10kV真空断路器触头系统电寿命在线检测系统的研究.docx
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10kV真空断路器触头系统电寿命在线检测系统的研究
摘要
作为电力系统中最重要的电力设备之一,断路器不仅可以在系统发生短路、过载等故障时保护电路,同时还可以关合、承载和开断正常回路的电流,即起到控制作用,而随着断路器无油化进程的推进,真空断路器越来越广泛的使用在电力系统当中,并正在逐步取代传统的油断路器而成为中压配电系统的主要开关设备,据已有数据显示,真空断路器在中压领域的占有率已超过98.85%。
真空断路器的电寿命指的是断路器在不经检修情况下的开断能力,由于电弧对其触头的影响,真空断路器的电寿命通常较短,仅有数十次;在影响真空断路器使用寿命的因素中,其电寿命被视作最不稳定因素,同时,又由于超过电寿命可能会对系统造成巨大损害,所以对真空断路器电寿命的监测就很有必要。
本次毕业设计的主要内容为了解和掌握真空断路器工作和运行条件,深入了解并分析真空灭弧室的结构、组成部件及作用,掌握真空断路器工作性能和特征参数,并了解在线监测和离线监测,确定技术路线,经过必要的理论分析和电路仿真,实现对真空断路器触头电寿命的在线监测。
通过查阅相关文献和资料,对于真空断路器触头电寿命的监测,有累计开断电流或电弧能量法、累计开断电流加权法、触头相对电寿命与相对磨损法以及计及燃弧时间加权评估法等几种方法,本文选取开断电流加权法的方法,设计了一个基于单片机的电流采集装置,将触头电寿命的监测转化为对电流的采集,本系统先经由电流互感器采集电流信号,经过相应的整流滤波装置,然后将采集到的信号交由单片机处理,并通过液晶显示,如果未超过极限值则系统正常运行,若超过极限值,则会通过报警电路报警并提示真空断路器电寿命已超过极限。
关键词:
真空断路器;触头电寿命;在线检测;单片机;电流采集
ABSTRACT
Asoneofthemostimportantpowerequipmentinpowersystem,thecircuitbreakercancloseandopencircuitloopcurrentunderthenormalcondition,atthesametime,itcanprotecttheelectricalpowersystemfromfaultofshort-circuit,overload,whichtakestheroleofthecontroleffect.Andwiththedevelopmentofthebreakerwithoutoil,vacuumcircuitbreakerismoreandmorewidelyusedinelectricpowersystem,andithasbeengraduallyreplacingthetraditionaloilcircuitbreaker.Meanwhile,itcomestobecomethemainswitchequipmentofmediumvoltagepowerdistributionsystem,accordingtothedatawecanseethatinthefieldofmediumvoltage,vacuumcircuitbreakers'sharehasbeenmorethan98.85%inthefieldofmediumvoltage.Itselectricallifeistheabilityofopeningandclosingcircuitinthecaseofwithoutthemaintenance,butbecauseoftheinfluenceofthearcofthecontact,theelectricallifeofvacuumcircuitbreakerisusuallyshort,whichhasonlydozensoftimes;Inthefactorsinfluencingtheservicelifeofvacuumcircuitbreaker,theelectriclifeisseenasthemostunstablefactors,atthesametime,therewillbethedamagewhentheelectricallifeisover,sotheelectricallifeofvacuumcircuitbreakermonitoringisnecessary.
Thecontentofthisgraduationdesignistounderstandandgraspworkingandoperatingconditionsofthevacuumcircuitbreaker,understandandanalysisthevacuumarcextinguishchamberstructure,componentsandfunctionsofthevacuumcircuitbreaker,masterthecausesandcharacteristicsofparametersaffectingthevacuumcircuitbreakerperformance,andunderstandtheon-linemonitoringandoff-linemonitoringtodeterminethetechnicalroute,finallyrealizetheelectricallife’sonlinemonitoringofvacuumcircuitbreakercontactsafterthenecessarytheoreticalanalysisandcircuitsimulation.
