高压真空断路器机械特性智能在线监测系统的研制.pdf

江苏科技大学硕士学位论文高压真空断路器机械特性智能在线监测系统的研制姓名：蔡亮申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：曾庆军20080304摘 要 I摘 要 高压真空断路器机械特性的在线监测，是实现断路器预知性维修的前提，是保证其安全可靠运行的关键，也是对传统离线预防性维修的重大补充和新的发展。现代检测技术的快速发展为真空断路器机械特性的在线监测提供了可靠而有效的方法。本文受到江苏省科技攻关项目具有智能模块的新型永磁机构高压真空断路器开发与产业化(项目编号：BE2006086)的资助，开展对真空断路器在线监测系统的研究。论文首先阐述了高压真空断路器在线监测的基本原理及其主要内容，详细分析了断路器的机械特性检测中的关键技术问题，研究了采用霍尔电流传感器检测操动机构中合(分)闸线圈的电流信号和采用角位移传感器检测动触头的行程信号的具体实现方法，并给出了角位移输出对动触头行程的拟合方法。其 次，规 划 了 在 线 监 测 系 统 的 功 能 模 块，设 计 了 一 种 新 颖 的 基 于TMS320F2812DSP 的现场监测模块。系统硬件分为底层和上层两层，底层是现场监测模块，主要负责数据的采集、处理以及与上位机的通信等等；上层是上位机，主要负责人机界面的显示、故障诊断以及建立高压断路器运行状态数据库等功能。系统采用CAN 总线作为现场监测模块与上位机之间的通信方式。论文重点介绍了在线监测系统的硬件和软件设计，如信号调理电路、显示模块、通信模块的设计和上位机监控软件的设计。此外针对目前高压真空断路器运行数据缺乏以及完善的故障诊断模式难以建立的情况，阐述了一种基于比较与分析运行状态与正常状态之间的相似程度的断路器运行状态辨识方法相似性分析方法。文章论述了相似性分析的基本思想，并结合现场试验测得的操动机构合闸线圈电流，分析了相似性分析方法的具体应用，实现了初步的故障诊断功能。最后论文对所开发的在线监测系统进行了现场试验，试验结果研制的在线监测系统能够有效的对高压真空断路器主要机械特性参数进行在线监测，实现了预定的在线监测功能。关键词：断路器，在线监测，机械特性，DSP,CAN 总线Abstract IIAbstract On-line monitoring for mechanical characteristics of high-voltage vacuum circuit breaker is the precondition of predicting maintenance,is the key element of reliable run,and is the important supplement and updated development to the traditional off-line preventive maintenance.Advances in measuring and testing technology provide more reliable and efficient methods for on-line monitoring of mechanical characteristics of high-voltage vacuum circuit breaker.This paper is supported by the foundation of Scientific and technological projects in Jiangsu Province(Code：BE2006086)。Firstly,the paper summarizes the basic principle and main content of high-voltage circuit breaker on-line monitor.The key technical issues of the mechanical characteristics of the circuit breaker are detailed analyzed.The detailed realized methods of using Hall current sensor to monitor the current signal of close(open)coil in the operating mechanism and using angular displacement sensor to measure the mechanical displacement signal of movable contact are researched,at the same time,the fitting method between Angular displacement and Linear itinerary is given.Secondly,the function modules of on-line monitoring system are planned.A new kind of site monitoring module based on TMS320F2812DSP is designed.The system