發(fā)布時(shí)間：2017-05-12 06:35

第 1 章 緒 論

1.1 課題的研究背景和意義
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，用戶對(duì)電力的需求和依賴也逐年增高，這無疑對(duì)電力系統(tǒng)的供電可靠性提出了更高的要求。大面積的停電，會(huì)給人民生活和工業(yè)生產(chǎn)上帶來很大的不便，甚至造成無法估量的經(jīng)濟(jì)損失。2008 年我國(guó)南方雪災(zāi)造成的大面積停電事故，為電力系統(tǒng)的研究工作者敲響了警鐘。作為電力系統(tǒng)中開斷負(fù)載或者故障線路的主要器件，真空斷路器的可靠運(yùn)行對(duì)于建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電力系統(tǒng)有著重要意義。真空斷路器具有可靠性強(qiáng)、滅弧能力強(qiáng)、環(huán)保無污染以及使用安全、維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中占據(jù)重要地位，其自身良好的品控在實(shí)際工作中更是表現(xiàn)優(yōu)異。真空斷路器是以高真空作為滅弧介質(zhì)，因此其自身具有較高的絕緣強(qiáng)度與抗擊穿能力，在真空斷路器的設(shè)計(jì)中可以大大縮短動(dòng)靜觸頭開距，從而使其整體（包括連桿操動(dòng)機(jī)構(gòu)）體積較小[1]。在中高壓電力網(wǎng)的應(yīng)用范圍內(nèi)，真空斷路器逐步代替其它類型的開關(guān)設(shè)備將成為一種必然趨勢(shì)。通過高真空來實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中滅弧的想法來源已久。20 世紀(jì) 60 年代初期，我國(guó)在研制真空斷路器方面就已有所成就，1960 年成功研制了開斷能力近 600A，額定電壓為 6.7k V 的真空斷路器。自 70 年代起，真空斷路器正式投入生產(chǎn)并在實(shí)際應(yīng)用中獲得成功。同期我國(guó)限于技術(shù)生產(chǎn)水平較為低下，通過不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)理念，堅(jiān)持開發(fā)自主科研實(shí)力，最終成為真空斷路器研制生產(chǎn)及使用大國(guó)。幾十年來，隨著我國(guó)自主能力的提升，大容量、高電壓、智能化、小型化以及低過電壓的方向發(fā)展日漸成為研制方向，這也符合電力系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。一般來說，真空斷路器的型號(hào)不同，其自身性能亦有差別。在不同的使用環(huán)境下，對(duì)真空狀態(tài)的要求不一樣，也沒有達(dá)成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此，在實(shí)際使用當(dāng)中，對(duì)于不同的環(huán)境，應(yīng)選擇相適應(yīng)型號(hào)的真空斷路器，例如，使用環(huán)境可區(qū)分為戶外與戶內(nèi)、平原與高原等等。國(guó)標(biāo)規(guī)定，根據(jù)真空斷路器的滅弧能力，真空斷路器真空度最低標(biāo)準(zhǔn)為6.6×10-2Pa，部標(biāo)最低標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1.33×10-2Pa�？偟膩碚f，如果真空斷路器真空度超過最低標(biāo)準(zhǔn)，就必須立即退出運(yùn)行，考慮對(duì)其進(jìn)行大修或者改造換新。
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1.2 真空度與滅弧性能
真空滅弧室、電磁或彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架、配套部件是真空斷路器的主要組成部分。高真空狀態(tài)下絕緣性能高，滅弧能力顯著，真空斷路器即以此原理開發(fā)，因此可以說真空滅弧室是真空斷路器最重要的核心部件。高真空滅弧特性隨著真空滅弧室真空程度的高低產(chǎn)生較大差異，可以說真空度不但是評(píng)價(jià)滅弧能力的唯一指標(biāo)，更關(guān)系到斷路器內(nèi)、外過電壓能力。通常由于斷路器多用于分?jǐn)喙收希ㄈ邕^流、欠壓等諸多保護(hù)），若滅弧能力降低，極有可能造成電網(wǎng)、設(shè)備和人員傷害，因此斷路器真空滅弧室是否保持在高水平與否，與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行密切相關(guān)。而真空斷路器的使用壽命，除了通常設(shè)備具有的“機(jī)械壽命”之外，還包括“真空壽命”的概念。其中“真空壽命”又是真空斷路器真正意義上的使用價(jià)值。真空狀態(tài)下的氣體分子稀薄程度，就是指通常意義上的真空度，真正的真空狀態(tài)是很難實(shí)現(xiàn)的，真空滅弧室內(nèi)或多或少都存在一定的氣體分子，而這些稀薄氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)指的就是真空滅弧室的真空度。當(dāng)真空滅弧室內(nèi)壓強(qiáng)在 10-5~ 10-2Pa 之間這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，滅弧室的滅弧性能和絕緣性能均可達(dá)到最佳狀態(tài)。如 SF6 斷路器在SF6 氣體泄露而導(dǎo)致滅弧能力降低時(shí)，閉鎖保護(hù)啟動(dòng)將閉鎖斷路器。而真空斷路器由于結(jié)構(gòu)原因不具備相應(yīng)的閉鎖保護(hù)，在真空度劣化情況下，斷路器分?jǐn)噙^程中電弧無法熄滅，極易造成電網(wǎng)電力事故擴(kuò)大。
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第 2 章 真空滅弧室真空度測(cè)量方法研究