Throughconsultingrelevantliteratureanddata,fortheelectricalmonitorofthevacuumcircuitbreakercontacts’electricallife,thereareaccumulatedthebreakingcurrentorarcenergymethod,theaccumulativeopencircuitcurrentweightingmethod,relativeelectricalcontactlifeandrelativewearmethod,andweightedassessmentmethodandarctimeandsoon,thispaperselectsthebreakingcurrentweightingmethod,anddesignacurrentacquisitiondevicebasedonsinglechipmicrocomputer,itturnsmonitoringofthecontact’selectricallifeintothecurrentcollection,Thissystemcollectscurrentsignalfirstthroughacurrenttransformer,afterrectifyingfilteringbythecorrespondingrectifyingfilterdevice,andthensendthesignaltosinglechipmicrocomputerprocessing,anddisplayingthroughtheLCD,iftheelectricallifeisnotover,thesystemwillrunnormally,butifitexceedsthelimitvalue,therewillbewarningthattheelectricallifeisoverthroughthealarm.
Keywords:
vacuumcircuitbreaker;electricitylifeofcontactterminal;on-lineinspection;singlechipmicrocomputer;currentcollection
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1研究背景、目的及意义1
1.2行业发展现状1
1.3真空断路器的检修现状2
1.4监测方式的发展与选择2
1.5章节小结3
2关于真空断路器的研究4
2.1真空断路器简介4
2.1.1真空断路器的发展4
2.1.2真空断路器的特点4
2.2真空断路器的主要结构5
2.2.1真空灭弧室5
2.2.2操作机构7
2.2.3其他部件7
2.3真空断路器的主要参数7
2.3.1触头开距7
2.3.2接触行程7
2.3.3平均分、合闸速度7
2.3.4分、合闸时间8
2.3.5真空断路器的回路电阻8
2.4章节小结8
3真空断路器触头电寿命的监测方法及方案选择9
3.1关于真空断路器触头电寿命的折算方法的研究9
3.1.1累计开断电流法9
3.1.2累计开断电流加权法9
3.1.3相对电磨损法10
3.1.4累计开断电流加权改进的方法10
3.2方法选择10
3.3在线监测的选择11
3.4具体方案的选择与实施11
3.4.1设计预期目的11
3.4.2主要思路11
3.4.3确定方案12
3.5章节小结12
4硬件的设计及其制作13
4.1电源模块13
4.1.1器件选择13
4.1.2主要电路13
4.1.3注意事项14
4.2电流检测模块15
4.2.1器件选择15
4.2.2主要电路16
4.2.3注意事项17
4.3系统控制模块17
4.3.1器件选择18
4.3.2主要电路18
4.4相关芯片介绍21
4.4.1单片机STC1221
4.4.2LCD1602液晶显示21
4.5电路板制作22
4.5.1印制电路板22
4.5.2电路板的腐蚀23
4.5.3钻孔与元器件的焊接23
4.6章节小结23
5软件设计24
5.1程序语言的选用24
5.2程序设计24
