【正文】 熱量為： （）式中：――表面黑度，也稱為輻射率； ――斯忒藩－波爾茲曼常數(shù)， 108 A ――物體的輻射表面積[ ]； ――發(fā)熱體的絕對(duì)溫度[K]； ――受熱體的絕對(duì)溫度[K]。只能在流體中進(jìn)行。 由以上分析可知，影響接觸電阻的因素很多，要精確計(jì)算接觸電阻是很困難的，通常只能由經(jīng)驗(yàn)公式估算。斷路器導(dǎo)電回路的電阻由兩部分組成，即: （） 式中： ――導(dǎo)電回路各接觸部分的接觸電阻； ――交流附加損耗系數(shù)，與趨表效應(yīng)（集膚效應(yīng)）有關(guān)。它能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)斷路器的各相電磨損與電壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。從表中可看出，當(dāng)很小時(shí)，斷路器的允許開(kāi)斷次數(shù)會(huì)很大，當(dāng)為10%時(shí)，允許開(kāi)斷次數(shù)達(dá)5100次；%時(shí)，允許開(kāi)斷次數(shù)正好為3000次。設(shè)額定短路開(kāi)斷電流下單次開(kāi)斷的絕對(duì)電磨損為，對(duì)應(yīng)的允許開(kāi)斷次數(shù)為 （一般為20次）。關(guān)于它的抗干擾能力較差的問(wèn)題，也給予了處理，本文略。 定量分析如下： （） 上式中設(shè)為正弦波有效值； 式（）將最大斜率算法拆分兩部分，現(xiàn)在分別討論頻率變化對(duì)它們的影響。b、直流分量對(duì)算法的影響 以上討論了算法本身的誤差，現(xiàn)在討論在短路時(shí)衰減的直流分量對(duì)算法的影響。現(xiàn)在就最大斜率算法的推導(dǎo)過(guò)程和在頻率偏移、直流分量等因素影響下的誤差分析作簡(jiǎn)介如下： 在電路設(shè)計(jì)中我們使用的A/D 轉(zhuǎn)換器是MSP430 單片機(jī)自帶的，它是單極性A/D，所以在轉(zhuǎn)換交流信號(hào)時(shí)，我們將輸入的CT交流電流信號(hào)i變成交流電壓信號(hào)u后，這樣處理的結(jié)果最大斜率點(diǎn)并沒(méi)有發(fā)生變化。另外，大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，從斷路器累計(jì)電磨損的角度考慮，雖然燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)單次開(kāi)斷是隨機(jī)的，但對(duì)多次開(kāi)斷，其平均燃弧時(shí)間則是趨近的(20 次開(kāi)斷與30次開(kāi)斷的平均燃弧時(shí)間有幾乎相同的標(biāo)準(zhǔn)差)。該診斷過(guò)程是由監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成的。以126 型 高壓斷路器為例，它的合閘同期時(shí)間是小于4ms，分閘同期時(shí)間小于2ms。即三相弧觸頭全接觸開(kāi)始到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置的位移量之差。具體作法為：從合閘前的穩(wěn)態(tài)位置到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭合閘行程；從分閘前的穩(wěn)態(tài)位置到分閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭分閘行程。 a、合、分閘時(shí)間的確定 首先需確定的時(shí)間量為合、分閘時(shí)間。旋轉(zhuǎn)光柵是輸入軸角位移傳感器，圓光柵在光電斷續(xù)器中旋轉(zhuǎn)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。其工作原理如下： 把旋轉(zhuǎn)光柵安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度、行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 （4） 觸頭分、合狀態(tài)信號(hào)（由主回路電流間接反映）。然后將各機(jī)械特性參數(shù)用圖中的參量點(diǎn)表示出來(lái)。 合閘最大速度：合閘全過(guò)程中的最大速度。 各機(jī)械特性參數(shù)定義如下：合閘時(shí)間：從合閘回路有電流開(kāi)始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時(shí)間間隔。目前，國(guó)內(nèi)一些單位和廠家仍在改進(jìn)該類產(chǎn)品，以期能用于各種斷路器，以及進(jìn)一步提高測(cè)量精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性等，并進(jìn)一步改進(jìn)操作。 80年代末90年代初，通過(guò)模擬數(shù)字電路技術(shù)的運(yùn)用，先后研制投產(chǎn)了集箱式斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議對(duì)高壓斷路器可靠性所做的兩次世界范圍的調(diào)查和我國(guó)電力科學(xué)院對(duì)高壓開(kāi)關(guān)事故的統(tǒng)計(jì)分析均表明，高壓斷路器故障80%是機(jī)械的原因[14]。 