)間和分、合閘速度參數(shù)的變化反映機(jī)械機(jī)構(gòu)的卡澀；行程、超行程間接反映斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)工作情況；滅弧觸頭的剩余長(zhǎng)度反映電磨損；同期反映滅弧觸頭的平整度及燒損情況。觸頭電壽命在線監(jiān)測(cè)在觸頭電壽命監(jiān)測(cè)方面，以往對(duì)電磨損的監(jiān)測(cè)是以記錄累計(jì)開斷電流(I)或累計(jì)電弧能量(I21)為依據(jù)的。事實(shí)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(shí)，斷路器觸頭的燒損機(jī)理不同，燒損相差更大。因此，用累計(jì)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，但還和觸頭分?jǐn)嗨俣鹊扔嘘P(guān)，且電磨損和電弧能量沒有比例關(guān)系。因此要對(duì)斷路器觸頭電磨損、電壽命監(jiān)測(cè)作進(jìn)一步研究，對(duì)斷路器觸頭進(jìn)行電壽命監(jiān)測(cè)需要解決電壽命的概念和工程實(shí)施方法問題。另外，大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，從斷路器累計(jì)電磨損的角度考慮，

雖然燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)單次開斷是隨機(jī)的，但對(duì)多次開斷，其平均燃弧時(shí)間則是趨近的(20次開斷和30次開斷的平均燃弧時(shí)間有幾乎相同的標(biāo)準(zhǔn)差)。即隨機(jī)因素對(duì)燃弧時(shí)間分散性的影響從累計(jì)的角度來考慮可以忽略不計(jì)，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據(jù)的高壓斷路器觸頭電壽命監(jiān)測(cè)和診斷方法?；谠摲椒ㄩ_發(fā)的裝置和傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更能準(zhǔn)確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實(shí)施。分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法由于不同開斷電流時(shí)電磨損的差別很大，因此開斷電流值的測(cè)量精度直接影響觸頭電壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)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(shí)CT會(huì)出現(xiàn)不同程度的磁飽和等因素的影響下，恰當(dāng)?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(cè)量的準(zhǔn)確性。在這種情況下，我們選擇了最大斜率算法［20，21］來計(jì)算短路電流值?，F(xiàn)在就最大斜率算法的推導(dǎo)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(jiǎn)介如下：在電路設(shè)計(jì)中我們使用的A/D轉(zhuǎn)換器是MSP430單片機(jī)自帶的，它是單極性A/D,所以在轉(zhuǎn)換交流信號(hào)時(shí)，我們將輸入的CT交流電流信號(hào)i變成交流電壓信號(hào)u后，并將其基線偏置到0.5Vref處，這樣處理的結(jié)果最大斜率點(diǎn)并沒有發(fā)生變化。a最大斜率算法設(shè)處理后的輸入信號(hào)為：u=21Usin(3t+a)+0.5V (2.3)則求導(dǎo)后則為：u'=<23Ucos(3t+a) (2.4)由求導(dǎo)結(jié)果可以看出，在電路設(shè)計(jì)上將其基線偏置到0.5V處的做法將不影響該算法，無需在采樣后再做處理。由上式可知，在3t+a=2k兀時(shí)為斜率最大點(diǎn)，此時(shí)有：u-=<23Umax所以有正弦波有效值計(jì)算公式：U'U=-max-■<123_max\23AT因?yàn)樯鲜揭蟮臈l件是3t+a=2k兀，而離散采樣能夠正好采樣到3t+_max\23AT設(shè)相鄰兩采樣點(diǎn)的表達(dá)式為：u=\,2Usin(3t+a)+0,5Vk refU+1=\"Usin(3t+3AT+a…0.5Ve兩點(diǎn)的差分方程為：2k兀的幾率u—u <12U[sin(31+3AT+a)—sin(31+a)