5.2.1LCD1602显示模块24
5.2.2报警模块24
5.3程序硬件联调25
5.4章节小结25
6结论及展望27
6.1结论27
6.2展望27
参考文献29
附录30
附录一:
电路原理图30
附录二:
PCB原理图32
附录三:
安装接线图34
附录四:
程序部分35
1绪论
1.1研究背景、目的及意义
在电网中真空断路器的应用变得日益广泛。
在电力系统中,断路器具有很多实用功能,第一控制功能,即在通常情况下,断路器可以根据运行需要切除或投入部分电气设备或线路,其次还有保护功能,即当电网的正常运行产生故障时,为了使非故障部分的运行不受其影响,电网的自动保护保护装置会动作而于断路器,断路器开断就使故障部分从电网中隔离开。
自上个世纪七、八十年代以来,在全球范围内开始了中压开关无油化的进程,从八十年代开始,在中压领域基本确立了无油开关的主体地位,作为典型无油开关的真空断路器与常规断路器相比有很多优点,比如具有体积小、重量轻、寿命长、免检期长等诸多优点,在电力系统中被迅速推广和使用,我们国家跟随中压开关的无油化进程也开始发展真空断路器,在中压开关领域,我国真空断路器的使用已经占到85%以上,真空断路器的产量增长迅速,2003年,国内真空开关行业年产各种类型的真空开关达20万台以上,这让我国成为世界上最大的真空开关生产国,同时真空开关的品种类型号数量也居世界前列。
作为重要的开关设备,真空断路器在被广泛应用的同时,由于自身检修周期长、维护量小等特点,所以其存在的使用寿命的问题很容易被忽略,在长时间的使用过程中,首批投入使用的真空断路器开始出现问题,其使用寿命存在的问题日益突出,应当引起重视,真空断路器的使用寿命主要由机械寿命、电寿命以及储存寿命组成,其机械寿命较长,通常在数万次以上,其储存寿命也较长,而容易被忽略的就是其电寿命,而电寿命被认为是影响真空断路器使用寿命的各个因素中最不稳定的因素,其使用寿命通常被认为由其电寿命所决定,而当其电寿命超过时,可能会导致真空灭弧室无法正常使用,同时电弧可能无法正常断开,可能会导致真空灭弧室爆炸,从而可能会引发重大事故,因此对真空断路器电寿命的监测就显得尤为重要。
1.2行业发展现状
真空断路器是指其触头处于真空状态下关合、开断的开关设备,与传统断路器相比,具有无油、电寿命长、维护少等优点,19世纪末,美国人里顿豪斯首先提出了简单结构的真空灭弧室模型,到1920年瑞典成功研制真空开关,受到当时技术水平的限制,真空开关并未能实际投入使用,经过三十年左右的发展,真空技术有了很大的提高,于是在50年代美国才造出了符合实际要求的真空断路器,直到1961年开始研制15kV以及其分断电流为12.5kA的真空断路器,随后真空断路器就开始在高压、较大容量的系统中使用,从上世纪70年代开始,随着中压开关无油化进程的推进,真空断路器开始逐步替代传统的断路器,并逐渐成为中压开关设备的主体;我国从1958年开始研制真空开关,70年代之后,我们国家基本可以独立生产各个类型的真空开关;相关数据表明,在中压领域,我国真空断路器的占有率逐年增加,已占到85%以上,产量也连年在增加,2000年其产量占到所有中压断路器的87%,而2004年占有率已达98.85%,在自主研究和发展的同时,又引进和吸收西方发达国家已有的经验和技术,我国自主研发了一批性能优秀、符合中国国情的真空断路器,开发出了ZN28-12、ZN96-12、ZW6-12、ZW7-12等诸多型号的真空断路器。
,在同类产品中已处于先进水平。
由于我国真空断路器的发展落后发达国家,所以在各个方面都存在一些问题:
(1)目前我国真空断路器的生产厂商众多,但其集中度较低,规模效益难以实现,已有数据表明,2003年,我国生产真空断路器的厂家有几百家,但是年产超过两千台的只有3家,而其他规模较小的厂家经济效益都很低。
(2)产品的重复开发与从外引入较多,品种繁多但是质量参差不齐,比如12kV户内真空断路器现有品种已达百种以上,但是大同小异,很少有可以与国外名牌产品媲美。
(3)由于我国真空断路器刚开始落后较多,产品质量与产品稳定性与国外名牌相比还粗在诸多问题,比如产品的使用稳定性和灭弧室的寿命等等。
1.3真空断路器的检修现状