鑒于目前所存在的真空斷路器真空度測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度等級(jí)并不高，且由于試驗(yàn)原理不同，隨著測(cè)量范圍的不同，其測(cè)量準(zhǔn)確性也隨之變化。加上變電站出線線路運(yùn)行方式不同，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件往往不能滿足試驗(yàn)要求，現(xiàn)存的試驗(yàn)儀器并不能滿足真空斷路器真空度及時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量的要求。論文著重探討一種適用范圍更廣、準(zhǔn)確度等級(jí)更高的測(cè)量方法，本章將為以后的研究做理論基礎(chǔ)。

2.1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)
下圖所示為真空滅弧室主要結(jié)構(gòu)，滅弧室主要組成部分有以下幾個(gè)：動(dòng)、靜觸頭組成的導(dǎo)電部分、氣密絕緣外殼、波紋管以及屏蔽系統(tǒng)等。首先介紹滅弧室導(dǎo)電部分，包括動(dòng)導(dǎo)電桿、動(dòng)觸頭、靜導(dǎo)電桿、靜觸頭、靜跑弧面、動(dòng)跑弧面。動(dòng)導(dǎo)電桿、動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面合稱動(dòng)電極，當(dāng)真空斷路器合閘時(shí)，動(dòng)導(dǎo)電桿的運(yùn)動(dòng)。靜電極主要由靜觸頭、靜導(dǎo)電桿、靜跑弧面組成，通過斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，使斷路器動(dòng)、靜觸頭分合。為了使兩觸頭間的接觸電阻盡可能減小且滅弧室承受電流時(shí)有良好的機(jī)械強(qiáng)度，在真空滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿一端設(shè)置有導(dǎo)向套，并使用一組壓縮彈簧，使兩觸頭間保持有一個(gè)額定壓力。在分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，滅弧室兩觸頭分離，在這個(gè)過程中產(chǎn)生了電弧，直至電流自然過零時(shí)電弧才熄滅，這樣便實(shí)現(xiàn)了電路的斷開[11]。屏蔽系統(tǒng)主要是指屏蔽罩（制造材料一般為不銹鋼、銅或鎳鈷鐵合金材料），為了使滅弧室內(nèi)的整個(gè)電場(chǎng)和電容對(duì)稱的、均勻的分布，取得優(yōu)良的絕緣性，它的結(jié)構(gòu)要合理。波紋管主要用來隔絕外部空氣使滅弧室內(nèi)保持真空狀態(tài)，同時(shí)可以為動(dòng)導(dǎo)電桿和動(dòng)觸頭提供足夠的活動(dòng)自由度，從而完成真空斷路器的分?jǐn)嗪烷]合。通過觸頭分合，也就是斷路器的開距，實(shí)現(xiàn)電路接通與分?jǐn)�，觸頭多采用縱磁場(chǎng)的形式，因?yàn)榭v向磁場(chǎng)可以阻礙電弧的收縮，即使在分?jǐn)啻箅娏髑闆r下也能夠有效地使電弧快速擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)迅速的滅弧，不對(duì)觸頭造成影響，這樣使觸頭表面受熱均勻。
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2.2 滅弧室真空度測(cè)量原理

