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1、硕士学位论文开题报告高压开关动作特性测试仪的研制学 号：姓 名：导 师：教授学 院：电气工程学院专 业：电力电子与电力传动研究方向：电力电子技术日 期：2011年10月华东交通大学研究生处制目录一、课题的来源、目的和意义1二、高压开关动作特性测试仪的研究现状2三、本课题研究的主要内容和重点2四、技术方案2五、实施方案所需的条件9六、存在的主要问题和技术关键9七、预期能达到的目标9八、课题研究计划进度9九、研究经费预算10十、主要参考文献10文献阅读报告：关于高压开关动作特性测试系统的研究121 高压开关动作特性测试系统研究的必要性122高压开关简介123 嵌入式处理器134 传感器相关资料简介
2、165 嵌入式系统176 下位机硬件电路的设计197、下位机硬件设备驱动程序的设计268 测试仪的测试299 结论2910 参考文献29I华东交通大学硕士学位论文开题报告一、课题的来源、目的和意义高压开关是电力系统中最重要、最复杂的电器设备，它在电力系统中起着控制和保护的关键作用，它的可靠性及运行状况直接影响着整个电力系统的安全运行和供电质量，电力设备主要有：发电机、变压器、电动机、断路器、电力电容器、隔离开关及其它辅助设备。在电力设备投入运行后，在长期使用过程中由于材料老化变质、人才操作过错引起故障以及长期的疲劳运行等，会使性能下降，严重时会发生故障甚至引起整个电网的损坏。因此，在电力设备投
3、入运行后，维护和检修工作是保障设备正常运行的必要手段4。高压开关是电力系统中重要的电力设备，在供电线路出现故障时，高压开关必须及时、可靠的对故障线路进行切断或接通，以防故障扩大，确保电力系统安全稳定运行。为了保证高压开关动作的安全可靠，在高压开关生产、安装和调试的过程中必须对其动作特性进行严格的测试，测试参数主要包括分（合）闸时速度和行程等，并以此为根据来判断该开关质量是否合格，能否安全投入使用的重要依据。随着现代社会的发展，电网规模的不断扩大，用户对电能质量要求的不断提高，电力系统的安全运行就愈显得更加重要，因而对在电力系统中担负着控制与保护双重功能的高压开关提出了更高的要求，其状态的好坏直
4、接影响着电力系统的安全运行，所以开展高压开关的特性检测的研究是很有必要的。对高压开关进行检测，是实现设备预知性维修的前提，是保证设备安全可靠运行的关键。高压开关检测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修，盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力和财力，同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前，电力系统各个运行单位正致力于高压开关由计划检修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数作为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修依据。电力设备的检修要实现这种转变，测势在必行13。随着传感器技术和信息处理技术的发展，对高压开关的运行状态进行检测已经成为可能。这种方法能够及时发现开关的
5、缺陷，降低事故的发生率，减少开关预防性实验和检修的工作量及停电次数。因此为了确保高压开关的安全运行和提高电力系统运行的可靠性，以先检测为依据的维修逐步取代以预防性实验为依据的预测维修，或者弥补预防性实验的不足，延长预测维修的周期，这无论在理论和实用上都具有重大的技术经济价值。因此对高压开关进行检测的出现将会很好的解决这些问题。这种方法能够及时发现设备的缺陷，降低事故的发生率，减少开关预防性实验和检修的工作量及停电次数，确保高压开关的安全运行和提高电力系统运行的可靠性。对高压开关进行离线预防性检测，是实现设备预知性维修的前提，是保证高压开关安全可靠运行的关键。随着传感器技术和信息处理技术的发展，
6、对高压开关的特性参数进行检测已经成为可能。因此，对高压开关的特性检测的研究有着十分广阔的前景值得深入研究。二、高压开关动作特性测试仪的研究现状1、国内的开关机械特性测试装置主要是由科研院所，高校，以及一些相关的从业单位来进行开发生产。主要的产品有两类:一类是采用单片机作为主控芯片，虽然价格低，但由于受芯片技术和计算机技术的影响，曲线采样的幅值精度和时间精度都不高，而且曲线都在仪器自带的液晶显示屏上显示，无法进行深入精确的分析计算。另一类产品采用与国外产品相同的工业计算机加数据采集卡的模式，在性能上逼近了国外产品的水平，但是在成本方面，依然是居高不下17-18。2、国外的高压开关测试仪产品功能上
7、基本相同，对开关的机械特性参数都能做出准确的测量，但是它们的测试对象比较单一，只是针对几种特定型号的开关，不具有普遍性，而且超过30万的售价，是比较昂贵的。如果有多种型号的开关，配齐机械特性测试装置花费的代价非常大，并且仪器基本采用数据采集卡加工业计算机构成，体积比较庞大，不能适应户外的测量需求。纯英文的操作界面，对电力系统及断路器生产厂家的操作人员来说，使用相对比较困难1-3。三、本课题研究的主要内容和重点本课题主要是完成高压开关机械特性测试系统的下位机系统的设计。下位机能够通过USB功能模块与上位机进行通信，上下位机都能对信号进行分析处理和显示，得以判断高压开关的性能，保护电网的正常运行2
8、2-23。本文主要工作步骤及内容如下：1、 对高压开关测试装置进行系统性的分析，根据系统的需求制定相应的测试方法及参数，提出整体的设计方案。2、 下位机硬件电路的设计，围绕ARM处理器设计符合要求的处理器模块、存储模块、USB模块、LCD模块、信号采样模块及外围控制信号模块等一系列的功能模块电路，并给出详细的设计电路原理图。3、 系统的下位机软件设计。主要包括：启动程序的初始化及移植、嵌入式操作系统和图形系统的设计等。4、 对下位机进行调试和测试，对实验结果进行验证，以求进一步的优化。四、技术方案1、下位机系统功能的基本要求对高压开关测试系统需要进行系统性的分析，通过对高压开关动作特性的分析制
