【文章內容簡介】 c57 單片機進行了工頻絕緣試驗控制系統的研 究開發(fā) ,論文主要論述了應用單片機完成試驗過程的自動控制。控制系統的輸出電壓為 look。通過查看相關文獻看出 :對于試驗過程的計算機控制 (包括計算機系統和單片機 )已經有了一定的研究 ,但是沒有出現過實際運行的報道。對于試品擊穿或沿試品表面閃絡產生暫態(tài)恢復過電壓、出現強烈的電磁干擾和放電電流引起的地電位抬高時 ,應用計算機對試驗電壓和試驗電流進行測量 ,相關文獻做了一些研究工作 ,但對試品擊穿或閃絡產生暫態(tài)恢復過電壓時的瞬態(tài)保護研究較少。鑒于國內外的發(fā)展現狀 ,認為工頻耐壓控制系的設計與研究很有其實際意義。 課題研 究的主要工作內容 針對傳統手動控制系統以及工控機控制系統自身的不足 ,本文設計了一套以 PLC 為核心的新型工頻耐壓試驗控制系統。課題主要完成以下幾個方面的研究 : 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 6 (1)通過對常用高電壓測量方法進行分析比較 ,選擇合適的測量高電壓方法 。采用全波傅里葉算法對模擬試驗電壓諧波分量進行分析。 (2)控制系統的硬件設計 :包括控制系統主回路、手動控制回路、 PLC 控制系統、電壓電流測量電路、電源電路、電源濾波電路設計等。 (3)控制系統的軟件設計 :使用西門子公司 S7300進行包括數字信號、模擬信號的處理以及整個控制系統的編程 及調試。制作 WINCC 組態(tài)界面 ,配合硬件實現實時監(jiān)控試驗過程的功能。 (4)最后 ,對工頻耐壓試驗控制系統進行調試 ,驗證其綜合性能。 第二章 試驗原理及模擬試驗電壓諧波分析 第二章 試驗原理及模擬試驗電壓諧波分析 工頻耐壓試驗原理 工頻耐壓試驗接線圖如圖 所示。電源部分經過調壓器來改變電壓幅值 ,并加到試驗變壓器原邊 ,同時在試驗變壓器副邊產生一個高于試品正常工作的電壓 ,并加在被測試品的絕緣體上 ,持續(xù)一段規(guī)定的時間 ,如果其間的絕緣性足夠好 ,加在上面的電壓就只會產生很小的漏電流并且被測試品絕緣體在耐壓過程時間內沒有發(fā)生擊穿 ,就可以確定這個被測試品可以在正常的運行條件下安全運行。根據目前高壓測量技術達到的水平 ,我國國家標準和國際電工委員會的推薦標準都規(guī)定 :對于高電壓和沖擊電流的測量、除某種特殊情況外 ,誤差應在士 3%以內。在高壓測量中要達到達個要求并不是輕而易舉的。因此必須對測量系統的每個環(huán)節(jié)的誤差加以限制。用的低壓指示儀表的準確度至少為 級。所示對試驗方法的選擇是試驗成功的關鍵。 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 7 試驗電壓測量方法選擇 工頻耐壓試驗電壓值的確定考慮了電氣設備運行過程中可能遭受的雷電過電壓和操作過電壓的作用 ,因此它 比電氣設備的額定電壓要高得多。工頻耐壓試驗能有效地發(fā)現絕緣中危險的集中性缺陷 ,是檢驗電氣設備絕緣強度最有效和最直接的方法 ,但工頻耐壓試驗也會使有機絕緣中存在的絕緣弱點進一步發(fā)展。因此 ,選擇合適的試驗電壓值是一個重要的問題。一般考慮到運行中絕緣的老化及累積效應 ,對預防性試驗時的試驗電壓值規(guī)定比出廠時的要低一些 ,而且對不同情況的設備區(qū)別對待。工頻耐壓試驗的難點之一就是如何準確的測量試驗電壓 ,并把誤差控制在士 3%以內。