【正文】 （） 式中，L為斷路器的相對剩余電壽命；LN為斷路器觸頭電壽命的初始值，是一個小于或等于1的百分數(shù)，其值由斷路器的運行決定，剛投運的或經過大修后的斷路器其值可為1。或者說定義一臺全新的斷路器的觸頭允許磨損總量為100%，即其相對電壽命為100%，則每次額定短路開斷電流開斷時的相對磨損為1/ (定義為)。設額定短路開斷電流下單次開斷的絕對電磨損為，對應的允許開斷次數(shù)為 （一般為20次）。前已述及，雖然觸頭的電磨損取決于電弧能量即開斷電流和燃弧時間，但是對于多次開斷來講，則平均燃弧時間是趨近的。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、觸頭材料的金屬轉移和化學腐蝕?；诶塾嬰娔p量的方法開發(fā)的裝置與傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更準確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實施。關于它的抗干擾能力較差的問題，也給予了處理，本文略。 令 = 上式中令 , ，仿真結果如下： 從仿真結果可以看出，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?，F(xiàn)在僅對其中一個區(qū)間進行仿真，另外一個區(qū)間與之相同。仿真結果如下： 由仿真結果可知，在允許的頻率波動下，頻率變化對算法的 環(huán)節(jié)沒有影響。 定量分析如下： （） 上式中設為正弦波有效值； 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它們的影響。同時，增加, 采樣點間距加大，所以該式的分子 也增加。c、頻率變化對最大斜率算法的影響： 眾所周知，電源的頻率是電網(wǎng)質量的一個重要指標，我國規(guī)定電網(wǎng)的頻率變化范圍不得超過50 (～)Hz，現(xiàn)分析在此基礎上的頻率變化對算法的影響。 將上式求導得： （）取=1，=100，則上兩式的仿真結果如下： 從仿真結果可以看出，短路電流直流分量的影響較小。b、直流分量對算法的影響 以上討論了算法本身的誤差，現(xiàn)在討論在短路時衰減的直流分量對算法的影響。鑒于以上分析，引入補償系數(shù)K來減小誤差，則有： K= = （） 當取K= 時， K （） 此時有： （） 這樣誤差被控制在2％以內。當取每周12點時，式（）的右式： = （） 而 （）式的左 式 在 和內部都有且只有一個點，且在該區(qū)段取得最大值。 由上式可知，在 += 時為斜率最大點，此時有： = （） 所以有正弦波有效值計算公式： = = （） 因為上式要求的條件是 += ，而離散采樣能夠正好采樣到 += 的幾率很小，現(xiàn)在仔細分析在這種情況下的算法精度?，F(xiàn)在就最大斜率算法的推導過程和在頻率偏移、直流分量等因素影響下的誤差分析作簡介如下： 在電路設計中我們使用的A/D 轉換器是MSP430 單片機自帶的，它是單極性A/D，所以在轉換交流信號時，我們將輸入的CT交流電流信號i變成交流電壓信號u后，這樣處理的結果最大斜率點并沒有發(fā)生變化。這些因素都直接影響開斷電流測量的準確性。 分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法 由于不同開斷電流時電磨損的差別很大，因此開斷電流值的測量精度直接影響觸頭電壽命預測準確度。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)測和診斷方法。另外，大量的試驗結果表明，從斷路器累計電磨損的角度考慮，雖然燃弧時間的長短對單次開斷是隨機的，但對多次開斷，其平均燃弧時間則是趨近的(20 次開斷與30次開斷的平均燃弧時間有幾乎相同的標準差)。因此，用累計開斷電流來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，但還與觸頭分斷速度等有關，且電磨損與電弧能量沒有比例關系。 觸頭電壽命在線監(jiān)測 在觸頭電壽命監(jiān)測方面，以往對電磨損的監(jiān)測是以記錄累計開斷電流或累計電弧能量()為依據(jù)的。 對于非電磁操作機構，只有靠機械特性參數(shù)來完成診斷工作。該診斷過程是由監(jiān)控計算機完成的。 機械故障診斷 對于電磁鐵操作機構的斷路器，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狀況與轉換時間。但我們可以從分、對126斷路器來講，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速度。