9、定出相应的可实现的系统需求，根据系统需求制定出下位机系统需要实现的功能要求，功能要求如下所示：（1）仪器自动识别分、合闸状态，防止用户错误操作。（2）能够实现断路器单分、单合、合分、分合分、分合分合分、合分合分操作。（3）可进行多断口测试，并可以选择将传感器安装任意一个断口，灵活设置。（4）既可以选择用直线位移传感器进行测量，也可以选择角位移传感器测量。（6）能准确测试出分、合闸线圈的电流峰值以及变化曲线。（7）可以根据“占总行程百分比”、“占开距的百分比”、“时间”、“行程”四种定义方式分别定义触头运动速度，满足各种速度测试要求。（8）能直接精确测量触头开距，并显示端口波形、反弹幅值、弹跳、
10、超行程、过冲等。2、高压开关机械特性参数的检测方案开关的机械特性参数是保证其正常工作的重要依据。机械特性参数可以从高压断路器的行程一时间曲线来定义和计算。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，而后返回到平衡点，形成一个振荡过程。高压断路器的机械特性参数是说明断路器是否正常工作的重要依据，根据国家标准高压交流断路器和高压开关设备常温下的机械试验中规定的机械特性试验的检测项目有：（1）行程：分合闸操作中，断路器动触头运动过程中相对于起始点的距离。（2）时间行程特性：分合闸操作中，断路器的动触头行程与时间的关系。（3）触头开距：断路
11、器处于分位置时，断路器一极的各触头之间或其连接的任何导电部分之间的总间隙。（4）超行程：合闸操作，断路器动静触头接触后动触头带动触头支架继续运动距离。（5）触头刚分速度：断路器分闸过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。（6）合闸速度：断路器合闸过程中动触头的运动速度。任取一段运动区间，（7）分闸速度：断路器分闸过程中动触头的运动速度。计算公式同合闸速度。（8）全程平均速度：断路器分合闸过程中，动触头的运动平均速度。（9）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的时间间隔。合闸时间包括开关合闸所必需的并与断路器组成一体的任何辅助设备的动作时间。（10）弹跳时间：在合闸过程中动静触
12、头接触后由于弹力，再经过反复弹跳后最终达到稳定的这段时间(指三相触头都已经稳定合上)。（11）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。（12）断路器合闸同期性：断路器合时各极间及(或)同一极各断口间的触头接触瞬间的最大时间差异。（13）断路器分闸同期性：断路器分时各极间及(或)同一极各断口间的触头分离瞬间的最大时间差异。（14）分-合时间(自动重合时)：重合闸操作时，从所有极的弧触头都分离瞬间起到首合极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。（15）合-分时间：在合操作中，从首合极各触头都接触瞬间起到随后的分操作时在所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔。除非另有说明，即认为与断
13、路器装在一起的分闸脱扣器是在首合极中各触头都接触瞬间通电。这种情况下的合-分时间是最短的合分时间。（16）时间-电流特性：在规定操作条件下，表示时间(例如动作时间)作为预期电流的函数的曲线。（17）电流峰值IMAX：所测量得到的电流的最大值。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。3、参数的测量方法和原理10-123.1 分、合闸时间及其他时间相关参数的测量方案首先要确定的是分、合闸时间。分、合闸操作起始瞬间的选择直接
14、影响着断路器机械特性参数的数值。本设计中，通过检测各断口开关量的状态，来计算断路器的分、合闸时间。具体做法是将断路器一侧通过上拉电阻接到高电平，另一侧接地，当触头分(合)时断口为高(低)电平，六路通道通过检测电平的高低来判断断路器的状态。同时为了去除干扰信号，在开关量信号输入微处理器芯片前，增加了光电隔离模块。其他与时间相关的特性参数，包括开关的合分闸同期性，合闸弹跳时间，分合时间以及合分时间都需要基于各断口开关量的状态来计算。3.2 行程参数的测量方案行程包括：开距，超行程和总行程，其中，总行程等于开距与超行程之和。只要确定了时间量和相对位移量，就可以依次求出这些参量。从合闸前的稳态位置到合
15、闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头合闸总行程；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，就是触头分闸总行程。超行程则随着开断次数增多而逐渐减小。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。因为采用的是同步中断采样的方式，时间量与位移量是一一对应的关系。因此只要在时间量上找到特殊变化：由合到分变化点，由分到合变化点，弹跳变化点，就可以对应的在位移量上找到相应的点，并由此计算出开距，超行程和总行程。行程测量方法：既不能影响机构原有的机械特性和绝缘特性，又要真实反映断路器的行程特性，同时还要便于安装。行程测量就是先由行程传感器将将行程量转换为电信号，然后再由A/D模数转换器将模拟量转换为数字量，最后由嵌入式微处理器完成数字量的采集。20世纪90年代，采用光栅传感器和有接点的滑动电阻传感器来测量高压断路器的行程，但最初光栅尺的间距在2mm及以上，只能粗略地测出高压断路器的行程特性。近几年来传感器技术发展很快，光栅尺的间距已从2mm发展到0.1mm，己经可以较准确地测得高压断路器在分、合闸过程中动态的行程特性曲线。与此同时，从国外购进的高精密度滑动电阻传感器也己用来测量高压断路器的行程特性。根据系统的
