《真空断路器永磁机构机械振动在线监测装置的研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《真空断路器永磁机构机械振动在线监测装置的研制（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、引言近年来，一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的新型操动机构(永磁机构)引起了开关行业的关沣并成为电器制造企业和运行部门研究的热点。真空断路器配用永磁机构后，不仅可以进一步提高可靠性，满足免维护的要求，而且通过采用电子或微机系统来对分合闸线圈进行控制，可以实现开关的智能操作、同步开断、同步关合。永磁机构真空断路器由于具有诸多优点，能够满足供电部门的运行要求，因此受到国内外许多断路器生产厂家的青睐。高压断路器在电力系统中具有控制和保护双重功能，是电力系统一次设备中检修、维护工作量最大的设备之一。有关资料表明，开关的维修费用占变电站总维修费用的一半以上，而且大部分用于断路器到的小修和定期检
2、查上；由于检修不当引起的事故时有报道，据统计有10%的断路器故障是由检修不当所致。以在线监测为前提的状态检修体制，克服了“到期必修，修必修好”的盲目性和强制性。美国、日本及前苏联等国早在20世纪五六十年代就开展了电力开关设备在线监测的研究工作，开始由定期检修状态检修转变。我国自80年代以来，在变电站高压设备在线监测、故障智能诊断方面也进行了大量的研究工作，取得了 成果，逐步积累了一些经验，为开展状态检修打下了良好的基础。作为电力系统控制和保护设备，高压断路器动作的可靠性对供电可靠性有着极大的影响。影响高压断路器可靠件的一个主要因素就是其操动机构的可靠性。据国际大电网CIGRE对断路器故障凋查的
3、统计结果可知，断路器70.3的故障是由于操动机构的机械故障引起的。开发针对永磁机构断路器的机械特性在线测试装置对于判断永磁操动机构机械特性、提高其可靠性具有重要的意义。断路器在分合闸操作中所产生的振动信号是一系列无规则的信号量，这些振动信号中还会夹杂着各种各样的噪声干扰和随机振动。断路器的机械振动信号是典型的带有噪声的非平稳信号，分析比较困难。传统的机械振动信号处理方法采用傅立叶变换进行分析，基于傅立叶变换的FFT频谱分析在全频域范围内分辨率理论上可达无穷大，但时域分辨率为零，因此不适合对非平稳信号进行分析。小波变换具有“变焦”的特点和良好的时频局部化特性，可以把信号在空间和频域上局部化。近年
4、来，小波分析在电力系统故障诊断、信号消噪等方面得到广泛的应用。实践证明，利用小波变换分析振动信号能取得更好的效果。在线监测的关键是综合考虑各种监测方法现场实施的难易程度和成本，既要保证监测系统本身不过与复杂。针对以上状况，结合电气设备的现代检修体制由“计划性检修”向“状态检修”转变的实际情况，设计出一种性能可靠、实用价廉的在线检测装置是实现真空开关状态检修的必须解决的前提条件。本文以快速信号处理（DSP）芯片为核心，利用加速度传感器测量振动信号，研制了一套用于永磁机构真空断路器的机械特性在线监测装置。1 绪论1.1 课题背景及研究意义现代社会对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，电力系统中各种
5、器件和装置的工作性能是保证质昔和可靠性的关键。断路器是电力系统中关键器件之一，起着承载、关合、分断正常电路以及切除故障电路的重要作用，其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定和自动化程度将产生深远的影响。目前，真空断路器在12405kV的中压开关设备领域占有优势地位；而在72.51lOOkV的电力开关设备中，由于SF6气体是一种强温室效应气体，而SF6断路器被限制使用，所以真空断路器的应用领域已经从中压等级发展到更高的电压等级。高压断路器作为电力系统中最重要的设备之一，肩负着控制和保护的双重任务，其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。国际大电网会议及我国电力研究院关于高压断路器故障的统计调查显示
6、，断路器的大多数故障(主要故障的70 %和次要故障的86%)发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等。目前对高压断路器性能的检查， 主要是在交接和停电，结合大、小修进行预防性试验，检查其绝缘状况和操动机构的机械特性，对断路器的维修则基本上采用预防性维修即定期更换零部件进行大修的方法。这样不能及时发现事故异常征兆，而且过度的拆卸检修反而会影响断路器的正常运行，增加事故率。所以对高压断路器的运行状态实施在线监测，及时了解其运行工况，实现从“预防维修”到“状态检修”的转变，对断路器进行在线监测可对其运行中的各种重要参数能进行长期连续的在线监测，不仅可以提供设备现有的运行状态。而且还能分
7、析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障的先兆，提高运行可靠性，为设备的状态维修提供依据。1.2 论文研究的内容设计真空短路器永磁机构在线监测样机，以达到对真空断路器永磁机构实时监测，分析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障的先兆，提高运行可靠性，为设备的状态维修提供依据。采用加速度传感器提取真空断路器永磁机构机械振动信号，运用美国TI公司生产的DSP芯片TMS320LF2407A控制信号的采集、存储并实时分析处理，通过RS232串行通信接口上传至PC机，利用MATLAB软件对信号进行小波分析，分解和重构振动信号，从而判断有无存在故障的先兆，提高运行可靠性，为设备的状态维修提供依据。本文
