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固有分、合闸时间,分、合闸同期性;
分、合闸速度等等,以确保开关的正常运行。
本系统以单片机89C51为核心,利用光栅信号采集高压开关的行程数据,并经光电隔离将信号送入系统单片机,然后单片机与控制面板上的通讯,将采集的数据传到单片机,由单片机完成数据的处理和运算。
单片机同时负责人机接口(包括界面显示,按键输入,测量结果,)
关键词:
分、合闸同期性,单片机,光栅信号,光电隔离
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,hasalotofautomaticdetectioninstrumentation.Powerplantsandsubstationshighvoltagecircuitbreakerisanessentialcomponentinthepowerdistributionunit.Itistherightactionbymechanicalpartstocompletetheopeningandclosing.Accordingtorelevantstatistics.Mostincidentsofhigh-voltageswitchfrommechanicalcauses.Therefore,beforeusingoroverhaulofitsmechanicalpropertieswhentheparametersmustbetested,suchastripdistanceandultra-wayopening;
inherentpoints,closingthesametime,points,closingsimultaneity;
points,closingspeed,etc.,totoensurethenormaloperationoftheswitch.
The89C51microcontrollerasthecoresystem,theuseofgratinghigh-voltageswitchgeartripsignalacquisitiondata,andopticallyisolatethesignalintothesystemmicrocontrollerandmicrocontrollercommunicationandcontrolpanel,thecollecteddatatothemicrocontroller,thedatafromtheMCUtocompletetheprocessingandcomputing.SCMisalsoresponsibleforman-machineinterface(includingtheinterfacedisplay.Keystrokes,measurements)
KEYWORDS:
Points,closingsimultaneity,SCM,gratingsignal,opticalisolation
前言
“十一五”期间,我国将迎来电网建设的新高潮,全国电建设的总投资将达1万多亿元。
我国电网建设主要以超高压特高压的电网建设为主。
投资2000多亿元打造31个重点城电网,农村电网建设改造进入快车道。
电网的大发展必然促进高压开关设备的大发展,高压开关是电力系统中的重要器件,是当电力网遇到自然界破坏或人为造成的供电线路故障时,够及时切断线路电源,防止故障扩大,保证电力系统和高压备安全至关重要的环节。
同时也对高压开关设备提出了更高、严格的要求,以保障整个电网的安全运行。
高压开关在电网中起着控制和保护的双重作用,是电力系统中至关重要的开
关设备之一。
它发生故障或事故时会引起电网事故或扩大电网事故范围,有时甚至会引起电网崩溃,造成相当大的经济及其它方面的损失。
通过对高压开关操动机构的动作特征、电气特性进行信息捕捉,可以对高压开关的可靠性做出判断,从而诊断开关故障类型,及时采取相应的措施,以保证电网的安全运行。
为了保证高压开关的正常运行,必须对其机械特性进行定的检测,掌握高压开关的各种特性参数,并对参数进行分析究,以此来评定高压开关使用状态的好坏以及预测使用寿命,及时对其进行维护或者更换。
本文将介绍一款基于单片机用于测试高压开关机械特性参数的设计。
第1章绪论
1.1研究背景、意义及现状
1.1.1研究背景
随着科技和工业技术的发展,我国电力行业的发展势头迅猛。