hardware is made up of tow floors:the bottom floor and the upper floor.The bottom floor is the site monitoring module,which is primarily responsible for sampling data,disposing data and communicating with the computer.The upper floor is the PC,which is primarily responsible for man-machine interface s display,fault diagnosis,creating high-voltage breaker running states database and so on.The system uses CAN bus as communication method between site monitoring module and the PC.The paper emphasizes on the designment of hardware and software,such as signal conditioning circuit,display module,the design of the communication module and the monitoring software design for the PC.Besides,aiming at currently high-voltage vacuum circuit breaker lack of running datas and the situation that improved fault diagonis model is hard to establish,a kind of break running state identification method,named Similarity Analysis(SA)is expounded.The basic ideas of similar analysis are discussed in the paper.The basic idea of SA is comparing the data of condition to be assessed with the data of working condition.The application of SA in operation trip coil profile analysis of circuit breaker is studied.The preliminary work Abstract IIIof fault diagnosis has been done.Lastly,the experiment is carried out,the results meet the requirements.The desired functions are realized.Key Words:Circuit Breaker,On-line Monitoring,Mechanical Characteristics,DSP,CAN Bus 论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我本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过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。研究生签名：导师签名：日 期：日 期：第一章 绪论 1第一章 绪论 1.1 高压断路器概述 1.1.1 高压断路器的用途、分类和基本结构1-4 广义上讲，3kV 及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统中最重要的控制和保护设备。概括的讲，高压断路器在电网中起着两方面的作用1：第一，控制作用。根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。第二，保护作用。高压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。总之，高压断路器能够开断、关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电流。断路器的动作可靠性直接关系到系统的安全与稳定，许多重大设备损坏或系统解列事故都是由于断路器操作失常所致。根据控制、保护的对象不同，高压断路器可分为发电机断路器、输电断路器、配电断路器、控制断路器。按灭弧原理又可划分为油断路器(包括多油和少油断路器)、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器、磁吹断路器等。目前应用较多的是少油断路器、真空断路器和 SF6断路器。断路器的典型结构有外壳带电断路器(又称为绝缘支柱式断路器)和外壳接地断路器(又称为落地罐式断路器)如图 1.1 中(a)和(b)所示。