論文主要工作及取得的成果 在該論文中，我們主要完成以下工作： （1） 通過(guò)對(duì)機(jī)械特性參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)來(lái)判斷斷路器的工作狀態(tài)。 （5）SF6壓力檢測(cè)。1992年吉林電業(yè)局曾立項(xiàng)“斷路器機(jī)械性的監(jiān)測(cè)”和“GIS 局部放電特高頻在線監(jiān)測(cè)”，1995年清華大學(xué)高壓教研室研制了CBA1 高壓斷路器參數(shù)測(cè)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)合、分閘電流、行程曲線及振動(dòng)信號(hào)。狀態(tài)維修克服了計(jì)劃?rùn)z修的盲目性，同時(shí)也最大化的節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。在電力系統(tǒng)中由于高壓斷路器的造價(jià)與變壓器、發(fā)電機(jī)等電力元件相比較為便宜，且其故障時(shí)所造成的危害不如電容性設(shè)備嚴(yán)重，因此雖然在變電和配電系統(tǒng)中，它所造成的非計(jì)劃停電和事故無(wú)論從時(shí)間和數(shù)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它電力元件，但直到90年代以后高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)才逐漸發(fā)展起來(lái)。 （2）系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)地連續(xù)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理、人工智能和測(cè)試技術(shù)的日趨完善，在短短的幾十年時(shí)間里在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。70年代加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國(guó)家的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始起步，并得到迅速發(fā)展。 高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)將為GIS （GAS INSULATED METAL ENCLOSED SWITHGEAR）“氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)”的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。[1] 是造成的停電時(shí)間，都占據(jù)總量60％以上 。 綜上所述，該課題的目的和意義在于： (1) 為高壓斷路器由計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件，最大化地節(jié)省不必要的檢修開(kāi)支和停電時(shí)間，提高供、電配電可靠性。各單位相繼研制了不同類型的監(jiān)測(cè)裝置。 （2）對(duì)變電站的整個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視和診斷。 （5）監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)具有較好的可靠性和重復(fù)性以及合理的準(zhǔn)確度。從這種意義上講，加強(qiáng)對(duì)諸如高壓斷路器等高事故電力元件的在線監(jiān)測(cè)是減少損失的最佳途徑。GIS具有占地面積小、維護(hù)工作量少、故障率低、不受環(huán)境條件影響以及運(yùn)行性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外電力部門(mén)的公認(rèn)，目前已成為高壓配電裝置的一個(gè)發(fā)展方向（我國(guó)第一套110KV的GIS 于1971年研制成功，1973年投入運(yùn)行）。 國(guó)內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀 目前，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，一些新理論、新技術(shù)、新檢測(cè)手段正在被開(kāi)發(fā)、運(yùn)用。 顯然，檢測(cè)手段一直是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心工作，目前、國(guó)內(nèi)外都在致力于檢測(cè)手段的開(kāi)發(fā)和研究。 （4） 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，我們選用了美國(guó)TI公司最新推出的一種功能強(qiáng)大的單片機(jī)MSP430[10，11]。