基于合闸行程曲线的12 kV真空断路器合闸速度在线监测研究

合闸速度是真空断路器机械特性的重要参数,对其进行在线监测难度较大。针对这一问题,提出基于其合闸行程曲线的合闸速度计算思路。首先对12 kV真空断路器的合闸速度离线测量试验进行了设计,取得合闸行程曲线数据;然后提出了两种仅依赖行程曲线的合闸速度计算方法。第一种方法采用最小二乘法对合闸行程曲线进行分段拟合,无需获取刚合点信息直接计算;第二种方法根据合闸过程中触头运动规律利用B-spline函数对行程曲线进行拟合,找出刚合点计算合闸速度。两种方法中,B-spline拟合所得的结果准确度高,而最小二乘法拟合计算所消耗资源较少。所提的方法方便、准确率较高,并可根据实际工程情况选择,为研究真空断路器在线监测提供了新的思路。     

交流中压真空断路器机械特性在线监测装置的研制

在断路器所有故障中,机械故障占有相当大的比重,对其机械特性在线监测具有重要现实意义。文中针对某12 kV交流中压真空断路器,以分合闸线圈电流信号、角位移信号及振动信号为监测对象,研制了一种以STM32F407为主控芯片、搭载RT-Thread实时操作系统的交流中压真空断路器机械特性在线监测装置。该装置采用HNC-661霍尔电流传感器捕获分合闸线圈电流,判断断路器分合闸的动作起始时刻;在低电位处采用WDD35D4-5kΩ角位移传感器替代直线位移传感器间接测量动触头的位移曲线,有效避免了直线位移传感器在高电位处的隔离问题;利用ADXL001-70BEZ振动传感器采集断路器动作过程的振动信号,经短时能量法处理后提取出断路器刚分刚合时刻的振动事件,并在此基础上进行机械参数计算。该装置完成机械特性参数计算后可实现液晶显示、数据上传功能,实现了对断路器机械特性的在线监测。经过与机械特性测试仪对比测试,该装置的机械特性监测数据稳定可靠。     

真空断路器机械特性的在线监测方法

研究了真空断路器机械特性的在线监测方法。采用角位移传感器间接测量动触头的行程曲线,有效解决了直线位移传感器安装困难和高电位隔离的问题;通过监测操作过程中的振动信号,得到了在线状态下动静触头的关合和刚分时刻;用霍尔电流传感器监测分合闸线圈电流,配合动触头位移曲线,得到反映真空断路器机械特性的多个特征参量。     

液压式高压断路器机械特性在线监测故障几率研究

在智能变电站中,在线监测系统能够实时记录断路器机械特性数据,包括储能电机电流曲线、分合闸线圈电流曲线、分合闸行程曲线等,笔者结合液压式高压断路器机械特性的各种可能故障,分析断路器机械特性故障对在线监测结果的影响,给出了机械特性故障几率的计算方法和实际应用的参数,并通过对断路器故障的模拟,计算了实际的故障几率。这一方法能够实时了解断路器的运行状态,为保障断路器的安全可靠运行提供了重要的技术手段,已经规模化应用于智能变电站实际工程中。     

基于最小二乘法的断路器位移监测数据的拟合与处理

针对高压断路器行程位移监测中刚分点和刚合点处由于机械振动和电磁干扰产生的抖动现象,提出了一种基于最小二乘法的断路器行程位移数据拟合与处理算法。通过在线监测原始数据的导数判据剔除相应的干扰并进行数据的第1次拟合,在此基础上对拟合数据和原始数据的比较,再次剔除一定数量的干扰后进行二次拟合。并对拟合后的数据进行录波处理和机械特性参数计算。实际验证表明,该算法可以有效地剔除行程位移数据的干扰点,并且能够真实地反映断路器行程位移曲线,从而准确计算出分合闸速度,分合闸时间等关键参量,说明该算法是有效和实用的。     

弹簧机构操动的真空断路器机械特性计算与监测

对真空断路器弹簧操动机构的机械特性进行了计算,得到了弹簧机构在无故障情况下的正常分闸速度特性曲线,计算结果与实测曲线吻合较好;同时还计算了弹簧机构在主要故障点发生故障情况下的故障分闸速度特性曲线,计算结果可用于断路器机械特性的在线监测、故障诊断以及状态维修。     

永磁式真空断路器的仿真建模与故障分析

真空断路器是中压配电网的关键设备,其运行可靠性对于配电网安全至关重要。由于断路器本身结构和电气特性比较复杂,如何通过少量的运行状态参数(如在线监测获得的分合闸行程曲线)准确评判其工作性能,是广受关注的问题。笔者针对许继集团永磁式真空断路器开展研究,采用ADAMS与ANSOFT软件相结合,找到了断路器中电特性、力特性和机械运动特性的相互关系,并进而在在线监测主轴角位移行程曲线和永磁线圈电流基础上,提出了评估断路器机械状态的方法及判据。     