由于分閘時的電弧影響，分閘不同期時間很難確定，這里不再討論。以126 型 高壓斷路器為例，它的合閘同期時間是小于4ms，分閘同期時間小于2ms。另外一個問題是同期時間極短，如何在這么短的時間內有效的得到上述數(shù)據(jù)。 c、同期性的確定 合閘不同期時間指的是從首相合到三相全合之間的時間，可以由首相有合閘電流到三相有合閘電流之間的時間之差確定。本文采取的方法是在合閘過程中，從操作機構運動開始判斷三相電流采樣值大小，如果都曾經大于某一門坎值則認為三相全合，所以門坎值的選取尤為重要。即三相弧觸頭全接觸開始到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置的位移量之差。所以，只有測量弧觸頭超行程才是有意義的，本文也只計算弧觸頭超行程。超行程有主觸頭超行程和弧觸頭超行程兩種。事實上，當斷路器型號選定后，行程參量也就確定了。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。在本設計中合閘換位點取三相有電流時刻，即滅弧觸頭全合時刻，分閘換位點取輔助接點狀態(tài)信號變位時刻。從起動時刻開始計時，到電氣主觸頭移動到換位點的時間，即是合、分閘時間。所以合、分操作起始瞬間的選擇直接影響著高壓斷路器機械參量的數(shù)值。 a、合、分閘時間的確定 首先需確定的時間量為合、分閘時間。 機械特性參數(shù)的確定 總體方案確定后，要根據(jù)高壓斷路器機械特性參數(shù)定義，確定在本系統(tǒng)中如何根據(jù)現(xiàn)有采集量來求取各種機械特性參數(shù)的問題。所以無論是分閘還是合閘，無論合閘過程中有無彈跳，該位置傳感器都可以準確記量位移值。 和兩路計數(shù)脈沖經兩個計數(shù)器﹑進行計數(shù)。旋轉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，通過光電轉換將軸旋轉角位移轉換成電脈沖信號。本設計中則是既可根據(jù)預知的斷路器行程長度設定100％行程位置捕獲點，又采用兩路相位相差90176。當斷路器在分合閘過程結束之前由于彈力的作用，動觸頭有彈跳的過程，若不采取措施，必然會將負方向運動的脈沖當作正方向的脈沖進行累加，產生誤差。由于動觸頭的運動速度是變化的，所以T是不等的。其工作原理如下： 把旋轉光柵安裝在斷路器操動機構的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對運動，經光電轉換，將速度、行程信號轉換為電信號。 a、時間量采集 時間量采集靠單片機的定時器，由分合閘命令信號觸發(fā)分合閘時間記錄序列，記下分合過程中的各個有效參量點，再根據(jù)前節(jié)的特性參數(shù)計算公式，算出各機械參量。以某廠生產的 126 型高壓斷路器為例：合閘時間小于150ms、分閘時間小于30ms、全開時間小于60ms。 根據(jù)以上信號，在線狀態(tài)下求出斷路器分、合閘機械特性參數(shù)。 （4） 觸頭分、合狀態(tài)信號（由主回路電流間接反映）。 （2） 分、合閘電磁鐵線圈回路電流信號。在本設計中我們結合單片機的特點，選用時間和行程（高壓斷路器主軸連動桿位移量）兩個參量。滅弧觸頭超出主觸頭長度即有效滅弧長度雖然可以通過標定主觸頭在行程中的位置，用捕獲[11] 方法求出，但仍然屬于間接求法，無法直接精確求出。然后將各機械特性參數(shù)用圖中的參量點表示出來。當對某一臺斷路器的操作過程進行監(jiān)測記錄時，設法捕獲到斷路器各個有關部件的動作時刻在順序時間鏈中所處的相對位置，那么這臺斷路器的各時間參量就一目了然，然后經過微處理器計算出各機械特性參量。 為了斷路器機械特性參數(shù)的求取方便，我們將斷路器合閘、分閘的整個動作過程可以看成是由各個動作過程連接起來組成的順序時間鏈 。 合閘平均速度：合閘過程中中間80％行程的平均速度。 合閘最大速度：合閘全過程中的最大速度。剛合閘速度：合閘輔助接點接通后10ms內的平均速度。 合閘不同期：從首極合開始到所有極都合為止的時間之差。 觸頭行程：動觸頭的起止位置之差的總位移量。 各機械特性參數(shù)定義如下：合閘時間：從合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時間間隔。斷路器的機械特性包括：合閘時間、分閘時間、觸頭行程、超行程、合閘不同期、分閘不同期、剛合閘速度、剛分閘速度、合閘最大速度、分閘最大速度、合閘平均速度、分閘平均速度等等。 機械特性參數(shù)的標定 眾所周知，分閘速度的降低將使電弧的燃燒時間增加，從而加速斷路器觸頭的電磨損降低斷路器的使用壽命；分閘速度過高，又會使運動機構承受過大的機械應力和沖擊，從而造成個別部件的損壞或者縮短使用壽命；斷路器分合閘的嚴重不同期將造成線路和變壓器的非全相運行，從而可能出現(xiàn)導致絕緣損壞的危險的操作過電壓、繼電保護誤動作等不利現(xiàn)象。