图中 1.1 中 1 所示的开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常工作电流和故障电流的执行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的分合动作是靠操动机构来带动的，常用的操动机构有电磁操动机构、弹簧操动机构、压缩空气气动操动机构和液压操动机构等。(a)带电箱壳 (b)接地箱壳 1-开断元件 2-绝缘支柱 3-基座 4-操动机构 5-绝缘套管 6-接地外壳 图 1.1 高压断路器的典型结构图 第一章 绪论 21.1.2 对高压断路器的基本要求 电力系统的运行状态和负载性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器，要保证电力系统的安全运行，对它的要求也是多方面的，如对电气性能，机械性能，开合能力以及断路器所处自然环境的要求。但是，高度的可靠性是对高压断路器最基本的要求。与高压断路器所保护的设备，如发电机、变压器相比，单台断路器的价格要低得多。但是因断路器故障造成的损失，如引起其它电力设备的损坏和电力系统的停电，则远远超过断路器本身的价值。因此要十分重视断路器工作的可靠性，认真对待设计、加工、生产、检验、安装、运行、维修等各个方面，以最大限度地保证断路器的可靠性。对高压断路器实施预测性维修和科学化管理是断路器运行环节中提高可靠性的最有效途径。1.1.3 高压断路器的故障统计与事故责任分析2,5 CIGRE(国际大电网会议)第 13.06 工作组先后对高压断路器进行了两次世界性的调查。第一次调查于 19741977 年进行，第二次调查于 19881991 年进行，调查结果显示，高压断路器故障的类型主要有：拒动、误动事故，绝缘事故，开断事故和载流事故。从主要故障的部件分布上看，操动机构占 43%，各运行电压下的元件占 21%，控制和辅助回路占 29%，其它占 7%。事故的责任中，设计制造部门与运行维护部门各占 50%。文献2对我国19791993年东北电网发生的220kV的高压断路器故障责任进行了调查与统计，结果见表 1.1。表 1.1 19791993 年东北电网 220kV 的高压断路器故障责任分析 运行部门 事故责任 检修 安装 运行 制造部门 合计 事故次数 32 4 7 20 63 占事故总次数(%)50.69 6.35 11.11 31.75 100 从上述调查结果可见，加强高压断路器的运行和维护管理，对于减少断路器事故是十分必要的。因此，CIGRE 第 13.06 工作组在其工作报告中指出：现有的“维修对于发现断路器缺陷而言并非十分有效，相反有时还会带来不必要的事故”，有必要加强断路器状态的监测与诊断技术的研究以提高断路器运行的可靠性，同时降低维修费用。1.2 高压断路器在线监测技术的发展历史及现状 高压断路器的检测技术大致经历了离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程。所谓在线监测，是指对运行设备的状态进行不间断的监测，将采集到的信第一章 绪论 3号量进行处理比较，提取有用的信息，通过对信号识别来判断设备的状态、设备故障和异常部位、原因和程度，预测设备故障或异常可能发生的速度和后果，定出维修计划和项目6。高压断路器在线监测的目的是通过监测断路器本体运行状态以及断路器辅助设备和控制功能的状态，优化检修，减少故障，提高断路器的使用寿命以及设备运行的经济效益，增加对高压断路器的认识。1.2.1 高压断路器在线监测技术发展历史 在国内，和其他的高压设备如变压器、电容性开关的监测技术相比，高压断路器的在线监测技术起步较晚，直到 90 年代后才迅速发展起来。从某种意义上来说，状态维修概念以及 GIS 的应用促进了高压断路器在线监测技术的发展。目前，高压断路器的检修方式主要包括事后检修、定期检修和状态检修，其中以定期检修居多。随着经济发展的要求，事后检修、计划性的定期检修方式逐渐不能适应市场的要求，而对高压断路器实施状态检修成为电力事业发展的必然趋势。状态检修是在定期检修和现代在线监测技术基础上发展形成的一种新的检修模式，它是在在线监测的基础上，分析总结历史数据，对设备运行状态做出预判，给出维修建议，其中关键的技术在于在线监测，即断路器的检测方式。断路器在线监测技术为状态维修提供状态预知的技术支持，状态检修的广泛应用也推动在线监测技术的发展。GIS 装置是 20 世纪 60 年代中期才出现的一种新型电器装置。GIS 具有占地面积小、维护工作量少、故障率低、不受环境条件影响以及运行性能可靠等优点，已经得到国内外电力部门的公认，目前己成为高压配电装置的一个发展方向。GIS 技术的应用，使得其核心电力元件断路器的检修更加困难，所以必须对其中的断路器进行状态监测才能做到维修量最小和维护费用最低。GIS 的广泛应用成了断路器状态监测技术发展的另一股推动力7-9。20 世纪 90 年代，美国、日本开始研究断路器的状态监测，美国学者率先给出断路器电寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电寿命”的概念，“全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是同期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，都先后生产了自己的断路器状态监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行监测的问题。