因此，對(duì)高壓斷路器實(shí)施狀態(tài)診斷或?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解其運(yùn)行狀況，掌握其運(yùn)行特性及變化趨勢(shì)，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性極為重要。國(guó)外在這方面的研究較早，目前已有功能齊全、抗干擾性能高的成熟產(chǎn)品，如美國(guó)DOBLE公司開(kāi)發(fā)研制的TR3000 型數(shù)字式斷路器試驗(yàn)系統(tǒng)。因此，為了更好的了解斷路器的工作狀況，對(duì) 斷路器的機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是一種很好的途徑。 超行程：從所有極觸頭都接觸開(kāi)始到合閘穩(wěn)定位置為止的位移量之差。 分閘平均速度：分閘過(guò)程中中間80％行程的平均速度。 機(jī)械特性參數(shù)的采集 斷路器機(jī)械特性參數(shù)包括行程、速度和時(shí)間三種參量，而行程又為速度和時(shí)間的乘積，所以在斷路器的參量求取中，我們至少要知道兩個(gè)量才能得出斷路器的機(jī)械特性參數(shù)。 斷路器的分、合閘過(guò)程瞬間即可完成，故此要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性極強(qiáng)。這樣，根據(jù)某一行程處的孔距△ｓ和對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)周期T，即可求得該行程處的平均速度V，從累計(jì)脈沖數(shù)又可求得行程。其中中存放正向移動(dòng)的位移量，中存放反向移動(dòng)的位移量。由于起始的依據(jù)是判合、分閘電磁鐵線圈中有電流通過(guò)，所以啟動(dòng)電流的定值（即門(mén)坎值）的大小將影響著測(cè)量精度，也影響著測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定度。故此可以 通過(guò)捕獲得到行程全程中任一行程位置點(diǎn)在分、合閘操作中發(fā)生的時(shí)刻。太大則造成起始點(diǎn)選取不精確，太小則降低抗干擾能力。 d、速度的確定 剛合、剛分速度可以由輔助接點(diǎn)變位后10ms 內(nèi)的平均速度來(lái)反映；平均速度在已知行程長(zhǎng)度（例如126 斷路器的行程為145mm152mm[10，11] 情況下，由計(jì)數(shù)器﹑的捕獲功能 得到行程的10％和90％位置，算出該段中間的平均速度即為斷路器的平均速度；然而，最大速度在該電路設(shè)計(jì)情況下無(wú)論如何是無(wú)法知道的。分、合閘時(shí)間和分、合閘速度參數(shù)的變化反映機(jī)械機(jī)構(gòu)的卡澀；行程、超行程間接反映斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)工作情況；滅弧觸頭的剩余長(zhǎng)度反映電磨損；同期反映滅弧觸頭的平整度及燒損情況?；谠摲椒ㄩ_(kāi)發(fā)的裝置與傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更能準(zhǔn)確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實(shí)施。設(shè)相鄰兩采樣點(diǎn)的表達(dá)式為： = sin（ +）+ （） = sin（ ++）+ （） 兩點(diǎn)的差分方程為： = （） = 現(xiàn)取差分最大值直接等于來(lái)分析誤差產(chǎn)生的原因： （） =由上式可得： = （） 所以只有當(dāng)（）式恒成立時(shí)，用（）計(jì)算交流信號(hào)有效值才是沒(méi)有誤差的。短路電流導(dǎo)數(shù)極值在穩(wěn)態(tài)時(shí)為314即100π；，此時(shí)的斜率為： （）此時(shí)衰減直流分量帶來(lái)的最大誤差為： （）而且，一般的開(kāi)斷操作都發(fā)生在短路后至少60ms 以上，我們可以計(jì)算在短路發(fā)生3周期后的t=： （）此時(shí)誤差為： （） 從以上推導(dǎo)和仿真結(jié)果都可以看出，短路時(shí)的衰減直流分量對(duì)最大斜率算法的精度影響極小。 (2) 頻率變化對(duì)算法的 環(huán)節(jié)的影響： 前面分析已知在兩個(gè)能夠使取得最大值的區(qū)間和內(nèi)部都有且只有一個(gè)點(diǎn)，且兩個(gè)區(qū)間等價(jià)。a 觸頭相對(duì)電磨損[26]與相對(duì)電壽命觸頭的磨損系指多次開(kāi)斷閉合后，觸頭接觸表面逐漸損壞(變形、燒毛、材料脫落等)的現(xiàn)象。然后根據(jù)不同斷路器的N—Ic 曲線，求得任意大小開(kāi)斷電流Ic對(duì)應(yīng)允許開(kāi)斷次數(shù)N，則對(duì)應(yīng)的單次開(kāi)斷的絕對(duì)電磨損為M，相對(duì)電磨損為1/N(定義為Q)。事實(shí)上，斷路器的額定開(kāi)斷（短路）電流和額定（工作）電流之比都大于10，也就是說(shuō)，在分?jǐn)喙ぷ麟娏鲿r(shí)，只需要記錄分?jǐn)啻螖?shù)，即只考慮機(jī)械壽命；只有在開(kāi)斷短路電流（大于12％的額定開(kāi)斷電流）時(shí)才考慮電壽命。