作为电力系统中最重要的开关设备之一,真空断路器起到保护和控制的作用,其在被广泛应用的同时,也是电力系统的一次设备中维修和检修工作量最大的设备之一,相关数据表明,开关设备的维修费用可以占到变电站维修费用的50%以上,而且其中很大一部分是用在断路器的定期检修上。
以某电力公司为例,其管辖范围内的134座变电站内,真空断路器共有1400台以上,占总数的80%以上,其定期检修一般定为一到三年,检修项目主要由真空灭弧室真空度的测量、导电回路电阻的检测、绝缘电阻检测以及交流耐压实验等几个项目组成,通常一台真空断路器的检修需要9人左右以及2个工作日,而对于上千台真空断路器的检修来说,可能会消耗大量的人力财力物力和时间,同时其检修还会影响供电的可靠性。
而随着技术和工艺的提高,目前我国所使用的真空断路器型号主要有ZN28型、西门子公司的3H2型等,而断路器的检修开始逐渐由周期检修转变为状态检修,此外除了个别真空断路器外,大部分真空断路器的检修间隔时间都可以调整为4~6年。
1.4监测方式的发展与选择
真空断路器的检修每年会花费大量人力财力,由于检修失误而造成事故的报道时有发生,有关资料表明,超过11%的断路器故障的起因是检修不当,而且以往的离线监测的方法会影响用户的用电质量。
作为传统设备的监测管理方式中最早使用也是最为普遍使用的一种方式,离线监测指的是对传统的设备进行规定期限的周期检查,在设备停止运行之后对设备的各种参数进行检查,从而查找出其已有的的问题和可能发生的状况,离线监测也由于自身所具有的诸如投资力度小、检测面宽以及检测设备较为简单且使用方便等诸多优点,所以离线监测在我国采用相对广泛,但是其缺点也比较明显,比如其反应相对迟钝,无法检测出设备在运行状态时的问题,而且离线监测数据不全,而数据不全对设备的状态分析和维修决策可能会造成重大事故;相对的,在线监测是在运行电压下对设备进行实时监测,在实现测量和分析自动化的同时,在线监测摆脱了周期性的缺点,由此可以提高设备使用的可靠性以及检测工作的效率,还可以避免盲目停电,有些重要的电气设备无法轻易停止运行,这时也需要在线监测来实时监测。
虽然在线监测有很多优点,但是以目前的技术和状况来看,离线监测所具备的优点还是让它成为目前监测手段的主体,特别是在设备离线情况下的参数测量可以为设备的检修提供必要数据,随着技术的发展与进步,在线监测在逐步取代离线监测而成为主要监测方式的同时,离线监测过程中的不足在线监测也可以很好的弥补,所以为了保证电力系统的正常运行和供电可靠性,在检测方式选择时,必须综合考虑两种监测方式的优缺点,避免盲目选择而造成问题。
1.5章节小结
本章主要介绍了真空断路器在电力系统中被广泛使用的原因及意义通过分析其检修现状引出真空断路器的在检修方面存在的问题,并且通过比较说明了在线监测的优越性,从而简述了本题目提出的目的和背景。
2关于真空断路器的研究
2.1真空断路器简介
真空断路器指的就是其灭弧室高度真空,其触头间隙的灭弧介质也保持高真空,在中压开关无油化的进程中,真空断路器越来越普及,同时作为电力系统中最重要的开关设备之一,真空断路器既有控制功能同时还有保护功能,它直接影响到供电的可靠性,同时还影响电网的正常运行。
2.1.1真空断路器的发展
断路器的发展史即是灭弧介质和材料的发展史,早在上个世纪初,真空状态就早已经被认为是可以作为灭弧介质,只是当时的真空密封技术落后,高真空度无法实现,同时冶炼技术也还不够成熟,导致真空作为灭弧介质的想法无法实现,但是随着陶瓷灭弧室外壳技术跟铜钴触头材料等技术的出现,直到上世纪七、八年代以后,真空断路器的发展才开始有了里程碑式的进步,比如其开断电流能力和降低截流值的能力大大增强,同时其抑制过电压能力以及小型化和寿命提高等方面都开始有了进步和提高,并且引领了开关设备无油化的进程,开始逐步替代常规的油断路器,并且开始逐步挑战六氟化硫断路器的主体地位。
同以往的油断路器相比,真空断路器具有很多优点,比如结构相对简单,寿命较长,检修间隔长等,同时它对于环境污染较低,体积较小,同时其更适合于频繁操作,跟同类型的SF6断路器相比具有很大的优势,所以真空断路器开始逐步取代常规断路器。
2.1.2真空断路器的特点