自1998年我国开始实施城乡电网改造工程和西电东送工程以来,电力行业迅速蓬勃发展给输配电设备制造业创造了巨大的市场需求,市场规模也随着时常需求而迅速扩大。
据统计资料表明,我国今后几年将追加装机3000万千瓦的电源建设,年增装机容量上升至U2500万千瓦,即年增装机可增力到30%~40%,而且与新增装机较直接的一些开关设备市场容量将会有更大扩容,并且具有更好的市场需求。
除了电力工业自身持续、稳定、快速发展外,“十一五”期间,我国投入到电网改造的资金达8500亿元,国家电网公司大力发展高压电网行业,据有关资料统计显示:
2007年,我国高压开关行业实现工业总产值631.076亿元,2008年实现工业总产值960.97亿元,同比增长率为18.83%,高压开关行业仍处于高发展势头。
由于电网的快速、高效的发展和电力自动化装置在电力行业的广泛使用,电网的安全性和可靠性必然成为人们同益关注的焦点。
这就需要高压开关设备对电网进行实时监控和保护,在电网发生事故时,它能迅速切断故障点,保障电网无故障部分能安全有效的运行。
高压开关设备被广泛用于10KV到500KV的电力系统中,是开关电器中最为关键的一种电气设备,它作为绝缘和灭弧设备的装置,在工作中对电网起到重要的控制和保护作用。
在正常工作时,根据电网的需要将电力设备或线路接入电路或断开电路;
当电路发生故障时,高压开关能迅速、自动的切断故障电流,使电力系统中其他无故障部分安全运行,用以减小停电范围,保护其他电力设备。
高压开关工作状态的好坏将直接影响电力系统的安全性和可靠性,并且由于高压开关装置被安装在露天环境下,因此其工作要经受电、热、大气等方面的影响,其使用寿命备受关注,现阶段评价高压开关使用寿命长短的方法是对高压开关机械特性参数的测量。
根据IEC62271。
10GBl984-2003)的新标准的规定,对高压开关机械特性参数进行测量。
在新标准中规定:
每一种高压开关产品均有行程特性的标准曲线,当总行程超过20mm时,将总行程的±
5%迭加到参考曲线上,产生两条曲线,这两条曲线就是该产品的包络线;
在总行程小于或等于20mm时,将±
2mm朋迭加到标准曲线上生成两条曲线,这两条曲线也是产品的包络线。
两种情况下的包络线可以在总行程±
5%或±
2mm以内上下动,当被测试产品的曲线完全处于其中之一的包络线中,则表明所测试高压开关的机械特性合格。
否则为不合格。
1.1.2研究意义
据有关部门的统计.我国高压开关事故绝大多数源于机械原因。
固有分、合闸时同,分、合闸同期性;
根据国家电网公司2004年报告指出,在2004年由于高压开关引起的事故多达46台次,比2003年增加lO台次,总事故为346台次,比2003增加54台次。
国家电网公司对近年高压开关事故分析报告指出,由于高压开关质量不合格造成的事故占69.6%,其他自然条件原因造成的事故比重较轻,这一对比提醒我国高压开关企业必须严格按照新标准规定,生产、制造和测量高压开关设备,并充分说明我国高压开关的质量、测试方法均需提高,并且测量手段的提高是避免高压开关事故发生的重要条件。
高压开关在电网中的主要功能是关合、开断、保护、控制、调节和测量电力线路。
因此,它是电力系统中必不可少的器件,对其机械特性参数的测量非常重要,机械特性参数是评价高压开关寿命的重要参数。
据国内外不完全统计,绝大多数高压开关的事故都是由于机械缺陷所造成的。
日本由于机械故障造成的事故率为90%,国际电工委员会统计的数据为88%,我国电力部门统计的数据为85%左右。
当电力系统出现短路等异常时,高压开关将发生拒动、误动、慢分和三相不同期等机械故障,这有可能造成恶性事故,甚至可以引起设备爆炸,给人民生命和国家财产带来巨大的损失。
所以高压开关机械特性的检测显得尤为重要。
高压开关机械特性主要有速度、分(合)闸时间、行程和量程等,在高压开关的生产、安装和调试的过程中均必须检测其机械特性,它也是判断该高压开关质量是否合格、以及高压开关能否安全用于电网的重要指标。
因此,对于高压开关机械特性的测量要精确且必须对其机械特性定期进行检测,分析测量参数,从而评定高压开关的好坏以及使用寿命,减少事故的发生。
经过几十年的发展,特别是“十一五"
以后,我国电网事业的快速发展,使得高压开关生产企业纷纷实施技术改造,采用新技术增加产品性能,满足市场的需求,提高市场竞争力。
同时,由于我国高压开关企业起步较晚,与国外先进公司的产品差距还是比较大的,因此,我国要大力发展高压开关测试产业。