電力運行部門測量交流高電壓 ,是通過電壓互感器和電壓表來實現的。把電壓互感器的高壓邊接到被測電壓 ,低壓邊跨接一塊電壓表 ,把電壓表讀數乘上電壓互感器的變比。就可得被測電壓值。但這種方法在高電壓實驗室中用得不多 ,因為高電壓實驗室中所要測的電壓常常比現有電壓互感器的額定電壓高許多 ,特制一個超高壓的電壓互感器比較昂貴 ,而且很高電壓的互感器也比較笨重 ,所以來用別的方法來測量交流高電壓。 在高壓實驗室中用來測量交流高電壓的方法很多 ,目前最常用的有下列幾種 : (1)利用測量球隙氣體放電來測量未知電壓的峰值。 (2)利用高壓靜電電壓表測量電壓的有效值。 (3)利用以分壓器作為轉換裝置所組成的測量系統來測量交流高電壓。 (4)利用整流電容電流測量交流高電壓的峰值。 (5)利用整流充電電壓測量交流高電壓的峰值。 本文分別對以上 5 種高電壓測量方法的優(yōu)缺點進行比較分析 ,選擇一種適合工頻耐壓試驗的測量方法。 球隙法測量 球隙法測量高電壓是試驗室比較常用的方法之一?？諝庠谝欢妶鰪姸认?,才能發(fā)生碰撞游離。均勻電場下空氣間隙的放電電壓與間隙距離具有一定的關 系?？梢岳瞄g隙放電來測量電壓 ,但絕對的均勻電場是不易做到的 ,只能做到接近于均勻電場。 測量球隙是由一對相同直徑的金屬球所構成。加壓時 ,球隙間形成稍不均勻石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 8 電場。當其余 條件相同時 ,球間隙在大氣中的擊穿電壓決定于球間隙的距離。對一定球徑 ,間隙中的電場隨距離的增長而越來越不均勻。被測電壓越高、間隙距離越大。要求球徑也越大 .這樣才能保持稍不均勻電場。由于測量球并不是處在無限大空間里 ,而是有外物及大地對球間電場發(fā)生影響 ,所以很難用靜電場理論來計算球間的電場強度和擊穿電壓 ,因此測量球隙放電的電壓主要靠試驗來決定。球隙法測量接線如圖 所示 RI 是保護變壓器用的防振電阻 。R:是與球隙串聯的保護保護電阻。保護電阻凡的作用是限制球隙放電時的電流 ,以免燒傷球的表面及阻尼放電時可能引起的振蕩 ,因此這個電阻應盡量大一些 ,但也應考慮在球隙擊穿之前流過球隙電容的電流應在電阻 R:上引起太大的壓降 ,從而影響測量的準確度 ,在測量交流電壓時 ,這個壓降不應超過 1%,一般按此要求確定保護電阻值如下 : R=K(50/f)Umax() 式中 :Umax 為被測電壓幅值 。f為被測電壓頻率 Hz。k 為常數可由表 查得。 測量時通過保護電阻將高電壓加在球隙上 ,調節(jié)球隙距離 ,使球隙恰好在被測電 壓下放電 ,根據放電距離 ,查相應的曲線制定球隙擊穿電壓表 ,即可求得所加電 壓的幅值。國際電工委員會 (IEC)制定有用球隙測量電 壓的標準數值表 ,表中給出了不同球徑的球隙在不同距離下的各種形式的放電電壓值。 最后 ,我們對測量球隙作為一種高電壓測量方法的優(yōu)缺點進行比較。其優(yōu)點是 : 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 9 (l)可以測量穩(wěn)態(tài)高電壓和沖擊電壓的幅值 ,是直接測量超高壓的重要設備。 (2)結構簡單 ,容易自制或購買 ,不易損壞。 (3)有一定的準確度 ,測量交流及沖擊電壓時準確度在士 3%以內。 球隙法測量的缺點是 : (1)測量時必須放電 ,放電時將破壞穩(wěn)定狀態(tài)可能引起過電壓。 (2)氣體放電有統計性 ,數據分散 ,必須取多次放電數據的平均值 ,為防止游離氣體的影響 ,每次放電間隔不得 過小。