真空断路器弹簧操动机构的机械特性与可靠性

章对真空断路器弹簧操动机构的机械特性进行了理论计算，得到了弹簧机构在无故障情况下的正常分闸速度特性曲线，计算结果与实测曲线吻合较好；同时，章还计算了弹簧机构在主要故障点发生故障情况下的故障分闸速度特性曲线。通过将实测的故障分闸曲线与所计算的理论故障曲线进行对比，可以快速确定故障发生点．为实现断路器机械特性的在线监测、故障诊断以及状态维修提供理论基础，从而为提高断路器的可靠性提供了新的理论依据。     

12kV真空断路器投切并联电抗器合闸预击穿过电压的研究

12 kV真空断路器投切并联电抗器时可能会产生合闸预击穿现象,形成危险的过电压。为探明合闸预击穿产生过电压的情况和改进现有合闸仿真模型。笔者在运行电网上对一种型号的12 kV真空断路器合闸并联电抗器进行了一系列的现场试验研究,并对合闸预击穿暂态过程和现象进行了分析。结果显示:该型号真空断路器的合闸预击穿率高达50%,且合闸预击穿相对地过电压均可超过4.0 p.u.。统计得到其合闸操作不同期特性、预击穿暂态过程中断口间介质动态绝缘强度恢复曲线和高频电流熄弧特性,并在ATP-EMTP中搭建真空断路器合闸预击穿MODEL控制模型。考虑电缆三相间的寄生参数,对该型号真空断路器合闸并联电抗器进行三相仿真计算,与试验结果对比分析显示,仿真结果与试验结果基本一致。     

真空断路器机构的设计计算方法探讨

对真空断路器弹簧操作机构的机械特性计算进行研究,探索出弹簧机构在无故障情况下的分、合闸速度特性曲线。计算结果与实际测试的曲线较一致,为深入研究弹簧操作机构提供了一种方法。     

真空断路器新型电机操动机构的多体动力学仿真

为提高断路器的可靠性,研究了一种新型的电机机构,该电机机构具有结构简单、体积小、响应快且运动过程可控等优点,研究重点为在电机机构操作下真空断路器的分/合闸机械特性。结合40.5 kV配电机机构的真空断路器,采用多体动力学仿真软件(automatic dynamic analysis ofmechanical systems,ADAMS)建立真空断路器新型电机机构的虚拟样机模型,对断路器的分/合闸过程进行仿真分析。由动态仿真得到电机转角与动触头行程的对应关系、断路器动触头的行程及速度特性曲线等,同时对断路器进行分/合闸操作实验,通过安装在转轴上的扭矩传感器及绝缘拉杆处位移传感器测得相应的运动特性,并将仿真结果与实验结果进行对比分析,仿真模型的输出特性与实验结果吻合较好,表明虚拟样机模型是有效的。     

光纤位移传感器在断路器在线监测系统中的应用

针对以往用于断路器在线监测位移传感器的不足,本文提出了使用光纤位移传感器测量断路器动触头行程,达到精度高、干扰少的目的。提出一种基于希尔伯特-黄变换的断路器刚合点分析方法,利用经验模态分解得到包含速度信号局部特性的本征模态函数分量,根据速度突变点的特征,利用方差贡献率选择本征模态函数分量,经过希尔伯特变换得到瞬时幅值,该曲线的特征点即断路器刚合点。实验证明,该方法能够有效提取断路器的刚合点,耗时少、结果准确,可为断路器故障诊断提供可靠依据。     

高压开关柜断路器机械特性在线监测装置研究

研究了高压开关柜内断路器机械特性在线监测方法。采用非接触式角位移传感器间接测量动触头行程曲线,有效解决了常规角度位移传感器及直线位移传感器安装困难问题;利用断路器辅助触点及实验结果的时间修正,得到了动静触头刚分、刚合时刻;用霍尔电流传感器及其电路,得到了断路器分、合闸周期的起始时刻;用DSP2812作为处理器,通过对监测信号的处理、计算得出可以反映断路器机械特性的多个特征参量。     

真空断路器在线监测系统设计

在保证不改动真空断路器分合闸回路原电路和操作机构的情况下,开发设计了一种在线监测系统.该系统采用上、下位机结构,下位机主要以TI公司生产的DSP为核心,通过传感器、信号调理电路完成真空断路器分合闸回路、触头温升以及机械特性信号采集与处理.上位机主要是以ARM为核心,搭载嵌入式系统WINce完成数据分析处理、存储和显示功能.上下位机之间通过RS485串行通信总线进行通讯,实现了断路器分合闸回路、机械特性、触头温升的在线监测.     