检测结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。1992 年吉林电业局曾立项“断路器机械特性的监测”和“GIS 局部放电特高频在线监测”，1995 年清华大学高压教研室研制了 CBA-1 高压断路器参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸电流、行程曲线及振动信号10,11。1.2.2 高压断路器发展在线监测技术发展现状 目前断路器在线监测技术已经进入了一个新的发展阶段，一些新理论、新技术、第一章 绪论 4新检测手段正在被开发、运用。断路器在线监测项目方面，国内外正在做或已经做的主要有以下几个方面2：1)记录分合闸操作的行程、时间特性曲线，提取机械运动参数，并借之判断机械故障。2)断路器的机械振动信号包含丰富的信息，受到国内外普遍的重视。3)合、分闸线圈回路完整性监测。4)电气寿命检测，判定触头磨损程度。5)SF6压力检测。6)绝缘检测、真空度监测以及温度监测。7)高压断路器本体以及传感器的设计。8)人工智能与计算机结合的专家系统。1.3 本文研究的目的和意义 真空断路器的优越性不仅是无油化设备，而且还表现在它具有较长的电寿命、机械寿命、开断绝缘能力大、连续开断能力强、体积小、重量轻、可频繁操作、免除火灾、运行维护少、故障率低等优点，是无人值守变电所较为理想的电气设备。由于这些原因，目前国内外都在大量开发和使用，多年来在中压开关领域保持领先地位12。据统计在 l0kV，35kV配电系统中，国外真空断路器的占有率大致已从 1980 年的 19%增加到 1993 年的 65%。国内真空断路器的占有率也在逐年提高，1998 年已达60%70%1。真空断路器的可靠性在很大程度上取决于其机械操动系统的可靠性13。国际大电网会议组织的国际调查表明，在真空断路器的故障中，机械故障(包括操动机构和控制回路)占全体故障的 80%以上，制造产品出厂检验和用户检修试验，都把机械特性的测试作为重要的试验项目。设备交接及停电期间定期检修是减少其故障的传统解决办法，但是对于设备运行中机械性能变坏则无法及时顾及，而且频繁的针对性不强的检修试验和部件拆换往往又影响真空断路器的原有稳定性，甚至会影响其正常运行，增加事故率。因此，真空断路器机械特性的在线监测显得尤为重要14-15。此外，真空断路器机械特性在线监测技术的发展，将推动智能化断路器的进程，将来，智能化断路器将是一个发展趋势。真空断路器机械特性在线监测也是其故障诊断技术发展的前提，所以真空断路器机械特性在线监测技术意义重大16。综上所述，课题的目的和意义在于：1)提高供电配电的可靠性；2)为真空断路器由计划检修到状态检修创造条件；第一章 绪论 53)最大化地节省不必要的检修开支；4)为智能化真空断路器研制做前导工作。1.4 内容安排 本文共分为七章，主要内容安排如下：第一章在阅读大量文献资料的基础上，介绍了高压断路器及其在线监测的发展历史和研究现状，阐述了研究高压真空断路器机械特性在线监测系统的目的和意义。第二章规划了所设计的机械特性智能在线监测系统拟实现的功能和需要监测的内容；研究了高压真空断路器机械特性的在线监测原理，对机械特性在线监测的关键技术手段进行了讨论。第三章介绍了高压真空断路器机械特性智能在线监测系统的硬件设计。在线监测系统硬件分为两层，底层是现场监测模块，主要负责数据的采集、处理以及和后台机的通信等等；上层是后台机，主要负责人机界面的显示、打印、故障诊断以及建立高压断路器运行状态数据库等功能。系统采用 CAN 总线作为现场监测模块与后台机之间通信方式。高压断路器在线监测系统现场监测模块以 TMS320F2812DSP 为核心，外围电路包括存储器扩展、模拟信号输入调理电路、液晶显示、日历时钟、CAN 总线扩展等。最后介绍了系统在硬件抗干扰上采取的一些措施。第四章系统软件的设计，在设计时采用了结构化和模块化思想。现场监测单元软件负责数据的采集、处理、显示以及上传，包括主程序和各服务子程序模块。选取 Visual Basic 6.0 作为开发工具，完成了上位机可视化界面的编写，设计实现了上位机监控软件通信、数据库等基本模块。最后介绍了下位机软件设计中采取的一些软件抗干扰措施。第五章概括总结了断路器常用的几种故障诊断方法，针对目前断路器运行数据量缺乏和完善的故障诊断模式难以建立的情况，介绍了一种基于分析与比较运行状态与正常状态的相似程度的非正常状态辨识方法 相似性分析方法。详细分析了高压真空断路器典型的分合闸线圈的电流波形，并结合本文现场试验所采集的合闸线圈电流波形介绍了相似性分析方法的具体应用，完成了初步的故障诊断工作。第六章对高压真空断路器机械特性智能在线监测系统进行了现场试验，试验结果表明所研制的在线监测系统能够有效的对高压真空断路器主要机械特性参数进行在线监测，实现了基本的在线监测功能。第七章对论文所做工作做了总结，并对下一步应该开展的工作作了简单的展望。