2k兀的幾率uAT...uAT.<2Ucos(ut+5+ )sin( )2 2AT現(xiàn)取差分最大值直接等于u'=22UU來分析誤差產(chǎn)生的原因:maxu一u—k+1 kAT2UU|sin(wtu一u—k+1 kAT2UU|sin(wt+3AT+5)-sin(31+5)maxmaxc07/,cuAT、 ./3AT、2J2Ucos(ut+5+ )sin( )2 2 max max=、；2oU由上式可得:UAT、cos(ut+5+2)maxuAT

.fuAT

sin(-^)所以只有當(dāng)（2.11）式恒成立時(shí)，用（2.6）計(jì)算交流信號(hào)有效值才是沒有誤差的。當(dāng)取每周12點(diǎn)時(shí)，式（2.11）的右式：(2.12)u(2.12)ut、t.0115sin-(3-)而(2.D式的左式在2k兀一3ATV3t+5<2k兀和2(k+1)兀一3ATV31+d<2(k+1)兀內(nèi)部都有且只有一個(gè)點(diǎn)，且在該區(qū)段取得最大值。即:取每周12點(diǎn)時(shí)，則有:uATcos 2取每周12點(diǎn)時(shí)，則有:uATcos 2<C0S(31+5+0.996<cos(31+5+uATmaxuAT2max從以上分析可以看出，在每周12點(diǎn)時(shí)，（2.11）式的左式恒不大于1，而其右式恒大于1，（2.11）式的左式和右式不相等是產(chǎn)生誤差的原因。鑒于以上分析，引入補(bǔ)償系數(shù)K來減小誤差，則有:Kcos(uKcos(ut+5+uAT)21uAT=T>AT-t.0115maxsin( - )（2.15）當(dāng)取K=1.029時(shí)，0.994<Kcos(31當(dāng)取K=1.029時(shí)，0.994<Kcos(31+5+3AT<1.029(2.16)maxr— / .uAT、此時(shí)有：一0.0175<Kcos(ut+5+---)maxuAT 」[UAT；<0.0175sin(—（2.17）這樣誤差被控制在2%以內(nèi)。所以得出在每周12點(diǎn)時(shí)，有效值計(jì)算公式：u' u-u（2.18）U=1.029-ma^=1.029Ik一k+lLx=1.39u—u（2.18）23 23AT k k+1max該算法的誤差仿真［22該算法的誤差仿真［22?24］結(jié)果如下圖:圖2.5算法誤差仿真結(jié)果■I**II■■■rtad.■a e _■h,i.■ !!■n? ■MMinrl■口、■■ ■r- ■■ ■“a■由仿真結(jié)果可以看出，引入補(bǔ)償K后誤差被控制在2%以內(nèi)。b、直流分量對(duì)算法的影響兀、Ti=Isin(31一一)+兀、Ti=Isin(31一一)+1

pm 2TOC\o"1-5"\h\z一 兀(2.19)e0.05=I sin(3t—一)+1e-201(2.19)\o"CurrentDocument"pm pm 2pm其中I為短路電流穩(wěn)態(tài)幅值。pm將上式求導(dǎo)得：, 兀i=Icos(31--)-201e-201 (2.20)\o"CurrentDocument"pm 2 pm取I=1,3=100兀，te(0,0.16s)則上兩式的仿真結(jié)果如下：pm從仿真結(jié)果可以看出，短路電流直流分量的影響較小。短路電流導(dǎo)數(shù)極值在穩(wěn)態(tài)時(shí)為314即100n；短路波形斜率最大值偏離100n最遠(yuǎn)的點(diǎn)是在短路發(fā)生后0.015s,此時(shí)的斜率為:?!imax——?!imax——I3—201e-0.3（2.21）pmpm此時(shí)衰減直流分量帶來的最大誤差為：5max20e-5max20e-0.3314.8100兀—4.71%（2.22）而且，一般的開斷操作都發(fā)生在短路后至少60ms以上，我們可以計(jì)算在短路發(fā)生3周期后的t=0.075s時(shí)刻：i'―-13-201e-0.3 （2.23）maxpm pm此時(shí)誤差為：20e-1.520e-1.55― 34.46100兀―1.42%（2.24）從以上推導(dǎo)和仿真結(jié)果都可以看出,短路時(shí)的衰減直流分量對(duì)最大斜率算法的精度影響極小。c、頻率變化對(duì)最大斜率算法的影響:

眾所周知，電源的頻率是電網(wǎng)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，我國規(guī)定電網(wǎng)的頻率變化范圍不得超過50土(0.2?0.5)Hz,現(xiàn)分析在此基礎(chǔ)上的頻率變化對(duì)算法的影響。對(duì)前節(jié)得出的最大斜率算法公式(2.18)進(jìn)行定性分析如下：當(dāng)3增加時(shí)，兩采樣點(diǎn)間時(shí)間間隔AT不變，3AT增大，故該式的分母增加。同時(shí)，3增加，采樣點(diǎn)間距加大，所以該式的分子U-u|也k k+1max增加。故由以上簡(jiǎn)單分析可以知道，頻率變化對(duì)最大斜率算法將影響不大。定量分析如下：u， u-uIU:1.029-ma^:1.029kLk+1max<2w v,23AT=1.029八 / =1.029八 / 3AT、 ./3AT、2Ucos(3t+a+ )sin( )x 2 2 max 3AT(2.25)3AT一八“/ 3AT、 / (2)、=[1.029Ucos(31+a+ ) ]x( 2——)x 2 3ATmax上式中設(shè)U為正弦波有效值;x式(2.25)將最大斜率算法拆分兩部分，現(xiàn)在分別討論頻率變化對(duì)它們的影響。(1)頻率變化對(duì)算法的2sin(3A(1)頻率變化對(duì)算法的2sin(3AT

