【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。從起動(dòng)時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，到電氣主觸頭移動(dòng)到換位點(diǎn)的時(shí)間，即是合、分閘時(shí)間。關(guān)于換位點(diǎn)的確定不同文獻(xiàn)有不同的方法。在本設(shè)計(jì)中合閘換位點(diǎn)取三相有電流時(shí)刻，即滅弧觸頭全合時(shí)刻，分閘換位點(diǎn)取輔助接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)變位時(shí)刻。 b、行程、超行程的確定 在各點(diǎn)時(shí)間量和相對(duì)位移量確定的前提下，行程、超行程以及速度參量依次可求出。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。且合閘行程和分閘行程是相等的。事實(shí)上，當(dāng)斷路器型號(hào)選定后，行程參量也就確定了。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。超行程有主觸頭超行程和弧觸頭超行程兩種。主觸頭超行程幾乎沒(méi)有變化，而滅弧觸頭超行程則隨著開(kāi)斷次數(shù)增多而減小。所以，只有測(cè)量弧觸頭超行程才是有意義的，本文也只計(jì)算弧觸頭超行程?；∮|頭超行程起始于三相弧觸頭合而止于操作穩(wěn)態(tài)位置。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。這里的主要問(wèn)題是如何確定超行程的起始點(diǎn)，即如何有效的提取三相觸頭全合信號(hào)。本文采取的方法是在合閘過(guò)程中，從操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始判斷三相電流采樣值大小，如果都曾經(jīng)大于某一門坎值則認(rèn)為三相全合，所以門坎值的選取尤為重要。太大則造成起始點(diǎn)選取不精確，太小則降低抗干擾能力。 c、同期性的確定 合閘不同期時(shí)間指的是從首相合到三相全合之間的時(shí)間，可以由首相有合閘電流到三相有合閘電流之間的時(shí)間之差確定。關(guān)鍵問(wèn)題是：如何有效的提取首相開(kāi)始有電流和三相全部有電流信號(hào)。另外一個(gè)問(wèn)題是同期時(shí)間極短，如何在這么短的時(shí)間內(nèi)有效的得到上述數(shù)據(jù)。我們的采樣周期為1/6ms，A/D工作于中斷方式，采樣到首相合信號(hào)后就一直等待記錄三相合信號(hào)，故可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)量。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。這樣長(zhǎng)的時(shí)間里，必將有幾個(gè)采樣點(diǎn)落在該區(qū)間里，故此可以準(zhǔn)確測(cè)量。由于分閘時(shí)的電弧影響，分閘不同期時(shí)間很難確定，這里不再討論。 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。但我們可以從分、對(duì)126斷路器來(lái)講，中間80％斷路器的速度是恒定的，即剛速度、平均速度和最大速度是同一個(gè)速度。而我們可以精確測(cè)得平均速度，故本在線監(jiān)測(cè)裝置只給出平均速度。 機(jī)械故障診斷 對(duì)于電磁鐵操作機(jī)構(gòu)的斷路器，線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵芯行程、鐵芯卡滯、線圈狀態(tài)(如匝間短路)、分合閘線圈的輔助接點(diǎn)狀況與轉(zhuǎn)換時(shí)間。通過(guò)對(duì)分合操作線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行人員可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及鐵芯的運(yùn)動(dòng)有無(wú)卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助依據(jù)。該診斷過(guò)程是由監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成的。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備只是提供 數(shù)據(jù)給監(jiān)控機(jī)，由監(jiān)控機(jī)上運(yùn)行的專家系統(tǒng)軟件來(lái)完成分析過(guò)程。 對(duì)于非電磁操作機(jī)構(gòu)，只有靠機(jī)械特性參數(shù)來(lái)完成診斷工作。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。 觸頭電壽命在線監(jiān)測(cè) 在觸頭電壽命監(jiān)測(cè)方面，以往對(duì)電磨損的監(jiān)測(cè)是以記錄累計(jì)開(kāi)斷電流或累計(jì)電弧能量()為依據(jù)的。事實(shí)上，同一斷路器在同樣的外部條件下先后兩次開(kāi)斷同樣大小的電流值，其燒損程度也不可能相同，而且，開(kāi)斷電流相差很大時(shí)，斷路器觸頭的燒損機(jī)理不同，燒損相差更大。因此，用累計(jì)開(kāi)斷電流來(lái)判斷觸頭燒損量是不夠的；另外電磨損雖然取決于電弧能量，但還與觸頭分?jǐn)嗨俣鹊扔嘘P(guān)，且電磨損與電弧能量沒(méi)有比例關(guān)系。因此要對(duì)斷路器觸頭電磨損、電壽命監(jiān)測(cè)作進(jìn)一步研究，對(duì)斷路器觸頭進(jìn)行電壽命監(jiān)測(cè)需要解決電壽命的概念和工程實(shí)施方法問(wèn)題。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)。即隨機(jī)因素對(duì)燃弧時(shí)間分散性的影響從累計(jì)的角度來(lái)考慮可以忽略不計(jì)，也就是說(shuō)，斷路器的電磨損可以僅用開(kāi)斷電流作參照量。本文采用觸頭累積磨損量作為判斷電壽命依據(jù)的高壓斷路器觸頭電壽命監(jiān)測(cè)和診斷方法?；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。 分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法 由于不同開(kāi)斷電流時(shí)電磨損的差別很大，因此開(kāi)斷電流值的測(cè)量精度直接影響觸頭電壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。