當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)發(fā)熱是不可避免的，隨著斷路器壽命的延長(zhǎng)，主觸頭的機(jī)械磨損和電磨損逐漸積累而表現(xiàn)為接觸電阻不斷增大而使斷路器的主觸頭溫度不斷升高。所以，影響接觸電阻的因素有兩個(gè)：第一、由于接觸面不平整，電流通過(guò)的實(shí)際接觸面減小了，也就是說(shuō)電流在接觸面附近發(fā)生了收縮；第二、接觸表面可能被一些導(dǎo)電性能差的物質(zhì)覆蓋，使電阻增大。與電阻損耗相比鐵磁損耗較小，且可以通過(guò)改用非磁性材料或者采用非磁性間隙來(lái)減小該損耗，一般計(jì)算中可以忽略不計(jì)。 熱傳導(dǎo)現(xiàn)象和電學(xué)中的導(dǎo)電現(xiàn)象是相似的，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：熱阻 對(duì)應(yīng)于電阻；熱流（即熱功率）對(duì)應(yīng)于電流；溫差對(duì)應(yīng)于電壓，所以有歐姆定律：=/，對(duì)應(yīng)于熱傳導(dǎo)公式：= /。則有： （）由上式可知： 主觸頭穩(wěn)態(tài)溫度為： （）主觸頭熱損耗為： 又因主觸頭的電阻發(fā)熱損耗計(jì)算公式： 式中：―― 交流附加損耗系數(shù)，與趨表效應(yīng)（集膚效應(yīng)）有關(guān)； ―― 斷路器負(fù)荷電流； ―― 斷路器導(dǎo)電回路的總電阻。 上述六個(gè)單元構(gòu)成一閉合系統(tǒng)，傳感器、變送器和設(shè)備在一起位于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于設(shè)備附近也在現(xiàn)場(chǎng)，該環(huán)節(jié)有與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信的能力；監(jiān)控計(jì)算機(jī)從通訊口得來(lái)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析和診斷，也可以對(duì)被監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行必要的控制或采取措施。通訊系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)總線是聯(lián)接單片機(jī)系統(tǒng)和上位監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸線路，目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為常用的通信總線有CAN和RS422/485，在該設(shè)計(jì)中我們選用了RS485接口。 （7）靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)（兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘）。且集成時(shí)鐘、集成LCD驅(qū)動(dòng)電路、集成A/D使硬件簡(jiǎn)化，所需外部元件極少。P1～P6：6個(gè)八位雙向多功能口，引腳復(fù)用，即每個(gè)口都可以設(shè)置口方式或者模塊方式，其中，PP2的全部引腳具有外中斷功能，可響應(yīng)16個(gè)中斷源。除此之外，內(nèi)置的參考電壓源（、）、時(shí)鐘、溫度傳感器以及電池低壓時(shí)的檢測(cè)電路可以減少外部器件數(shù)目，并且降低系統(tǒng)的整體成本。由于MSP430F149 的12位A/D是單極性的?，F(xiàn)僅將其功能簡(jiǎn)介如下： 安裝于斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸上的旋轉(zhuǎn)光柵片在主軸的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)， 電路，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位差為 的兩路方波脈沖A、B，其中：A超前B 為正向運(yùn)動(dòng)，為合閘；B超前A 為反向運(yùn)動(dòng)，為分閘。詳見(jiàn)第五章。 2）DS1820溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、。此外，X25043還具有片內(nèi)偶然性寫(xiě)保護(hù)，1MHz時(shí)鐘速率。每10個(gè)采樣點(diǎn)加起來(lái)計(jì)為一個(gè)采樣點(diǎn)，即每周12點(diǎn)。程序簡(jiǎn)述如下：如果有合、分閘令輸入，設(shè)置合、分閘標(biāo)志，主程序見(jiàn)到合、分閘標(biāo)后將進(jìn)入合、分閘時(shí)序記錄子程序；當(dāng)狀態(tài)輸入量是輔助接點(diǎn)換位時(shí)，則記錄輔助接點(diǎn)的時(shí)序位置和行程的位移位置，并且設(shè)標(biāo)志表示已經(jīng)進(jìn)入合閘或者分閘