1.1.3国内外高压开关机械特性测试仪的现状
由于国外高压开关行业起步较早,因此技术也较为先进。
高压开关行业的龙头主要集中在欧洲和日本。
如llSiemens、ABB、Alstom、Schneider、Programma、WEIS、三菱、日立、东芝等。
他们的产品开发周期短、制造技术先进、对市场需求反映迅速、测量准确。
其代表性产品为瑞士的PROGRAMMA、美国的RTR48CircuitBreakerResponseRecorders等产品,硬件采用工控机和数据采集卡形式。
此产品的优点为对高压开关机械特性参数能进行准确的测量,并且用户界面美观。
缺点是只能针对某型高压开关,软件实现功能较为单一,售价高昂,体积较大,不符合野外测试要求,并且纯英文界面,给使用者带来了不便。
因此,国内各高压开关厂家开始自行研发用于测量高压开关机械特性参数的仪器。
传统的测量方法是通过电子秒表、故障测试仪、示波器等测试仪表进行,但由于此测试方法只有在高压开关进行大修时才能检测,并且检测时间较长、测试导线较复杂,基于这些特点,随后国内研究出基于单片机的高压开关测试仪系统,将单片机作为芯片,通过采集光电传感器上的信号来测量高压开关的行程和时间,进而测量高压开关机械特性参数。
但是这些测试仪不足之处在于其分辨率太低,只有lmm左右,且不易提高。
如:
若想提高分辨率,如达到0.5mm。
一方面需要将光栅的间隔缩短到0.5mm,另一方面还要考虑CPU在编码器通过0.5mm光栅所需要的时间能否完成1次A/D转换。
其次,当断路器在分、合闸过程中,动触头有个弹跳过程,必须加硬件电路来进行方向判断,否则会产生累加误差。
并且由于国内开发的高压开关机械特性测试仪只能对测试数据进行一次性存储,且机内存储容量有限,因此无法满足大容量数据的存储和查询,另外,由于国内测量仪中有些数据处理需通过PC机进行,而测量仪与PC机的通信均采用串口方式进行,随着测量数据的加大,传输数据会越来越慢,通信时间越来越长,因此无法满足现在系统对实时性的要求。
另外,现有仪器大多只能对单断口开关进行测量,数据处理、分析能力都不强。
所以急需一种机械特性测试仪,这种测试仪在功能上不但要具备同类仪器的功能,而且还要能满足新标准的要求。
在采样的幅值精度和时间精度上都要比老仪器有所提高;
可以对多断口开关进行测量、分析;
并且能对测量的大量数据进行保存和数据的回读。
随着大规模可编程逻辑器件FPGA和CPLD的出现,传统的由各个电路联合实现整体逻辑的设计方案已经成为过去,现在已实现基于CPLD或FPGA的芯片级硬件电路设计,并且由于单片机的快速发展,使数字信号处理技术用于完成检测任务成为可能,增加了系统的数据处理能力和系统的实时性。
现在对测试仪的基本要求是在满足国家GBl984-2003规定外,在采用幅值和采样精度上均要比以前的仪器有所提高,性能有所提高并且具有实时性。
第2章高压开关机械特性分析
2.1高压开关的基本概念
2.1.1高压开关
在电力系统中规定额定电压在11OKV以上的输配电断路器称为高压开关。
如图2-1所示为真空断路器结构图。
高压开关是电力系统中最重要的控制和保护设备。
一方面,高压开关根据电网运行需要,将电力设备或线路投入/退出电网的运行,它在其中起到控制的作用;
另一方面,在电力系统设备或线路发生故障时,高压开关可以及时的切断故障点,保障电网中其他无故障的部分安全、有效的运行,这种作用称为保护作用。
总之,高压开关是一种能够开断、关合和承载运行线路的正常电流,也能在电力系统规定时间内关合、开断和承载规定的异常电流(如过载电流和短路电流)的开关设备,并且高压开关的可靠性直接关系到整个电网的安全和稳定。
图2-1VSI型真空开关结构
2.1.2高压开关工作原理
下面以真空断路器为例,介绍高压开关的工作原理。
真空断路器是高压开关的一种,它是利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器。
自从1962年美国GE公司研制成功第一台真空断路器以来.其研制和开发己取得了很快的发展,由于它具有分断能力强、寿命长、维修量小、电弧不外露、安全可靠、体积小、重量轻、噪声小、可在环境恶劣、操作频繁的条件下工作的显著特点,因而得到了广泛的应用。
真空断路器主要由导电回路,绝缘系统,密封件和壳体组成。
整体结构为三相共箱式。
其中高压载流回路由导电夹、软连接等经过灭弧室两端的动、静导电杆组成。