"T"3AT環(huán)節(jié)的影響：3A3AT2sin(——)令K(w)= 2—3ATAT=3s,we(99兀,101兀)。仿真結(jié)果如下:角頻率圖2.8頻率變化對(duì)算法的影響之一由仿真結(jié)果可知，在允許的頻率波動(dòng)下，頻率變化對(duì)算法的2sin(3AT

"T"由仿真結(jié)果可知，在允許的頻率波動(dòng)下，頻率變化對(duì)算法的2sin(3AT

"T"3AT環(huán)節(jié)沒有影響。(2)頻率變化對(duì)算法的1.029。cos(31(2)頻率變化對(duì)算法的1.029。cos(31+a+2max前面分析已知3t前面分析已知3t+a在兩個(gè)能夠使"t+a+31T)max取得最大值的區(qū)間2k兀-3AT<3t+a<2k兀和2(k+1)兀-wAT<31+a<(2k+1)兀內(nèi)部都有且只有一個(gè)點(diǎn)，且兩個(gè)區(qū)間等價(jià)?，F(xiàn)在僅對(duì)其中一個(gè)區(qū)間進(jìn)行仿真，另外一個(gè)區(qū)間和之相同。取，2k兀-wAT<wt+a<2k兀3AT3AT則有：2k兀---—3AT 3AT<wt+a+ <2k兀+ 2 2(2.26)wAT wAT—時(shí)的仿真結(jié)果，其他情況的誤差比該本文僅給出最大誤差點(diǎn)wt+a+—=2k兀土情況下小?！獣r(shí)的仿真結(jié)果，其他情況的誤差比該 ， wAT、 <八" ，wAT、M(w)=1.029。cos(wt+a+ ) =1.029。cos( )x 2 x2max上式中令A(yù)T=5ms,U=1，we(99兀,101兀)，仿真結(jié)果如下:3x從仿真結(jié)果可以看出，算法的誤差隨著頻率正向偏移而增加，隨著頻率反向偏移而減小，但是偏移誤差都小于千分之一，可以不予考慮。結(jié)論：從以上分析可以看出最大斜率算法解決了短路時(shí)CT飽和情況下短路電流有效值的測(cè)量問題，并且有相當(dāng)?shù)木?。關(guān)于它的抗干擾能力較差的問題，也給予了處理，本文略。2.2.2滅弧觸頭電壽命預(yù)測(cè)原理本文采用累積觸頭電磨損量作為預(yù)測(cè)斷路器電壽命的依據(jù)，并以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器觸頭電壽命監(jiān)測(cè)和診斷。基于累計(jì)電磨損量的方法開發(fā)的裝置和傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更準(zhǔn)確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實(shí)施。a觸頭相對(duì)電磨損［26］和相對(duì)電壽命觸頭的磨損系指多次開斷閉合后，觸頭接觸表面逐漸損壞(變形、燒毛、材料脫落等)的現(xiàn)象。觸頭的磨損主要是電磨損，其磨損方式主要表現(xiàn)為觸頭的凈損失、觸頭材料的金屬轉(zhuǎn)移和化學(xué)腐蝕。凈損失多是在電弧高溫作用下已熔融或氣化的觸頭表面被流體介質(zhì)沖走或噴濺所造成。前已述及，雖然觸頭的電磨損取決于電弧能量即開斷電流和燃弧時(shí)間，但是對(duì)于多次開斷來講，則平均燃弧時(shí)間是趨近的。所以在開斷次數(shù)較多時(shí)可以認(rèn)為：開斷相同電流時(shí)，每次開斷時(shí)的電磨損是一樣的，此時(shí)只需考慮開斷電流對(duì)電壽命的影響即可。設(shè)額定短路開斷電流下單次開斷的絕對(duì)電磨損為M,對(duì)應(yīng)的允許開斷次數(shù)為N（一00般為20次）。從統(tǒng)計(jì)平均和累計(jì)效應(yīng)，可認(rèn)為該斷路器的允許磨損總量為MN?；蛘哒f00定義一臺(tái)全新的斷路器的觸頭允許磨損總量為100%，即其相對(duì)電壽命為100%，則每次額定短路開斷電流開斷時(shí)的相對(duì)磨損為1/N0（定義為Q0）。然后根據(jù)不同斷路器的N—Ic曲線，求得任意大小開斷電流Ic對(duì)應(yīng)允許開斷次數(shù)N，則對(duì)應(yīng)的單次開斷的絕對(duì)電磨損為M，相對(duì)電磨損為1/N（定義為Q）。