真空技術(shù)中往往用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓來定義真空度，而大氣壓也是表達(dá)空間內(nèi)氣體狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。通俗的說，高真狀態(tài)下空間內(nèi)氣體分子少，這就使得空間內(nèi)導(dǎo)電的能力減小，這樣真空度越高，空間內(nèi)絕緣效果越好，，這就是真空滅弧室滅弧的原理。脈沖磁控放電法：強(qiáng)電場(chǎng)激發(fā)出來的電子與稀薄氣體分子發(fā)生碰撞而電離，形成了較大的可測(cè)量的離子電流。由于該離子電流與滅弧室真空度的對(duì)數(shù)值基本成線性關(guān)系，所以只要測(cè)量離子電流就可以確定真空度的值。加磁場(chǎng)不僅可以加長(zhǎng)電子的行徑，提高和氣體分子碰撞的機(jī)率，還可以增大離子電流，從而降低對(duì)外加電場(chǎng)的強(qiáng)度要求。外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度以及觸頭開距都會(huì)影響離子電流的測(cè)量值與測(cè)量范圍，但起決定作用的還是外加磁場(chǎng)和電場(chǎng)的強(qiáng)度以及磁場(chǎng)的方向。需要注意的是，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用下，真空滅弧室存在吸氣和放氣效應(yīng)。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，往往采用同步施加脈沖磁場(chǎng)和電場(chǎng)的方法，這就是脈沖磁控放電法的測(cè)試原理，如圖 2-2 所示。從圖 2-2 中可以清楚地看到，當(dāng)建立穩(wěn)定的放電電流以后，陰、陽電極之間（動(dòng)、靜觸頭之間）的放電過程可以認(rèn)為是弱電離等離子體的行為。根據(jù)局部熱力學(xué)平衡薩哈方程和等離子體的玻姆鞘層理論，就可以建立求解最大的離子電流表達(dá)式的模型。

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第 3 章 兩種真空度測(cè)量方法的綜合分析....17
3.1 引言........17
3.2 真空度測(cè)量方法比對(duì)分析........17
3.2.1 測(cè)量原理....17
3.2.2 測(cè)量條件....18
3.2.3 測(cè)量區(qū)間和精度....18
3.3 校準(zhǔn)曲線及其改進(jìn)........18
3.3.1 真空度自校準(zhǔn)曲線的原理....18
3.3.2 真空度自校準(zhǔn)曲線的設(shè)計(jì)....19
3.4 真空度自校準(zhǔn)曲線的處理方法........19
3.5 本章小結(jié)........24
第 4 章 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空度數(shù)據(jù)融合........25
4.1 引言........25
4.2 BP 算法的真空度測(cè)量數(shù)據(jù)融合........254
4.3 本章小結(jié)........32
第 5 章 真空斷路器真空度狀態(tài)檢修管理....33
5.1 引言........33
5.2 真空度隨時(shí)間的變化........33
5.3 真空度測(cè)量計(jì)算公式........36
5.4 基于后臺(tái)保護(hù)的真空度狀態(tài)檢修管理........39
5.5 真空度狀態(tài)管理在實(shí)際中的使用........41
5.6 本章小結(jié)........44