按输出力特性曲线设计凸轮轮廓曲线

针对以往设计断路器弹簧操动机构均是先确定满足动触头速度特性的输出力特性;再根据所需输出特性按照功或功率相等的等效原则计算动触头各行程下的凸轮轮廓半径;最后拟合出凸轮轮廓曲线。文中以设计真空断路器弹簧操动机构上配备的摆动滚子从动件盘形凸轮合闸行程中的轮廓曲线为模型,在以往的设计方法上提出了利用速度瞬心和微积分原理求得凸轮轮廓曲线的方法,该方法解决了传统设计方法繁琐的重复计算,不仅能方便的得到满足输出力特性曲线的凸轮轮廓,并能快速得到凸轮上各行程的压力角。用该方法得出的真空断路器合闸过程中的凸轮轮廓曲线与实际凸轮轮廓曲线进行对比,验证了方法的正确性,对设计弹簧操动机构中满足理想合闸特性的凸轮轮廓具有一定的借鉴意义。     

基于最优合闸速度设计126kV真空断路器操动机构凸轮轮廓

文中以合闸过程中燃弧时间最短为目标,提出了设计高电压等级真空断路器凸轮轮廓的方法。首先,通过实验确定合闸速度特性。得到126 kV真空断路器合闸燃弧时间与预击穿速度的数学关系,表明在预击穿速度为1.15 m/s时,126 kV真空断路器的合闸燃弧时间最短;其次,由上述方法得到真空断路器合闸行程曲线确定凸轮轮廓线。根据合闸行程曲线上每个点确定弹簧操动机构主轴转角,并根据合闸弹簧所需要的能量确定机构储能轴转角,然后由主轴转角与储能轴转角的比值确定凸轮的轮廓曲线。最后,根据上述凸轮轮廓设计方法编制了凸轮设计软件,利用该软件设计的凸轮在ADAMS仿真软件中对整机进行仿真计算,仿真结果得到预击穿速度为1.18 m/s,表明此设计能很好的满足设计要求。     

126kV真空断路器电机操动机构动态仿真与试验研究

为了简化高压真空断路器操动机构的结构并提高其工作可靠性,笔者对不同转子结构的真空断路器电机操动机构的动态特性进行了研究。建立了126 kV真空断路器操动机构的动态仿真模型,推导了驱动电机主轴侧的等效转动惯量、动态反力以及动触头行程与驱动电机转角的关系。依据上述分析并综合考虑绕组端部效应对电机启动过程的影响,采用场—路—运动耦合法对驱动电机在断路器分、合闸操作过程中的瞬态磁场和动态机械特性参数进行了仿真计算。结合仿真结果制成了永磁驱动电机样机,进行了操动机构与断路器联机试验试验。试验结果表明:电机操动机构能实现断路器的可靠分、合闸操作,平均合闸速度达到2.51 m/s,平均分闸速度达到3.35 m/s,满足断路器的要求。动态性能仿真结果与试验结果基本吻合,验证了仿真分析的有效性。     

基于机器视觉技术的高压断路器机械特性诊断

高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备,其可靠性会影响到电力系统的安全运行。调查显示高压断路器的主要故障为机械故障,需要对高压断路器机械特性进行检测。因此利用高速相机搭建了断路器机械特性测量平台,利用该测量平台对ZN63A–12型真空断路器进行试验研究,测量高压断路器合闸弹簧动态振动特性,同时将应力松弛故障弹簧与正常弹簧进行对比,探究弹簧应力松弛故障对断路器合闸弹簧振动特性的影响。此外,以高压断路器合闸过程为例,利用测量平台对四连杆机构动态运动过程进行拍摄,并通过计算得到合闸过程中连杆夹角变化曲线。研究结果表明:正常与应力松弛弹簧的振动特性存在明显区别,同时利用测量平台测量得到连杆之间的夹角由139.7°变化到175.6°,夹角变化了35.9°,与实际值相符合。     

一种基于触头受力监测实现断路器断口判定的方法

文中提出了一种准确判定断路器离线/带电运行时动静触头刚合/刚分时刻和断口状态的方法,该方法是在断路器绝缘拉杆的低压侧植入力传感器,通过力传感器监测断路器动作过程中灭弧室动端的力值—时间曲线,计算力值突变时刻及力值的大小,从而实现断路器动静触头刚合/刚分时刻及断口状态判定。目前基于该方法研制的机械特性在线监测装置,与断路器一同在国家质量监督检验中心(西高院试验站)完成了短路开断与关合试验和机械特性比对试验,监测的分合闸时间与实验室测试结果的时间误差小于±1 ms。该方法有效实施为断路器的选相控制、机械特性在线监测、电寿命在线监测等特征参量的提取奠定了计算基础。     

真空断路器弹簧操动机构刚柔耦合动力学与仿真

分析了真空断路器弹簧操动机构运动特征,提出了对部分关键构件柔性化处理的方法,采用虚拟样机技术建立刚柔耦合虚拟样机模型,对其进行分/合闸过程仿真分析。由动态仿真得到绝缘拉杆和动触头的行程及速度特性曲线;对实物样机进行分/合闸操作实验,通过安装在绝缘拉杆上的位移传感器测得相应的机械特性,并将仿真结果与实验结果进行对比分析,相对于多刚体模型,刚柔耦合模型的输出特性与实验结果吻合更好;进一步分析刚柔耦合模型的速度和加速度,并与多刚体仿真结果对比分析,表明刚柔耦合虚拟样机模型仿真更准确,进而得出刚柔耦合虚拟样机模型的真实性和必要性。这也为以后优化设计、疲劳分析及可靠性提供更真实的依据和指导。