則可求出任一次開斷電流Ic時(shí)的相對(duì)電磨損量：Q=1/N Q=1/N （2.27）00根據(jù)觸頭的絕對(duì)電磨損總量一定，則有：MN=MN （2.28）00所以有：Q/Q=N/N=M/M （2.29）00 0Q=QM/M=M/MN （2.30）0 0 00即可求出該斷路器的相對(duì)電壽命：L=LN二Q （2.31）式中，L為斷路器的相對(duì)剩余電壽命；LN為斷路器觸頭電壽命的初始值，是一個(gè)小于或等于1的百分?jǐn)?shù)，其值由斷路器的運(yùn)行決定，剛投運(yùn)的或經(jīng)過大修后的斷路器其值可為1。bSF6斷路器觸頭相對(duì)電磨損公式的推導(dǎo)對(duì)于SF6斷路器觸頭的電磨損，用文［27］中所給弧觸頭的允許開斷次數(shù)和開斷電流的關(guān)系曲線和對(duì)應(yīng)的公式，推導(dǎo)相對(duì)電磨損公式。對(duì)應(yīng)任意開斷電流Ic的等效允許開斷次數(shù)為N（假定50%Ie的開斷電流時(shí)的等效允許開斷次數(shù)為1），則有：N=1.83*（0.35I3/）I<0.31ec c eN=（0.51*I/1.7） I>0.31 （2.32）ec c e可以算出在額定短路開斷電流Ie下，斷路器的允許開斷次數(shù)為0.3078次（注意：該公式的假定是50%Ie的開斷電流時(shí)的等效允許開斷次數(shù)為1次）。我們可以從斷路器的型式試驗(yàn)或技術(shù)參數(shù)中查出對(duì)應(yīng)的額定短路開斷電流Ie的允許開斷次數(shù)N0，根據(jù)式（2.32）所給出的開斷次數(shù)相對(duì)關(guān)系，則實(shí)際允許開斷次數(shù)為3.25NN，以某廠生產(chǎn)的LW25-126型斷路器為例，其額定短路開斷電流I為31.5kA，額定短路電流允許開斷次數(shù)為N=20次，即e0實(shí)際允許開斷次數(shù)為65N，由式（2.32）可得允許開斷次數(shù)和開斷電流的關(guān)系如表2.1所示。從表中可看出，當(dāng)I/1很小時(shí)，斷路器的允許開斷次數(shù)會(huì)很大，當(dāng)I/1為10%時(shí)，允許ce ce開斷次數(shù)達(dá)5100次；當(dāng)I/1為11.9348%時(shí)，允許開斷次數(shù)正好為3000次。而SF6斷路ce器臨時(shí)檢修規(guī)定，當(dāng)開斷次數(shù)達(dá)3000次以上時(shí)，斷路器會(huì)因機(jī)械故障等原因而需要檢修。因此取I/1=12%時(shí)的允許開斷次數(shù)為3000；當(dāng)I/1<12%時(shí)，由于機(jī)械故障原因，每次ce ce相對(duì)電磨損計(jì)為1/3000。事實(shí)上，斷路器的額定開斷(短路)電流和額定(工作)電流之比都大于10，也就是說，在分?jǐn)喙ぷ麟娏鲿r(shí)，只需要記錄分?jǐn)啻螖?shù)，即只考慮機(jī)械壽命；只有在開斷短路電流(大于12％的額定開斷電流)時(shí)才考慮電壽命。表2.1允許開斷次數(shù)和開斷電流的關(guān)系數(shù)據(jù)表[q/Ie (%)100755i：352012等效允許開斷次數(shù)0.3080.50211.8349.808-15.406炳允許開斷瀏數(shù)20.033.865.0119.2637.52951.4相對(duì)電磨提量150/3000購300046/300025/30005/30001/3000根據(jù)前面所述和相對(duì)電磨損定義，則叫5T26型斷路器相對(duì)電磨損Q為:Q=1/(3.25*20*N)=1/(65N) (2.33)由式(2.33)則有：Q=1/[5.1(I/1)3] 0.121<I<0.351ec ec eQ=1/[20(I/1)1.7] I三0.351 (2.34)ec c e由此根據(jù)式(2.31)即可求出相對(duì)電壽命。累計(jì)電磨損是從工程實(shí)際角度考慮，來實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器觸頭的電壽命在線監(jiān)測(cè)的一種實(shí)用方法，它方便、易行。根據(jù)以上方法可得出少油、真空斷路器電壽命預(yù)測(cè)的在線監(jiān)測(cè)方法。使用上述監(jiān)測(cè)方法，可以很方便地研制斷路器觸頭電壽命期望的在線監(jiān)測(cè)裝置。它能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)斷路器的各相電磨損和電壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)斷路器開斷時(shí)，能按不同開斷電流計(jì)算該次開斷的相對(duì)電磨損，得出斷路器目前的相對(duì)電壽命，為運(yùn)行部門掌握斷路器的狀況和預(yù)計(jì)壽命提供了方便手段。2.3主觸頭導(dǎo)電性能在線監(jiān)測(cè)方法的探討斷路器在正常工作時(shí)的電流主要是從主觸頭流過。