断路器的全部使命主要体现在动、静触头的分、合闸动作上,因此研究断路器的分/合闸操作是必不可少的。
断路器合/分闸操作是操动机构通过绝缘拉杆、触头弹簧等同真空灭弧室内的动导电杆相连,由动导电杆带动动/静触头同时接通、分断,完成一次合/分闸操作。
合闸过程是当操动机构的合闸线圈通电时,合闸电磁铁被吸合,带动动导电杆运动,使动、静触头接通,完成合闸过程;
分闸操作是当操动机构的分闸线圈通电时,分闸电磁铁被吸合,从而使锁扣释放,在分闸弹簧以及本身重力作用下动、静触头迅速分闸,完成分闸过程。
2.2高压开关机械特性参数
机械特性参数是保证高压开关能正常工作的重要依据。
机械特性参数的定义和计算是通过高压开关的行程-时间曲线来描述。
在合闸时,动触头迅速移动,并接触静触头,使高压开关导通,接入负载。
但由于动触头存在惯性,还会运动到最高点,然后在返回到平衡点,形成一个振荡过程。
因此,在行程.时间曲线上出现一个超调的过程。
如图2-2所示的行程-时间曲线,来定义高压开关的机械特性参数。
、
图2-2动触头行程-时间曲线
(1)行程:
在合/分闸操作中,高压开关动触头从起始位置到动触头运动到任一位置,动触头总的位移。
(2)超行程:
合闸操作中,高压开关的触头接触静触头后动触头继续运动的距离。
(2-1)
(3)时间行程特性:
在合分操作中,高压开关的动触头运动的行程与时间的关系。
(4)触头开距:
在分闸位置时,高压开关各级动/静触头之间或其连接的任何导电部分之间的总间隙。
(2-2)
(5)全程平均速度:
高压开关合闸过程中,动触头在整个合闸过程中运动的平均速度。
(2-3)
(6)触头刚合速度:
高压开关合闸过程中,动触头与静触头在合闸过程中接触瞬间的运动速度。
(7)合闸时间:
从接到合闸指令瞬间起到动触头和静触头都接触的瞬间的时间间隔。
注:
a.合闸时间包括丌关合闸所必需的并与开关组成一体的任何辅助设备的动作时间。
b.对装有并联电阻的开关,需把与并联电阻串联的触头都接触瞬间前的合闸时间和主触头都接触瞬间前的合闸时间作出区别。
(2-4)
(8)分闸速度:
高压开关在分闸过程中动触头的运动速度。
(9)分闸时间:
从接到分闸指令瞬间起,到动/静触头分离的瞬间的时间间隔。
(10)弹跳时间:
在合闸过程中,由于机械碰撞的弹力,使动触头和静触头接触后要经过反复的弹跳才能最终达到一个稳定的时间(即三相触头都已经稳定关合)。
(11)触头刚分速度:
高压开关在分闸过程中,动触头和静触头分离的瞬间的运动速度。
(12)高压开关分闸同期性:
高压开关在分闸时,各极间或同一极各高压断口问的动触头和静触头分离瞬问的最大时间差异。
(13)高压开关合闸同期性:
高压开关在合闸时,各极问或同一极各高压断口问的动触头和静触头接触瞬问的最大时间差异。
(14)合-分时间:
在合闸操作过程中,从动触头和静触头开始接触的瞬间起到随后的分闸操作时动触头和静触头分离的瞬间的时间间隔。
(15)分-合时间:
在分闸过程中,从动触头和静触头开始分离的瞬间到开始动触头和静触头重新接触的瞬间的时间间隔。
(16)时间-电流特性:
在规定的操作条件下,用电流和时间函数表示的曲线。
为了全面准确地检测真空开关的机械特性参数,需要运用适当的检测手段,对开关的分合闸线圈电压电流、触头接触信号(检测动静触头接触与否)、动触头行程曲线、储能时间(针对弹簧储能机构)进行采集和分析,进而得到各个机械特性参数。
下节将重点介绍一些传统的测量高压开关机械特性参数的方法,在此基础上提出了一种新的测量高压开关机械特性的方法,并提出总体设计方案。
2.3常用机械性能测试方法
高压开关机械特性参数是保证其正常工作的重要依据。
根据国家标准《高压交流开关》和《高压开关设备常温下的机械实验》中规定的机械特性实验的检测项目有:
触头开距,超行程,三相不同期,分合闸时间,刚分合速度,触头起始运动时间,弹跳时间,分、合闸线圈电流等,其中分合闸时间是在线监测中最重要的特征参量,通过对高压开关分合闸时间的持续的在线监测,可以为预测开关运行状态提供非常重要的依据。
分闸时间:
从接到分闸指令瞬间起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。
合闸时间:
从接到合闸指令瞬间起到有其中一极触头接触瞬间的时间间隔。
传统的检测高压开关分、合闸时间的具体做法是如图2.3所示:
