高压真空断路器机械特性智能在线监测系统的研制.pdf
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1、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
2、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
3、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,DS
4、P,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 mainten
5、ance.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:BE2006
6、086)。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 cur
7、rent 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
8、 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,disposi
9、ng 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
10、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
11、 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
12、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 Wo
13、rds: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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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