在被開(kāi)斷電流變化范圍寬、短路電流含有直流分量、短路電流大到一定程度時(shí)CT會(huì)出現(xiàn)不同程度的磁飽和等因素的影響下，恰當(dāng)?shù)倪x擇算法是很困難的。這些因素都直接影響開(kāi)斷電流測(cè)量的準(zhǔn)確性。 在這種情況下，我們選擇了最大斜率算法[20，21]來(lái)計(jì)算短路電流值?，F(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。a﹑最大斜率算法設(shè)處理后的輸入信號(hào)為： u = sin（ +）+ （） 則求導(dǎo)后則為： u′= cos（ +） （） 由求導(dǎo)結(jié)果可以看出， 處的做法將不影響該算法，無(wú)需在采樣后再做處理。 由上式可知，在 += 時(shí)為斜率最大點(diǎn)，此時(shí)有： = （） 所以有正弦波有效值計(jì)算公式： = = （） 因?yàn)樯鲜揭蟮臈l件是 += ，而離散采樣能夠正好采樣到 += 的幾率很小，現(xiàn)在仔細(xì)分析在這種情況下的算法精度。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。當(dāng)取每周12點(diǎn)時(shí)，式（）的右式： = （） 而 （）式的左 式 在 和內(nèi)部都有且只有一個(gè)點(diǎn)，且在該區(qū)段取得最大值。即： 1 （） 取每周12點(diǎn)時(shí)，則有： 1 （） 從以上分析可以看出，在每周12點(diǎn)時(shí)，（）式的左式恒不大于1，而其右式恒大于1，（）式的左式和右式不相等是產(chǎn)生誤差的原因。鑒于以上分析，引入補(bǔ)償系數(shù)K來(lái)減小誤差，則有： K= = （） 當(dāng)取K= 時(shí)， K （） 此時(shí)有： （） 這樣誤差被控制在2％以內(nèi)。 所以得出在每周12點(diǎn)時(shí)，有效值計(jì)算公式： （） 該算法的誤差仿真[22～24]結(jié)果如下圖： 由仿真結(jié)果可以看出，引入補(bǔ)償K后誤差被控制在2％以內(nèi)。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。 （），且在直流分量為最大時(shí)發(fā)生短路，則短路電流可以表示為[25] ： （）其中 為短路電流穩(wěn)態(tài)幅值。 將上式求導(dǎo)得： （）取=1，=100，則上兩式的仿真結(jié)果如下： 從仿真結(jié)果可以看出，短路電流直流分量的影響較小。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。c、頻率變化對(duì)最大斜率算法的影響： 眾所周知，電源的頻率是電網(wǎng)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，我國(guó)規(guī)定電網(wǎng)的頻率變化范圍不得超過(guò)50 (～)Hz，現(xiàn)分析在此基礎(chǔ)上的頻率變化對(duì)算法的影響。對(duì)前節(jié)得出的最大斜率算法公式（）進(jìn)行定性分析如下：當(dāng)增加時(shí)，兩采樣點(diǎn)間時(shí)間間隔 不變， 增大，故該式的分母增加。同時(shí)，增加, 采樣點(diǎn)間距加大，所以該式的分子 也增加。故由以上簡(jiǎn)單分析可以知道，頻率變化對(duì)最大斜率算法將影響不大。 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。 (1)頻率變化對(duì)算法的 環(huán)節(jié)的影響： 令, , 。仿真結(jié)果如下： 由仿真結(jié)果可知，在允許的頻率波動(dòng)下，頻率變化對(duì)算法的 環(huán)節(jié)沒(méi)有影響。 (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)?，F(xiàn)在僅對(duì)其中一個(gè)區(qū)間進(jìn)行仿真，另外一個(gè)區(qū)間與之相同。 取，則有: ()本文僅給出最大誤差點(diǎn) 時(shí)的仿真結(jié)果，其他情況的誤差比該情況下小。 令 = 上式中令 , ，仿真結(jié)果如下： 從仿真結(jié)果可以看出，算法的誤差隨著頻率正向偏移而增加，隨著頻率反向偏移而減小，但是偏移誤差都小于千分之一，可以不予考慮。 結(jié)論：從以上分析可以看出最大斜率算法解決了短路時(shí)CT 飽和情況下短路電流有效值的測(cè)量問(wèn)題，并且有相當(dāng)?shù)木?。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。 滅弧觸頭電壽命預(yù)測(cè)原理 本文采用累積觸頭電磨損量作為預(yù)測(cè)斷路器電壽命的依據(jù)，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器觸頭電壽命監(jiān)測(cè)和診斷?；诶塾?jì)電磨損量的方法開(kāi)發(fā)的裝置與傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更準(zhǔn)確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實(shí)施。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。觸頭的磨損主要是電磨損，其磨損方式主要表現(xiàn)為觸頭的凈損失、觸頭材料的金屬轉(zhuǎn)移和化學(xué)腐蝕。凈損失多是在電弧高溫作用下已熔融或氣化的觸頭表面被流體介質(zhì)沖走或噴濺所造成。前已述及，雖然觸頭的電磨損取決于電弧能量即開(kāi)斷電流和燃弧時(shí)間，但是對(duì)于多次開(kāi)斷來(lái)講，則平均燃弧時(shí)間是趨近的。所以在開(kāi)斷次數(shù)較多時(shí)可以認(rèn)為：開(kāi)斷相同電流時(shí)，每次開(kāi)斷時(shí)的電磨損是一樣的，此時(shí)只需考慮開(kāi)斷電流對(duì)電壽命的影響即可。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）。從統(tǒng)計(jì)平均和累計(jì)效應(yīng)，可認(rèn)為該斷路器的允許磨損總量為?；蛘哒f(shuō)定義一臺(tái)全新的斷路器的觸頭允許磨損總量為100%，即其相對(duì)電壽命為100%，則每次額定短路開(kāi)斷電流開(kāi)斷時(shí)的相對(duì)磨損為1/ (定義為)。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)。 則可求出任一次開(kāi)斷電流Ic時(shí)的相對(duì)電磨損量