且升壓過程中的升壓速度應較緩慢 ,使低壓表計在球隙放電瞬間能準確讀數 ,測量較費時間。 (3)實際使用中 ,測量穩(wěn)態(tài)電壓要作校訂曲線 ,測量沖擊電壓要用 50%放電電壓 法 ,手續(xù)都較麻煩。 (4)要校訂大氣條件。 (5)被測電壓越高 ,球徑越大 ,目前已有用到直徑為 3m的銅球 ,不僅本身越來 越笨重 ,而且影響建筑尺寸。 (6)一般來說測量球隙不宜使用于室外 ,實踐證明 ,出于強氣流以及灰塵、砂土、 纖維和高濕度的影響 ,球隙法在室外使用時常會產生異常放電。 靜 電壓表 法測量 靜電壓表法測量原理是加電壓于兩電極 ,由 于兩電極上分別充上異性電荷 ,電極就會受到靜電機械力的作用 ,測量此靜電力的大小或是由靜電力產生的某一極板的偏移 (或是偏轉 )就能夠反映所加電荷的大小。 靜電電壓表有兩種類型 ,一種是絕對靜電電壓表 ,另一種是非絕對的靜電電壓表 ,由于絕對靜電電壓表結構和應用都非常復雜。在工程上應用較多的還是構造相對簡單的非絕對靜電電壓表 ,其測量不確定度為 1%一 3%。量程可達 IO00kV。此種測量表測量時可動電極有位移?？蓜与姌O移動時 ,張絲所產生的扭矩或是彈簧的彈力產生了反力矩 ,當反力矩和靜電場的力矩相平衡時 ,可動電極的位移達到一個穩(wěn) 定值。與可動電極相連接在一起的指針或反射光線的小鏡子就指出了 被測電壓的數值。靜電電壓表從電路中吸取的功率相當小 ,當測量交流電壓時 ,表計通過的電容電流的多少決定于被電壓頻率的高低以及儀器本身電容的大小 ,由于儀表的電容一般僅有幾皮法到幾十皮法 ,所以吸取的功率十分的微小 ,因此靜電電壓表的內阻抗極大。通常還可以把它接到分壓器上來擴大其電壓量程 ,目前國內已生產有 250500kV 的靜電電壓表。 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 10 靜電電壓表的優(yōu)點是它基本上不從電路里吸取功率 ,或是只吸取極小量的功率。但是靜電電壓表的測量也存在著明顯的缺點 : (l)容易 受到外界電場的干擾 ,同時靜電電壓表不能在有風的環(huán)境中使用 ,否則活動電極會被風吹動 ,造成較大的測量誤差。 (2)靜電電壓表的準確等級通常在 級左右 ,有一定的測量誤差。若其安放位置或高壓引線的路徑處置不當 ,往往會造成顯著的誤差 ,另外它攜帶不方便。否則活動電極會被風吹動 ,造成較大的測量誤差。所以一般被用于實驗室里測量 。 峰值電壓表法測量 峰值電壓表是用來測量交流電壓幅值的。目前應用較多的有兩種方法 :一種是利用電容電流整流來測量電壓峰值 。另一種是利用電容上的整流充電電壓來測量電壓峰值。 利用電容電 流整流測量峰值的原理圖如圖 所示。 被測高壓為 U,隨時間變化時 ,流過電容 C 的電流 ic_c 業(yè)。 dtdt。 U隨時間作正弦變化 ,i。在相位上超前于電壓 90。作正弦變化。 D,及 D:為兩個二個整流管 ,G 為檢流計。 i。為正半波時 ,電流經 D,及檢流計入地 ,當 i。為負半波時 D:導通 ,電流不經過檢流計。故一周期內通過檢流計的平均電流幾為 : 此時檢流計的讀數與電壓峰值成正比?？梢酝ㄟ^測量檢流計指示的平均電流幾來求得電壓的峰值。 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 11 利用電容器上的整流充電電壓來測量電壓峰值的原理如圖 所示。 