第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 6第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 2.1 高压断路器在线监测系统的功能设计 2.1.1 高压断路器在线监测系统的基本目标17 随着电力系统自动化的迅速发展和供电可靠性的日益提高，特别是目前电力部门正大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。为了适应这种要求，急需构建高压断路器在线监测系统。高压断路器在线监测系统的根本任务1,2,11是了解和掌握断路器的运行状态，为断路器的故障诊断、性能评估、合理使用和安全工作等提供信息和准备基础数据。因此，高压断路器在线监测系统应实现以下几个基本目标：1)对高压断路器进行长期连续监测。传感器和数据采集模块安装在开关设备上，不影响设备的原有性能，参数及可靠性。采用计算机技术、传感器技术、电磁兼容技术，使得高压断路器现场数据采集单元的运行有足够的可靠性，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)高压断路器现场数据采集单元能把数据送到上级计算机，建立高压断路器的 状态数据库。应用信号处理技术，能对断路器运行状态的相关数据进行管理。3)监测系统不仅可以提供高压断路器当前的参数，而且还能分析重要参数的变 化趋势，为高压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，人机界面友好。5)具有良好的技术经济指标。2.1.2 高压断路器在线监测系统的监测内容1,18-20 根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些在线监测系统的运行经验，确定高压断路器在线监测系统的状态监测和诊断的内容有：1)断路器的操动次数统计。2)开断电流的累计。3)与分合闸线圈有关的项目：线圈通路、线圈电流、线圈电压。4)分合闸时间。5)断路器的触头行程。6)断路器的动触头速度。7)断路器操动过程中的机械振动。第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 78)合闸弹簧状态。9)导电接触部位的温度。10)绝缘状态，如介损、局放、漏电流等指标。11)液压或气压机构压力，启动次数。12)SF6断路器的气体密度。13)真空断路器的真空度。上述监测项目从不同角度反映断路器的状态，在实际监控系统中，可根据实际需要对上述项目进行选择。2.1.3 本文在线监测系统的设计功能 本文研究高压真空断路器机械特性的在线监测，根据一般在线监测系统设计的目标，结合目前掌握的技术水平，综合考虑工程可实现性和技术经济指标，本文所设计的在线监测系统拟实现的功能如下：1)能够实时监测到高压断路器当前工作状态和主回路相电流和开断电流；2)能够记录高压真空断路器操动机构分合闸线圈电流的波形；3)能够监测断路器动触头行程；4)能对所采集到的信号进行处理，计算真空断路器的机械特性参数，并将参 数实时显示在现场液晶模块上；5)能够将采集的的原始数据及处理后的数据上传给上位机，供上位机分析处理。根据规划的功能，确定需要监测的内容包括：断路器的操动次数统计，主回路相电流，开断电流，分合闸线圈电流，分合闸时间、断路器的触头行程、开距和断路器的动触头速度的测量。2.2 高压真空断路器在线监测原理 2.2.1 高压真空断路器工作原理 真空断路器是利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器，是高压断路器中的一种。真空断路器的基本结构包括导电回路，真空灭弧室，绝缘部件，操动机构和附属部件。操动机构通过绝缘拉杆、触头弹簧等同真空灭弧室的动导电杆相连，带动动导电杆运动完成合、分闸操作。本文以配备永磁机构的真空断路器为研究对象，其主要零件有：1-静铁芯，为机构提供磁路通道；2-动铁芯，是机构中的运动部件，通过驱动杆与断路器运动部分相连；3、4-永久磁体，为机构提供终端位置的保持力；5-分闸线圈，提供驱动动铁芯分闸动作的能量；6 合闸线圈，提供驱动动铁芯合闸动作的能量；7 驱动杆，是动铁芯和第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 8断路器运动部分的连接件。永磁操动机构结构原理如图 2.1，图 2.2 是现场试验所用的永磁机构高压真空断路器，永磁操动机如图中高亮部分所示。12756342 7 1-静铁心 2-动铁心 3，4-永磁体 5-分闸线圈 6-合闸线圈 7-驱动杆 图 2.1 永磁操动机构原理图 图 2.2 现场试验所用的永磁机构高压真空断路器 当断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，永久磁铁利用动、静铁芯提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在上、下位置，而不需要任何机械联锁。当有动作信号时，合闸或分闸线圈中的电流产生磁势，动、静铁芯中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成，动铁芯连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动开关本体完成关合任务。