第 5 章 真空斷路器真空度狀態(tài)檢修管理

5.1 引言
在論文前幾章中，主要研究了如何在算法上使真空滅弧室真空度測(cè)量更加精確。本章將運(yùn)用以上理論，將真空度算法融入真空斷路器真空度保護(hù)中。由于真空斷路器真空滅弧室的特殊構(gòu)造，真空度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用與電網(wǎng)沒有電氣連接，真空斷路器并不能像 SF6 斷路器一樣，具有類似在線監(jiān)測(cè)氣體壓力的功能。目前所提出的在線監(jiān)測(cè)真空度方式中，受到電網(wǎng)運(yùn)行中電磁、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等影響較大，真空度的在線監(jiān)測(cè)不能實(shí)現(xiàn)或者監(jiān)測(cè)偏差較大。因上述原因，保護(hù)功能的缺失大大制約了真空斷路器的實(shí)際應(yīng)用，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)人身、電網(wǎng)安全造成極大損害。國(guó)網(wǎng)公司在提出了電力設(shè)備“狀態(tài)檢修”理念，致力于將設(shè)備狀態(tài)系統(tǒng)化管理。隨著真空斷路器應(yīng)用愈加廣泛，本章將研究如何在“在線真空度監(jiān)測(cè)”缺失的情況下，實(shí)現(xiàn)以真空斷路器“真空度狀態(tài)檢修”為目的的管理系統(tǒng)作為彌補(bǔ)。首先，從時(shí)間因素出發(fā)，在軟件保護(hù)基礎(chǔ)上，結(jié)合上文中真空度計(jì)算方法的原理，提出一種能夠在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)的真空斷路器真空度測(cè)量計(jì)算設(shè)計(jì)，并探討實(shí)現(xiàn)其在線監(jiān)測(cè)的可行性。目前，在斷路器外部或者內(nèi)部添加感應(yīng)裝置等方式還在研究當(dāng)中，由于在變電站往往存在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)，因此信號(hào)裝置不能較好的發(fā)揮其作用。本節(jié)將逐步分析影響真空度變化的幾個(gè)主要時(shí)間因素，以計(jì)算的方式表達(dá)出來，實(shí)現(xiàn)利用公式計(jì)算真空度滅弧室真空度值。由保護(hù)裝置對(duì)斷路器中分?jǐn)嚯娏鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每次經(jīng)過分?jǐn)嘀�后，通過燃弧電流與時(shí)間，計(jì)算本次分?jǐn)鄬?duì)真空滅弧室真空度的影響。
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結(jié) 論

本論文首先是從計(jì)算的角度出發(fā)，來探尋一種新的、更加精確的真空滅弧室真空度的計(jì)算方法。目前對(duì)于各種滅弧室真空度測(cè)量和管理方法，無論是離線檢測(cè)還是在線監(jiān)測(cè)都存在各自的不足之處，離線方法達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理的效果與精度，在線監(jiān)測(cè)又容易增加電網(wǎng)的復(fù)雜性和干擾，因此本文主要由探討新的真空滅弧室真空度算法和提出及建立真空度狀態(tài)檢修管理概念兩方面內(nèi)容。首先，第一章簡(jiǎn)要介紹了課題的研究目的和背景、影響真空度變化的主要影響因素和目前比較常見的滅弧室真空度測(cè)量方法，為下面的研究做出了準(zhǔn)備和鋪墊。第二章，基于各種真空度測(cè)量方法適用范圍不同，主要介紹了冷陰極法和脈沖磁控放電法這兩種目前適用的真空度測(cè)量方法的原理與應(yīng)用手段，通過對(duì)真空度測(cè)量方法的分析，掌握課題基本理論知識(shí)。在第三章中，提出利用增量法和曲線擬合法，減小由于滅弧室個(gè)體不同，造成的真空度曲線差異，真空度校準(zhǔn)曲線角度提高真空度算法的準(zhǔn)確度。第四章旨在找尋一種新的真空度管理計(jì)算公式，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高真空度計(jì)算準(zhǔn)確度。并且在此基礎(chǔ)上針對(duì)其不足之處構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化模型，最終基本完成了本系統(tǒng)的原型化設(shè)計(jì)。在第五章中，提出了真空斷路器真空度狀態(tài)檢修管理系統(tǒng)，旨在利用軟件的方法，對(duì)真空斷路器的真空度進(jìn)行預(yù)測(cè)形式的計(jì)算，并達(dá)到一定的準(zhǔn)確度。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：358987