被測交流電壓經整流管 DI 使電容充電至交流電壓的幅值 ,電容電壓可由靜電電壓表或微安表串聯電阻來測量。放電過程中電容兩端電壓為 : 式中 :以 為波動電壓最大值 。最小值為 Ue,平均電壓為 : 因為 TRC,故 因此 分壓器法測量 分壓器是一種將高電壓波形轉換成低電壓波形的轉換裝置 ,它由高壓臂和低壓臂組成。輸入電壓加在整個裝置上 ,而輸出電壓則取自低壓臂。通過分壓器 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 12 可以解決低壓儀器測量高壓峰值以及波形的問題。分壓器可以分為電阻分壓器如圖 所示 ,電容分壓器 ,阻容分壓器 ,由于工頻耐壓試驗很多時候電壓會很高 ,在使用電阻分壓器 和阻容分壓器時會產生雜散電容 ,影響測量的精度 ,同時電阻分壓器在工頻耐壓試驗中會消耗很多功率 ,所以在工頻耐壓試驗中 ,往往用到的分壓器是電容分壓器。用電容分壓器測量高電壓的原理是 ,將被測電壓通過串聯的電容分壓器進行分壓 ,測出其中低阻抗電容器上的電壓 ,再用分壓比算出被測電壓 ,如圖 所示 ,圖中 C,、 Q分別代表高電壓臂和低電壓臂的電容 ,測量儀表接在 Q 兩端 ,可以用高阻抗的交流電壓表或靜電電壓表測量電壓的有效值 ,也可以用峰值表測量電壓的峰值 。還可以用示波器觀察波形和測量電壓的峰值。 R 為并聯在 Q上的一個高電阻 ,可以用它 防止 Q在加壓前或加壓后所存在的殘余電壓 ll0]118]。假定被測電壓為 U,Q兩端電壓為 根據電流連續(xù)性原理 : 本文采用電容分壓器法測量試驗電壓 ,其中高壓臂電容量 CI=Zo0PF,低壓臂電容量 Q=1 林 F,額定電壓 550kv,額定頻率 50Hz,分壓比 5000:1。經過電容分壓器 , 我們可以得到 0l00V 的電壓信號 ,此電壓信號經過分壓、整流、濾波、放大、穩(wěn)壓后變?yōu)?0SV的滿足 57300 的 A/D輸入模塊要求的標準電壓信號。 對于測量工頻的分壓器 ,一般有以下的基本要求 : (l)分壓器接入被測電路基本不影響 被測電壓的幅值和波形。 (2)分壓器所消耗的電能不能太大。在一定的冷卻條件下 ,分壓器消耗的電 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 13 能所形成的溫升不應引起分壓比的變化。 (3)由分壓器低壓臂所測得的電壓波形與被測電壓波形相同 ,分壓比在一定的頻帶范圍內應與被測電壓的頻率和幅值無關。 (4)分壓比與大氣條件基本無關。 (5)分壓器中應無電暈及絕緣泄漏電流 ,或者說即使有極微量的電暈和泄漏 ,它們應對分壓比的影響很小。 (6)分壓器應采取適當的屏蔽措施 ,使它的測量結果基本上或完全不受周圍環(huán)境的影響。 工頻耐壓試驗主要設備 (l)試驗變壓器 交流高 電壓試驗設備主要是指高電壓試驗變壓器電力系統中的電氣設備 ,其絕緣不僅經常受到工作電壓的作用 ,而且還會受到諸如大氣過電壓和內部過電壓的侵襲。高電壓試驗變壓器的作用在于產生工頻高電壓 ,使之作用于被測試電氣設備的絕緣上 ,以考查被測試電氣設備在長時間的工作電壓及瞬時的內過電壓下是否能可靠工作。 因為試品大多為電容性的 ,當知道試品的電容量及所加的試驗電壓位時 ,便可計算出試驗電流及試驗所需的變壓器容量 ,部分試品電容量如表 所示。 試驗變壓器在原理上與電力變壓器并沒有區(qū)別 ,只是前者電壓較高 ,變比較大。試驗變壓器的運 行條件與電力變壓器有所不同 ,表現在以下幾個方面 : l)試驗變壓器在大多數情況下