2.2.2 机械特性参数的定义 真空断路器分合闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度，对断路器的开断性能有至关重要的影响。分闸速度的降低将使电弧的燃烧时间增加，加速了断第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 9路器触头的电磨损、降低断路器的使用寿命，而且不利于正常开断；分闸速度过高，使操动机构承受过大的机械应力和冲击，造成结构部件的损坏或者缩短其使用寿命；断路器分合闸的严重不同期将造成线路和变压器的非全相运行，可能出现操作过电压、继电保护误动作等不利现象，导致绝缘损坏。高压真空断路器的机械特性主要包括21,22：合(分)闸时间、触头行程、开距、超行程、合(分)闸不同期、合(分)闸平均速度、刚合(分)速度、合(分)闸最大速度、触头合闸弹跳时间、触头分闸反弹幅值等。真空断路器的机械特性参数是保证断路器正常工作的重要依据，从真空断路器动触头的行程-时间曲线、合(分)闸线圈电流-时间曲线结合刚合、刚分位置信号可以确定机械特性参数。为了更好地理解真空断路器的机械特性，现使用合、分闸机械特性测试时的信号波形示意图来标明主要特性参数，如图 2.3、图 2.4 所示。从图上可以清楚地看到机械特性参数的定义，为实际求取断路器的机械特性参数提供理论依据。主要机械特性参数定义如下：1)合闸时间：从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间为止的时间 间隔。2)分闸时间：从接到分闸指令瞬间起到所有极触头都分离瞬间为止的时间 间隔。3)触头行程：动触头的起止位置之差的总位移量。4)触头开距：断路器处在分闸位置时，动静触头之间的距离。5)触头超行程：合闸操作时，从所有极触头都接触开始到合闸稳定位置为止的位 移量。6)合闸不同期：从首极合开始到所有极触头都合为止的时间之差。7)分闸不同期：从首极分开始到所有极触头都分为止的时间之差。8)刚合速度：动触头在合闸过程中与静触头刚接触时的速度。9)刚分速度：动触头在分闸过程中与静触头刚分离时的速度。10)合闸最大速度：合闸全过程中的最大速度。11)分闸最大速度：分闸全过程中的最大速度。12)合闸平均速度：合闸过程中从触头开始运动到刚合位置点内的平均速度。13)分闸平均速度：分闸过程中从触头刚分位置点到分闸位置内的平均速度。14)合闸弹跳时间：在合闸过程中动静触头接触后由于弹力而反复弹跳，从弹跳开 始到最终达到稳定的这段时间。15)分闸反弹幅值：分闸过程中，由于缓冲器的作用，动触头存在惯性，还会运动 到最高点，而后返回到平衡点，形成一个振荡过程，振幅为分闸反弹幅值。第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 10 图 2.3 合闸机械特性示意图 图 2.4 分闸机械特性示意图 2.2.3 系统测试的特性参数及检测的信号 根据在线监测系统功能设计，本文的主要任务是高压真空断路器在线运行时，测出合(分)闸时间、合(分)闸平均速度、合闸不同期、触头行程、开距、超程等主要机械特性参数。为求取这些机械特性参数，应先考虑测量哪些信号。机械特性参数包括行程、速度和时间三种参量，而行程为速度和时间的乘积，所以至少要知道两个参量。设计时结合采集的信号和所选中央处理单元的性能特点，选用时间和行程两个参第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 11量。事实上是微处理器的定时器配合真空断路器合、分闸过程中的如下输入信号：1)合、分闸命令信号；2)合、分闸线圈回路电流信号(合、分闸操作的起点)；3)真空断路器动触头的行程信号(反映动触头的位移及速度信息)；4)动触头刚合、刚分位置状态信号(合、分闸换位点信号)；5)辅助触点位置转换信号(反映真空断路器的实际位置状态)。真空断路器在实际运行状态下，采集以上信号，结合定义求取合、分闸机械特性参数及运行状态。2.2.4 主要机械特性参数确定 总体方案确定后，根据真空断路器运行时参数的定义来确定主要机械特性参数，也就是要通过特性曲线的分析从原理上阐明系统对断路器运行参数反映的客观性和准确性。测试与转换的是位移量、时间量、速度量，其中首先确定的是各动作时刻在合、分闸操作时间序列中的位置，以便确定时间参量，由此配合各序列点位移量确定位移参量，再由位移量与时间量计算出速度参量。高压断路器的几个主要参数的标定目前还没有一个统一的标准，设计者多是根据经验方法来标定各个参量的。本文对几个重要参量的标定方法如下：1)合、分闸时间的确定 合、分闸操作起始瞬间的选择直接影响着真空断路器机械参量的数值，本设计合、分闸操作起始的依据是合、分闸线圈中有电流通过，所以启动电流的定值(即门坎值)的大小，影响着测量精度，也影响着测量系统稳定度。从起动时刻开始计时，到动触头移动到换位点的时间，即是合、分闸时间。关于换位点的确定不同文献采用不同的方法。本设计合闸的换位点取主回路三相电流都出现的时刻。分闸的换位点是根据已测的合闸超行程，结合分闸时动触头的行程曲线确定的。2)行程和超行程的确定 在各点时间量和相对位移量确定的前提下，行程、超行程以及开距等参量依次可求出。