當(dāng)電流流過導(dǎo)體時(shí)發(fā)熱是不可避免的，隨著斷路器壽命的延長(zhǎng)，主觸頭的機(jī)械磨損和電磨損逐漸積累而表現(xiàn)為接觸電阻不斷增大而使斷路器的主觸頭溫度不斷升高。本文提出一種思路一一即通過斷路器的外殼溫度、環(huán)境溫度和負(fù)荷來推測(cè)斷路器主觸頭的導(dǎo)電狀況，計(jì)算主觸頭接觸電阻，從而間接了解斷路器主觸頭導(dǎo)電情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器主觸頭的監(jiān)視，其原理參間接文獻(xiàn)。 【28】斷路器的發(fā)熱和散熱a斷路器發(fā)熱源[17]斷路器發(fā)熱的來源在于內(nèi)部的能量損耗，降低斷路器的工作溫度的主要途徑就是設(shè)法減小損耗。斷路器的能量損耗主要有兩種：電阻損耗和鐵磁損耗。電阻損耗：(2.35)

式中：I――電流；式中：R――斷路器導(dǎo)電回路電阻，其中主觸頭接觸電阻是其主要部分。斷路器導(dǎo)電回路的電阻由兩部分組成，即:R=R+KR (2.36)cab式中：――導(dǎo)電回路各接觸部分的接觸電阻；式中：――導(dǎo)電回路各接觸部分的接觸電阻；K――交流附加損耗系數(shù)，K和趨表效應(yīng)(集膚效應(yīng))有關(guān)。aaR――導(dǎo)體電阻。b接觸電阻R的計(jì)算比較復(fù)雜，它的計(jì)算是這樣理解得來：一個(gè)導(dǎo)體的電阻為R，將c它切成兩半再合并起來的電阻是R，則R比R大得多，我們認(rèn)為這個(gè)大得多的電阻是由接cc觸產(chǎn)生的，故稱之為接觸電阻。所以，影響接觸電阻的因素有兩個(gè)：第一、由于接觸面不平整，電流通過的實(shí)際接觸面減小了，也就是說電流在接觸面附近發(fā)生了收縮；第二、接觸表面可能被一些導(dǎo)電性能差的物質(zhì)覆蓋，使電阻增大。因此，接觸電阻又可以看成由兩部分組成：收縮電阻R和表面電阻R寫成公式即為：R=R+Rk f ckf收縮電阻R和表面電阻R的計(jì)算都很復(fù)雜，據(jù)分析，影響接觸電阻的因素有四：kf(1)材料性質(zhì)其電阻率P和硬度H越小接觸電阻越小。B接觸形式分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸，接觸點(diǎn)數(shù)越多接觸電阻越小。接觸壓力點(diǎn)接觸可以認(rèn)為和壓力無關(guān)，線接觸和面接觸可以認(rèn)為壓力越大接觸點(diǎn)數(shù)越多。接觸表面加工情況加工精度不同，對(duì)接觸電阻的影響也不同。由以上分析可知，影響接觸電阻的因素很多，要精確計(jì)算接觸電阻是很困難的，通常只能由經(jīng)驗(yàn)公式估算。計(jì)算接觸電阻的經(jīng)驗(yàn)公式：(2.37(2.37)r=——c—[g

c (0.1F)m式中：F一一接觸壓力［N］；m――和接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)點(diǎn)、線、面接觸，分別取0.5,0.7,1；K――和接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)，通常由試驗(yàn)得出，見下表c表工2各種材料f表面未氧化)的七值接觸材料接觸材料銀一銀60黃銅一黃銅670銅一銅80-140鋁一銅980鍍錫銅一鍍錫銅鋁一黃銅1900導(dǎo)體電阻R的計(jì)算公式為：R交|⑼ (2.38)式中：l導(dǎo)體長(zhǎng)度［m］;A――導(dǎo)體截面［m2］P――導(dǎo)體材料的電阻率［［Q?m］］。電阻率P和導(dǎo)體溫度有關(guān)，一般可寫作p=p［1+a（8—20）］ （2.39）20或者 p=p（1+a8） （2.40）0式中：P——導(dǎo)體在200C時(shí)的電阻率［Q?m］；20P0——導(dǎo)體在00C時(shí)的電阻率［Q?m］；a――電阻溫度系數(shù)［1/K］；8――導(dǎo)體溫度［C］鐵磁損耗：導(dǎo)體附近的鋼鐵件會(huì)產(chǎn)生渦流磁滯損耗，即鐵磁損耗。和電阻損耗相比鐵磁損耗較小，且可以通過改用非磁性材料或者采用非磁性間隙來減小該損耗，一般計(jì)算中可以忽略不計(jì)。b斷路器散熱原理眾所周知，熱的傳遞方式有：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式。傳導(dǎo)當(dāng)直接接觸的物體之間有溫度差時(shí)，溫度高的物體將熱量傳給溫度低的物體。傳導(dǎo)現(xiàn)象在固體、液體和氣體中都可以進(jìn)行。對(duì)流當(dāng)流體內(nèi)部存在溫差時(shí)，隨著流體的流動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞。只能在流體中進(jìn)行。輻射由溫差引起的電磁波傳播過程稱為熱輻射。它主要是通過空氣或者真空傳遞熱量。