将开关一侧接上拉电阻接到高电平,另一侧接地,理论上当开关分(合)时AIN为高(低)电平,测试仪器通过断口线与AIN相连,即可检测到开关分、合闸时刻点。
实际上在合闸操作中开关动触头还没有达到合闸位置点主回路就已有预击穿电流通过,这就造成了测量结果比实际值偏小;
时间,即触头分离后还是有电流通过的,在分闸操作中因为触头分离后还有燃弧时间,即触头分离后还是有电流通过的,这就导致TN试结果比实际值偏大。
即使我们可以忽略上述方法所带来的测量误差,由于高压开关所处的高压工
作环境,上述方法也仅适用于开关离线状态下的检测,而对于服役期间的高压开关的检测就显得束手无策。
还有一种测试手段,刚分刚合时刻点取辅助开关接点状态信号换位时刻,由于辅助开关是机械式触点开关,虽然不用担心燃弧和预击穿电流的影响,但其转换速度差,而且很不稳定,因此测量结果仍有偏差。
实际上,高压开关在实际运行时,既要避开高压环境又要确定分、合闸时刻点是很难的。
高压开关在合闸动作过程中,动静触头的撞击,分闸动作过程中,动触头与止钉的撞击都会产生强烈的冲击信号,通过在开关适当的位置安装振动传感器采集振动信号来确定开关的分、合闸时刻点应该是一种行之有效的方法。
但是对开关振动信号的分析是一个难点,这是由开关结构复杂以及现场测量时各种环境噪声的影响,使加速度传感器获取的振动信号存在干扰成分引起的。
高压开关的合或分操作都会产生若干次振动事件,当干扰信号的瞬时幅值和频率大到与振动信号可比拟时,采用传统的方法很难有效区分噪声和有用信号。
因此振动信号的辨识是开关振动信号监测中的重要内容。
由于高压开关频繁的关合动作和过度的拆卸检修等操作,均使高压开关的可靠性下降。
如何判定高压开关的可靠性就成为人们关注的焦点。
当高压开关的零部件发生变化时,高压开关的机械特性就相应发生改变。
因此,判断高压开关可靠性的重要指标就是测量高压开关的机械特性参数,通过测量、对比标准数据从而得出高压开关运行状况的信息。
现阶段对高压开关机械特性的检测主要集中在定期检修或停电期间,通过对机械特性参数的测试,确定高压开关性能的优劣,从而进行更换部件等操作。
这种检修策略经历了以下几个阶段的发展。
1.早期较传统的测试方法是检修人员采用机械装置(如:
数字电压表、电子秒表、示波器、电磁振荡、同步灯和测速仪等)对测量目标进行简单测试。
这种测试方法必须在高压开关进行大修或进行定期维护时才能进行测量,不能进行在线测量,极大不方便客户。
它的缺点集中体现在设备体积较大、运输困难、测量误差较大,读取的记录数据要经过人工处理和计算,并且由于在测试时所需测试接线相对复杂和检修工作时间较长,因此非常不方便非专业人士的测量并且专业人员在进行测量时由于要进行高空作业,因此其安全性也是需要考虑的方面。
综上考虑,开发新型高压开关测试仪器件是必然趋势。
2.随着模拟、数字电路的普及,研发出集装箱式高压开关机械特性测试仪。
该仪器具有上述用机械装置测试仪表的功能,并且接线相对简单,携带方便。
但由于此测试仪的组成部分仍由直流电源测速器控制门电路和同期灯等部件组成,因此其自动化程度相对较低并且测试功能并不完全。
3.90年代后期,随着微电子技术和计算机技术的发展和应用,出现了微机型高压开关机械特性测试仪。
最初许多生产厂家采用8位的单片机作为主CPU应用于机械特性参数的测量,但由于单片机自身实时性差、处理速度和运算能力有限,在需要处理大量实时数据的情况下就达不到要求,因此它逐渐被日渐成熟的DSP芯片所取代,DSP依靠它强大的数字处理和运算能力,非常适合用于监控系统。
本系统通过以单片机89C51为核心,光栅信号及所有输入信号经光电隔离进入系统单片机对数据的采集及直流可调电源的控制来完成各种测量,然后单片机与控制面板上的通讯,将采集的数据传到单片机,由单片机完成数据的处理和运算.单片机同时负责人机接口(包括界面显示。
按键输入,测量结果,)。
增加了系统的实时性,并且使系统智能化程度也得到提升,满足目前市场对测试系统的要求。
2.4本章小结
本章首先介绍了高压开关的有关基本概念、工作原理和机械特性参数的定义,随后介绍了潮涌的机械特性参数测试方法,通过对常用方法的分析的分析,一处本测试系统采用的方法,即基于89C51的高压开关测试仪设计方案,介绍此系统的原理及优点,并对系统的整体方案进行了阐述。
第3章系统硬件设计
3.1系统总体设计
单片机同时负责人机接口(包括界面显示。
根据高压开关测
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