从合闸前的稳态位置到合闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头合闸行程；从分闸前的稳态位置到分闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头分闸行程。超行程则随着开断次数增多而减小。合闸超行程起始于三相触头合而止于操作稳态位置，即三相触头全接触开始到合闸后稳态位置的位移量之差。关键问题是如何确定超行程的起始点，即如何有效的提取三相触头全合信号。本文采取的方法是在合闸过程中，从操作机构运动开始判断三相电流采样值大小，如果都大于某一门坎值则认为三相全合，所以门坎值的选取尤为重要，太大则造成起始点选取不精确，太小则降低抗干扰能力。第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 123)同期性的确定 合闸不同期是指从首极合开始到所有极都合为止的时间差。可以通过判断首相有合闸电流和三相有合闸电流作为计时的起止。由于同期性时间较短，所以在 AD 采样中，要保证采样周期能够满足时间的测量。DSPF2812 自带的 AD 模块的采样频率达25MHZ，能够满足要求。分闸不同期指从首极分开始到所有极都分为止的时间差。分闸过程受到电弧的影响，上述方法不可行，实际操作判断辅助触点的换位状态来标定。4)速度的确定 刚合、刚分位置点确定后，结合行程-时间特性曲线，可以得出合、分闸平均速度和刚合、刚分速度。任一点的瞬时速度的确定可以通过捕获行程全程中任一行程位置点在合、分闸操作中发生的时刻。速度-时间曲线可以由行程-时间曲线计算得到，从而可以得出最大速度。2.3 算法分析23,24 系统功能设计中规划了对断路器主回路电流和开断电流的监测，由于机械特性参数计算中定义的电流合闸时间是从合闸线圈有电流开始到主回路最后一相电流出现的时刻，所以主回路相电流测量的精确度直接影响机械特性参数的准确性。同时由于不同开断电流，对应的触头电磨损差别很大，因此，开断电流的测量精度直接影响了触头电寿命预测的准确度。在不同的开断过程中，开断电流受到合闸相角、短路直流分量、电网频率波动、大电流时互感器的磁饱和等多种因素的影响，而且高压断路器的开断电流变化范围很大，可以从几十安的空载电流到几千安的短路电流，因此，短路电流的计算方法就显得极为重要。在此探讨以下几种算法，以选择合适的算法计算短路电流有效值，减少算法对监测系统精度的影响。2.3.1 电流有效值的计算方法 1)最大斜率法 由于 DSPF2812 的 A/D 转换器为单极性，所以在交流采样时，把输入 CT 的交流电流信号i变为交流电压信号u之后，将其基值偏置到0.5refV。设处理后输入信号为：2sin()0.5refuUtV=+(2.1)则求导后为：2cos()uUt=+(2.2)第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 13可见，基准电压偏置不影响算法，无需另做处理。上式当2tk+=(k=0,1,2)时，取最大值max2uU=，所以有效值为：1maxmaxmax2 sin()2 sin()222ttutTutuuuUTT+=(2.3)上式成立的条件是2tk+=，而实际离散采样点正好采样到2tk+=(k=0,1,2)的几率很小，所以存在一定的误差。以最大值max2uU=来分析，上式可简化为：maxcos(/2)2sin(/2)TtTT+=(2.4)要使上式成立，必须保证12sin(/2)TT，这就要求每个周波的采样点必须足够多，否则会存在较大误差，如若12sin(/2)TT，上式右边必须乘以一个调整系数 K，式(2.4)简化为：maxcos(/2)cos(/2)tTKT+=(2.5)从上面分析可以看出，采用最大斜率法基本排除了偏置电压的影响(直流分量)，但是该算法要求每个周波的采样点必须足够多。在后续章节中将分析直流分量、频率对该算法的影响，从中分析使用该算法计算电流有效值对计算精度影响。2)傅立叶变换法 在电力系统发生故障时，电网中叠加有衰减的非周期分量和高频分量，因此在采样完成后，微机监控系统一般要对电压、电流信号进行预处理，尽可能滤去非周期分量和高频分量。全周傅式算法就具有很强的滤除恒定直流分量和整数倍谐波的能力。以电流为例，假设采样电流是个周期函数，且含有恒定直流分量和各次谐波分量，每周采样 N 点，离散化后的 N 倍频全周波电流实部和虚部分别是：12()cos(2/)NRNkIi knk NN=(2.6)12()sin(2/)NLNkIi knk NN=(2.7)式(2.6)、(2.7)中()i k为离散采样点的第 k 点数值。从而可算出 n 次谐波的幅值和相角为：22nRNLNIII=+(2.8)第二章 高压真空断路器在线监测原理及功能 14LNnRNIarctgI=(2.9)那么基波电流的有效值和初始相位分别为：2211RLIII=+(2.10)111LRIarctgI=(2.11)从而，可以判定开断电流的负载特性，当1090oo时，开断负载为感性；当190180oo时，开断负载为容性。正如文献23所分析的，采用以定点运算为基础的傅氏滤波算法，大大提高了运算的速度和精度，使监控系统能够准确的判断故障以及负载特性，及时进行保护，保证电网的安全、稳定运行。但是，傅立叶变换法的计算量大，需要单片机具有足够的计算能力，适合于需要对信号进行分析的场合。3)均方根法 以周期性电流信号为模型，则电流有效值计算公式为：220111()NTmmii t dti