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象和電學(xué)中的導(dǎo)電現(xiàn)象是相似的，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：熱阻R對(duì)應(yīng)于電阻R；t熱流（即熱功率）①對(duì)應(yīng)于電流I；溫差工對(duì)應(yīng)于電壓U，所以有歐姆定律：I=U/R，對(duì)應(yīng)于熱傳導(dǎo)公式：①=t/R。所以引入熱阻的概念將有助于定性分析和定量計(jì)算溫升和散熱過程。熱阻的計(jì)算方法如下：熱傳導(dǎo)熱阻的計(jì)算方法由于熱傳導(dǎo)散熱量和接觸面成正比和板厚成反比，故此有熱傳導(dǎo)熱阻計(jì)算公式如下：5R= ［K/W］ （2.41）t入A式中：6――導(dǎo)熱體厚度［m］；A――導(dǎo)熱體截面［m2］八一一熱導(dǎo)率［W/m.K］，也稱熱導(dǎo)系數(shù)。對(duì)流換熱熱阻的計(jì)算方法在對(duì)流換熱的計(jì)算形式上，現(xiàn)在仍然采用牛頓所提出的公式，即:①二aA（8—8）［W］ （2.42）12式中：a――對(duì)流換熱系數(shù)［W/m2?K］式中：A——和流體接觸的壁面面積［m2］；

01――壁面溫度［K］；e――流體平均溫度［K］。2對(duì)比式①=T/R和式①=“40-0)［W］，因?yàn)闇夭罟?(0-0)，對(duì)流熱阻計(jì)t 12 12算公式如下：R=—［K/W］ (2.43)t“A式中：a――對(duì)流換熱系數(shù)［W/m2?K］A——和流體接觸的壁面面積［m2］。3)輻射換熱熱阻的計(jì)算方法兩個(gè)物體間通過輻射交換的凈換熱量為：①=照A(T4-T4) (2.44)b1 2式中：￡――表面黑度，也稱為輻射率；o――斯忒藩―波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67X10-8［W/m2?K］bA一一物體的輻射表面積［m2］；T1一一發(fā)熱體的絕對(duì)溫度［K］；T一一受熱體的絕對(duì)溫度［K］。2對(duì)比式①=T/R和式中=￡。A(T4-T4)，因?yàn)闇夭頣=(T-T)故有輻射熱阻計(jì)算公t b1 2 12式為：1二￡oA(T3+T2T+TT2+T3)R b1 12 12 2t1 TT2T3二￡OA(1+一+?+?)T3RbTT2T32TOC\o"1-5"\h\zt 22 2T T2 T3當(dāng)溫差不大，即t=(4-T2)較小時(shí)(1+t+吉+打x4,故有22 21一二4￡OAT3b2(2.45(2.45)4￡oAT3b2例如，在20oc時(shí)，T=273+20=293K,則有：2（2.46）在實(shí)際傳熱中，固體零件主要以傳導(dǎo)方式傳熱；真空主要以輻射方式傳熱；固體表面和流體間，當(dāng)流體為氣體時(shí)以對(duì)流和輻射方式傳熱，當(dāng)流體為液體時(shí)以對(duì)流方式傳熱；能夠自由對(duì)流的流體內(nèi)部主要以對(duì)流方式傳熱；流體薄層時(shí)，如果流體為氣體則以傳導(dǎo)和輻射方式傳熱，如果流體為液體則主要是傳導(dǎo)傳熱。2.3.2主觸頭溫度和主回路電阻間接算法設(shè)斷路器內(nèi)部熱源到斷路器外表面的總熱阻為*，設(shè)斷路器外表面散熱熱阻（空氣層TOC\o"1-5"\h\z熱阻）R，斷路器外表面溫度為0，斷路器周圍空氣溫度為0，設(shè)斷路器主觸頭的溫度t0 1 0為0、斷路器主觸頭的熱損耗為①。則有：①二（0—0）/R=（0—0）/R=（0—0）/（R+R） （2.47）\o"CurrentDocument"10 t0 1 t1 0 t0 t1由上式可知：主觸頭穩(wěn)態(tài)溫度為：0=（0—0）R/R+0 （2.48）\o"CurrentDocument"1 0t1t0 1主觸頭熱損耗為： ①=（0—0）R\o"CurrentDocument"1 0t0又因主觸頭的電阻發(fā)熱損耗計(jì)算公式：①二K12Ra式中：K――交流附加損耗系數(shù)，K和趨表效應(yīng)（集膚效應(yīng)）有關(guān)；aaI――斷路器負(fù)荷電流；R――斷路器導(dǎo)電回路的總電阻。由以上兩式相等可得出斷路器導(dǎo)電回路的總電阻R的計(jì)算公式R二（0—0）/K12R （2.49）0at0注意：以上公式、只能用于估計(jì)或間接計(jì)算斷路器在達(dá)到熱平衡時(shí)的主觸頭溫度和導(dǎo)電回路電阻，脫離穩(wěn)態(tài)則無意義。第3章硬件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)組成概述1、傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［5］（如圖3.1所示）包括以下基本單元：信號(hào)變送：一般由傳感器來完成，它從電氣設(shè)備上檢測(cè)出那些反映設(shè)備狀態(tài)的物理量，例如電流、電壓、溫度、壓力等，并將其轉(zhuǎn)換為合適的電信號(hào)傳送到后續(xù)單元。