這種離線檢修方式是按檢修計劃來的，無論設備狀況如何都實施定期檢修，致使有些設備帶病運行卻得不到及時維修，而有些設備使用率較低則得到不必要的維修。目前，國內一些單位和廠家仍在改進該類產品，以期能用于各種斷路器，以及進一步提高測量精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性等，并進一步改進操作。90 年代中出現(xiàn)的以8031 單片機作微處理器，以各種傳感器作為行程傳感器的高壓開關特性測量儀測量精度較以前有較大提高，行程誤差不大于1mm，但是接 線和操作仍較復雜 。國內先是出現(xiàn)了以Ｚ80 單板機作微處理器的產品，繼而出現(xiàn)了以MCS51系列單片機作微處理器的產品，現(xiàn)在也有采用MCS96系列單片機作微處理器。隨著微電子技術的發(fā)展及微機技術在國內外的廣泛應用，90年代開始出現(xiàn)微機型高壓開關機械特性測試儀。 80年代末90年代初，通過模擬數(shù)字電路技術的運用，先后研制投產了集箱式斷路器機械特性測試儀。 在早期的傳統(tǒng)的測試方法中，檢修試驗人員使用電秒表、同步燈、光線示波器、電磁振蕩器和轉鼓測速儀等進行測試。 機械特性在線監(jiān)測的必要性 高壓斷路器在安裝投入或檢修后，為保證其安全運行，按規(guī)程要求必須進行機械參數(shù)測試。隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，停電事故給生產、生活帶來的影響及損失也越來越大，保證電力設備的安全運行越來越重要。國際大電網(wǎng)會議對高壓斷路器可靠性所做的兩次世界范圍的調查和我國電力科學院對高壓開關事故的統(tǒng)計分析均表明，高壓斷路器故障80%是機械的原因[14]。 （5） 在通訊模塊設計中根據(jù)RS485 通信芯片MAX1480B[12，13]的特殊結 構，解決了不同工作電壓的芯片MAX1480與MSP430 的接口問題，并給出了 MAX1480與MSP430直接聯(lián)接的接線方案。在系統(tǒng)設計時充分考慮到由于該單片機的低供電電壓（）給設計帶來的特殊問題。 （3） 用斷路器殼體溫度、環(huán)境溫度和負荷電流來間接反映主觸頭溫度和主觸頭的導電狀況的方法，并給出了諸參量之間的關系表達式，給出主觸頭回路電阻的計算公式。 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） 通過對機械特性參數(shù)的在線監(jiān)測來判斷斷路器的工作狀態(tài)。其它檢測項目方面的情況類似。以局部放電為例：國外最新技術IMS （ION MOBILITYSPECTROMETER）“離子遷移頻譜儀 ”， [6～9] 已經在巴西投入試運行，它能對局部放電進行較為精確的檢測。 （7）人工智能與計算機結合的專家系統(tǒng)。 （5）SF6壓力檢測。 （3）合、分閘線圈回路線路完整性監(jiān)測。國內外在斷路器在線監(jiān)測項目方面正在做或已經做的工作主要有以下幾個方面： （1）記錄分合閘操作的行程、時間特性曲線，提取機械運動參數(shù)，并借之判斷機械故障。短短的十幾年時間里 斷路器在線監(jiān)測技術得到了較快的發(fā)展。1992年吉林電業(yè)局曾立項“斷路器機械性的監(jiān)測”和“GIS 局部放電特高頻在線監(jiān)測”，1995年清華大學高壓教研室研制了CBA1 高壓斷路器參數(shù)測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測合、分閘電流、行程曲線及振動信號。 90年代美國、日本開始研究斷路器的在線監(jiān)測，美國學者率先給出斷路器壽命與開斷電流的關系，提出“滅弧觸頭電壽命”的概念，“全工況跳合閘回路完整性監(jiān)視”的概念也是同期提出的，此時的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進行的。GIS技術的應用，使得其核心電力元件――高壓斷路器的檢修更加困難，所以必須對其中的高壓斷路器進行在線監(jiān)測才能做到“應修必修”和維修量最小、維修費用最低。GIS技術是本世紀60年代中期才出現(xiàn)的一種新型電器裝置。狀態(tài)維修克服了計劃檢修的盲目性，同時也最大化的節(jié)省了維護費用。由于檢修技術水平和現(xiàn)產場條件等原因，解體拆裝有時甚至對正常高壓斷路器造成損害，同時也降低了其利用率和可靠性。隨著供電電壓的不斷提高，高壓斷路器對介質有了特殊要求，油、真空、SF6高壓斷路器的出現(xiàn)使得高壓斷路器的現(xiàn)場維修較為困難，