8、一共分为五章。第1章为绪论，主要介绍本课题研究的背景和意义以及要研究的主要内容，指出了高压断路器在线监测发展，阐明课题研究的必要性。第2章介绍系统总体方案的设计，即传感器的选择、控制芯片选择、小波分析从理论上简述基本的设计。第3章主要阐述各个部分硬件电路的设计，分析各个部分所用元器件的性能参数，在本次电路设计中的作用。第4章主要介绍系统程序的设计，主要是以DSP为核心的A/D转换、数字滤波、存储及串行通信程序。第5章主要介绍信号处理方法及相关程序编写，完成对振动信号故障特征值提取。2 系统设计的总方案2.1 永磁机构的工作原理永磁机构就是用永磁体实现合闸保持和分闸保持(有时只作合闸保持而不作分
9、闸保持)的一种新型的电磁操动机构。永磁机构根据永久磁能所处于的保持位置可分为双稳态和单稳态机构。双稳态是指动铁芯在开断与关合行程的2个位置，不需要任何能量或锁扣即可保持;单稳态是指永久磁能只处于1个位置的保持。双稳态可以采用单线圈，双稳态双线圈永磁机构结构简图如图2-1所示。永磁机构有个主要部件，其中静铁芯为机构提供磁路通道，动铁芯是整个机构中唯一可移动部件，永久磁铁为机构提供保持时所需的动力。当断路器处于合闸或分闸位置时，动铁芯在最上端或最下端，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、下极限位置，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
10、生磁势，动、静铁图2-1 永磁操动机构结构简图芯中的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成，使动铁芯完成开关的分合任务。单线圈永磁机构与双线圈永磁机构的结构和动作很相似，但是在分闸操作时需要储能弹簧。双线圈双稳态和单线圈单稳态永磁机构的共同之处，即合闸操作和保持是相同的，而分闸时是不同的。双稳态单线圈机构的合闸过程与线圈机构相同，但同时要给分闸弹簧储能，故此合闸时需要的能量较大，分闸时给线圈通以反向电流，使合成磁场为零，靠触头弹簧和分闸弹簧所储存的能量进行分闸。2.2 永磁机构与真空断路器的配合每一种真空断路器都有其固有的分合闸负载特性，永磁真空断路器是一种动作时间分散性小和精确动作的
11、断路器，所配的永磁机构应该有相应的出力特性。真空断路器的反力特性与油断路器、SF6断路器不同。真空断路器的触头行程很小，触头接触只需要很小的驱动力；触头开合时，就需要很大的驱动力来压缩触头弹簧。因此真空断路器的反力特性在触头接触瞬间有大幅度的正向突变。12kV真空断路器合闸后的触头反力常常超过10 kN。真空断路器所要求的平均合闸速度一般为0.60.8m/s。真空断路器配用永磁机构后，不仅可以进一步提高可靠性，满足免维护的要求，而且永磁机构动作时间分散性小，分合闸时间的精确度能满足同步开关的要求。同步开关是主触头在电压过零时闭合，在电流过零时断开的断路器。断路器的同步关合可以减小甚至消除电容器
12、组和变压器的合闸电流和过电压，提高电力系统的稳定性。2.3 断路器合闸振动信号的特点高压断路器是一种瞬时动作电器，平常处于静止状态，只是在执行分合闸命令时才快速动作，从而产生强烈的振动，其振动信号有以下特点：（1）振动信号是瞬时非平稳信号，不具有周期性。有效信号出现的时间非常短，通常在数十到数百毫秒之间。（2）振动是由于操动机构内部各构件的受力冲击和运动形态的改变引起的，在断路器的一次操作中，有一系列的构件按照一定的逻辑顺序启动、运动、制动，形成一个个振动波，沿着一定的路径传播，最终到达传感器的是一系列衰减振动波的叠加，不同的结构和不同的运动特性将产生不同的叠加波形。（3）断路器的机构对振动信
13、号的传递过程是复杂的，冲击(振源)位置与测量位置的变更都会显著地改变实测振动信号的特性。2.4 传感器的选择工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的
14、高低来评定。最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。2.4.1压电加速度传感器简介压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声
15、、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。2.4.2 压电加速度传感器的工作原理图3-2为压电加速度传感器的原理图。图2-2 压电加速度传感器它由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的，惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物
16、体的加速度。2.5 控制芯片DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5） 快速的中断处理和硬件I/O支