信號(hào)處理：其功能是對(duì)傳感器變送來的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，對(duì)混疊于其中的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。數(shù)據(jù)采集：對(duì)經(jīng)過處理的信號(hào)進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。數(shù)據(jù)通信：將采集到的信號(hào)傳送到后續(xù)單元，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理單元遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，故需要配備專門的信號(hào)傳輸單元。數(shù)據(jù)處理：對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，例如：讀取特征值、做時(shí)域分析和頻域分析、進(jìn)行平均處理等等。故障診斷：根據(jù)數(shù)據(jù)處理得來的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、判據(jù)及其它信息進(jìn)行比較和分析后，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)或故障部位作出診斷。七號(hào)變送系統(tǒng)例場(chǎng)）（設(shè)備附近）七號(hào)變送系統(tǒng)例場(chǎng)）（設(shè)備附近）（主控室）圖3.1傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖上述六個(gè)單元構(gòu)成一閉合系統(tǒng)，傳感器、變送器和設(shè)備在一起位于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于設(shè)備附近也在現(xiàn)場(chǎng)，該環(huán)節(jié)有和監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信的能力；監(jiān)控計(jì)算機(jī)從通訊口得來數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析和診斷，也可以對(duì)被監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行必要的控制或采取措施。2、現(xiàn)代在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過分的依賴通訊接口，實(shí)時(shí)性較差，現(xiàn)場(chǎng)附近的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本上不具備任何處理能力，無法在必要時(shí)緊急處理突發(fā)事件，但它也有一定的優(yōu)勢(shì)，例如后臺(tái)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)屬于PC機(jī)或者大型計(jì)算機(jī)，可以使用復(fù)雜的分析處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理。和傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，現(xiàn)代在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分本身就是一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在通訊完全中斷的情況下它依然可以自成體系，從而減輕了對(duì)上位機(jī)的依賴。這也是微電子計(jì)算發(fā)展的結(jié)果，因?yàn)槟壳暗膯纹瑱C(jī)已經(jīng)可以做到處理能量較強(qiáng)，可以完成一些過去只能由PC機(jī)完成的工作?，F(xiàn)代在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)保留了傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，即在上位機(jī)召喚時(shí)可以實(shí)時(shí)傳遞上位機(jī)所需的一切數(shù)據(jù)，也可以只傳送單片機(jī)系統(tǒng)診斷的結(jié)果?