真空断路器灭弧室真空度状态检测及应用研究

摘要

真空断路器是中压配电开关中的核心开关类型,随着制造水平和开断电压等级的提升在电网中的应用日渐增多。随着国家智能电网和基于可靠性检修体制的不断发展,在线监测真空度成为智能高压真空断路器的新要求。作为真空断路器的核心部件,真空灭弧室的内部压强(即真空度)是影响其运行质量和服务寿命的直接因素,也是本研究的关键。
　　论文中详细总结了近十年国内外真空断路器灭弧室真空度检测技术,分析了各种检测方法的原理及特点,并结合国家智能电网的发展方向将各方法的优缺点进行了对比。在权衡国内主流真空度在线监测的方法后,决定采用一种探头结构简单、寿命长、低成本的耦合电容法对灭弧室屏蔽罩电位上的交流变量(△Uac)、直流变量(△Udc)进行实时监测。
　　为理清真空灭弧室内真空度 P和屏蔽罩电位 UC之间的联系机理。本文以灭弧室内真空介质的相对介电常数r为媒介,通过分别对r与感应电位 UC以及r与灭弧室气压值 P(真空度)的关系进行了研究,推导出了 P与 UC的换算公式。此外,本研究在前人成果基础上,将真空度劣化过程归纳为三个阶段,从电介质学及气体放电的相关理论出发,阐述了各个阶段灭弧室电位变化的特点及理论背景。特别针对较难精确检测的压强值,即真空度高于0.1 Pa时的屏蔽罩上的电位值,进行了3D电磁场有限元计算,并总结出该真空度范围下屏蔽罩电位的变化规律,为真空度判断与评估提供了一种可行的方法。
　　在以上理论研究的支持下,设计了一种高精度的真空度传感器,研究了其后续调理信号电路、IIR数字滤波器及真空度转换算法。设计了基于 FPGA芯片 EP2C8Q和DSP芯片 TMS320LF2812双 CPU处理器的在线监测系统,发挥了两个处理器的特长使得系统效率达到最优,且具有较强电磁兼容能力(EMC)。实验室离线标定测得的数据分析表明,该在线监测装置具有灵敏度高、可靠性好及电磁兼容能力强的特点,符合新一代智能电网的监测发展要求。

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第一章 引言

§1.1 课题背景及研究意义

§1.2 真空断路器监测方法及其研究现状

§1.3 本论文的主要研究工作

§1.4 本章小结

第二章 VCB灭弧室内真空度与介电常数联系机理

§2.1 真空断路器真空度在线监测原理

§2.2 灭弧室屏蔽罩上磁感应电位分析

§2.3 灭弧室真空度与介电常数联系机理分析

§2.4 本章小结

第三章 真空度与灭弧室屏蔽罩上感应电位联系机理

§3.1 屏蔽罩电位与真空度联系机理

§3.2 静电场仿真模型的建立

§3.3 计算结果及分析

§3.4 本章小结

第四章 智能真空断路器真空度在线监测系统研究

§4.1 耦合电容式传感器的设计

§4.2 监测系统的硬件设计

§4.3 在线监测系统的软件实现

§4.4 FPGA与DSP的SPI串行通信设计

§4.5 系统电源设计

§4.6 本章小结

第五章 真空度在线监测系统的离线标定

§5.1 真空度离线标定方案

§5.2 传感器离线标定过程及结果分析

§5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

§6.1 本文总结

§6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果