真空断路器的工作原理是其触头在操作机构的作用下合、分闸操作时,动导电杆上下波动,波纹管被压缩或拉伸,使真空灭弧室内的真空度得到保持[1]。
当断路器分闸时,触头间产生电弧,触头表面在高温下挥发出金属蒸气,由于触头设计为特殊形状,在电流通过产生磁场,电弧在此磁场力的作用下沿触头表面切线方向快速运动,在金属圆筒(即屏蔽罩)上凝结了部分金属蒸气,电弧在自然过零时就熄灭了,触头间的介质强度又迅速恢复起来[1]。
由于真空断路器的结构和工作原理,其优点有以下几点:
(1)触头开距小,其触头开距很小,所以在断路器动作时机械行程小,从而使其能耗降低,这样就可以加长断路器的使用寿命。
(2)其燃弧时间极其短。
(3)体积小、重量小、污染小、噪声小。
(4)开断容性电流能力较强。
(5)电弧熄灭后,其触头间的介质强度可以迅速恢复,所以其开断性能优良。
(6)其触头在开断电流时的磨损量较小,因此其触头的电气寿命较长,在满容量时开断可达40次左右,额定条件下开断次数可达五千次以上,所以适合需要频繁操作的场景。
由于以上诸多优点,真空断路器在电网中使用变得流行,并且在长期改进和发展过程中也衍生出很多型号。
同时,真空断路器也有无法避免的问题:
(1)操作过电压:
其在工作时可能会产生较高的过电压,包括载流过电压跟电弧过电压,所以必须要防止和抑制过电压,方法有可以在国定范围内加大接触开距,从而防止电弧过电压,同时要装设安装避雷装置等保护装置来进行保护和预防。
(2)真空灭弧室漏气问题:
由于真空断路器的长时间的使用,其开断次数会增加,再加上天气等其他因素的影响,其真空灭弧室可能会漏气导致真空度下降,它的耐压水平和开断电流能力可能会受到影响。
虽然以目前常用的灭弧理论和触头材料可以一定程度上降低触头的损耗,但是一旦导电杆同心度不匹配的话,就会使真空灭弧室的机械稳定性受到影响,从而漏气导致其真空度下降,灭弧室无法正常使用。
所以为保证真空灭弧室的封接强度避免漏气,就必须要调整好导电杆的同心度。
(3)温升:
真空断路器的温升产生的主要原因是回路电阻,而灭弧室的回路电阻通常要占回路电阻的50%以上[2]。
由于在触头跟外壳之间的间隙形成了热绝缘,因而产生的热量只能通过动、静导电杆向外部散热;真空灭弧室静端直接与静支架相连,动端则通过导电夹、软连接与动支架相连。
由于动端连接环节较多,导致导散热路径变长,所以温升的最高点多集中于动导电杆与导电夹搭接部位;在实际应用中,应结合过载能力差的特点,严格控制负荷电流,使其低于额定电流[2]。
(4)合闸弹跳:
在真空断路器合闸时的时候,其触头刚接触到触头稳定接触的时刻为止的时间被称为合闸弹跳时间,实践及理论分析均表明,它是影响灭弧室电寿命的重要因素[2]。
但由于合闸弹跳时间远小于合闸过程中电弧燃烧时间,而在一定范围内,弹跳最主要的危害是加速触头的摩损,可能会导致真空灭弧室的电寿命缩短,合闸弹跳是由于动静触头的非弹性碰撞引起的,弹跳值的大小跟很多因素有关,诸如触头弹簧的弹力、合闸速度、开距、触头材料、安装、调试质量、零部件的加工精度等等[2]。
2.2真空断路器的主要结构
真空断路器的组成部分主要有真空灭弧室、绝缘和操作机构等,如图2.2。
2.2.1真空灭弧室
按照开关型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空灭弧室、中间封接杯状纵磁场小型化真空灭弧室、内封接式玻璃泡灭弧室,其基本结构如下[3],如图2.1:
图2.1真空灭弧室结构图
(1)气密绝缘的外壳:
真空灭弧室需要保持高度真空状态,所以真空灭弧室必须是一个气密性良好的封闭系统,除了由诸如陶瓷灯绝缘材料制成的气密外壳外,还有盖板以及其他部分,共同组成一个封闭的绝缘系统,因此在早期虽然已经提出真空断路器的构想,但是焊接技术和材料的选择不成熟导致其无法实现。
(2)屏蔽系统:
屏蔽罩是真空灭弧室中不可缺少的元件,并且有围绕触头的主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压用屏蔽罩等多种。
而主屏蔽罩在其中会起到很重要的作用,即为:
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