，F(xiàn)代在線監(jiān)視系統(tǒng)（如圖3.2所示）包括以下基本單元：傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、上位監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)。各部分的功能如下：傳感器：將各種各樣的物理量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電氣量。單片機(jī)系統(tǒng)：除濾波環(huán)節(jié)和信號(hào)放大環(huán)節(jié)外、諸如A/D環(huán)節(jié)、MCU、SPI接口、UART接口都屬于單片機(jī)的功能模塊，給設(shè)計(jì)帶來了極大的便利，同時(shí)也提供了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。通訊系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)總線是聯(lián)接單片機(jī)系統(tǒng)和上位監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸線路，目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為常用的通信總線有CAN和RS-422/485，在該設(shè)計(jì)中我們選用了RS-485接口。上位監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)：對(duì)下位單片機(jī)通過通訊接口傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過高級(jí)軟件進(jìn)行分析；對(duì)下位單片機(jī)通過通訊接口傳送來的診斷結(jié)果進(jìn)行顯示或者報(bào)警；通過通訊接口對(duì)下位單片機(jī)傳送諸如命令、時(shí)鐘、定值數(shù)據(jù)等。新一代單片機(jī)MSP430簡(jiǎn)介在本設(shè)計(jì)中，我們選用了TI公司新近推出的新一代功能強(qiáng)大的MSP430系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn)[10]：(1)超低功耗，典型功耗是：2.2V時(shí)鐘頻率1MHz時(shí)，活動(dòng)模式為250pA，關(guān)閉模式時(shí)僅為0.1mA，且具有5種節(jié)能工作方式。(2)高效16位RISC-CPU，27條指令，8MHz時(shí)鐘頻率時(shí)指令周期時(shí)間125ns，絕大多數(shù)指令一個(gè)時(shí)鐘周期完成，32kHz時(shí)鐘頻率時(shí)16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機(jī)20MHz時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度。(3)低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8V?3.6V。(4)12位8路A/D、內(nèi)部基準(zhǔn)源、采樣保持和自動(dòng)掃描。(5)兩個(gè)16位定時(shí)器，帶捕獲功能。(6)片內(nèi)2kRAM、60kflashROM。(7)靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)(兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘)。(8)低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信。(9)串行在線編程能力，無需外加編程電壓，帶有密碼鎖。(10)強(qiáng)大的中斷功能。(11)喚醒時(shí)間短，從低功耗模式下喚醒僅需6Ms。(12)ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)?；谝陨咸攸c(diǎn)，MSP430系列單片機(jī)在便攜式儀表、智能傳感器、實(shí)用檢測(cè)儀器、電機(jī)控制、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的使用較為便捷。MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲(chǔ)器容量組合的選擇，從14位ADC到LCD驅(qū)動(dòng)電路的混合信號(hào)外設(shè)，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，簡(jiǎn)化了各類使用的電路設(shè)計(jì)。且集成時(shí)鐘、集成LCD驅(qū)動(dòng)電路、集成A/D使硬件簡(jiǎn)化，所需外部元件極少。所以，和傳統(tǒng)單片機(jī)相