kV真空断路器触头电寿命在线检测装置的研制.doc

编号： 毕业设计(论文)题 目： 10kV真空断路器触头电寿命在线检测装置的研制 摘 要真空断路器是近十几年来快速发展起来的一种新型电器。同传统的油断路器相比，具有许多优点，如不燃爆、不污染、免检期长、可频繁操作、较小的触头间隙、体积小重量轻、电弧不外露、寿命长等。它正逐步取代传统的少油断路器而成为中压配电系统的主要开关设备。寿命长是真空断路器的显著特点。它的使用寿命是机械寿命与电寿命的综合。其机械寿命是指断路器在空载或额定长期负荷轻载下的分合循环操作次数。真空断路器机械寿命比较长，可达10，000次以上。 电寿命是真空断路器的电气开断能力，通常以额定短路开断电流的开断次数来表示。由于强大的电弧对触头的烧蚀，真空断路器的电寿命次数仅数十次。一般来讲，真空断路器的电寿命决定其真实使用期限。如果电寿命超过，真空灭弧室会失效，电弧不能断开，灭弧室可能爆炸，造成重大事故。所以，对其电寿命的监测和评估是非常必要的。本文依据累计开断电流加权法理论，基于C51单片机设计了一个电流采集模块。通过电流的采集来智能的控制相应的控制设备，从而实现真空断路器触头电寿命在线检测。此系统首先通过电流互感器来对线电流采集，然后将采集到的数据信息传给了C51单片机系统进行处理，最后再将处理好的信号有1602液晶显示出来。如果检测得到的电寿命值超过了极限值，那么单片机就会通过驱动器来驱动相应的设备，并给予提示能及时更换真空断路器。关键词：真空断路器，电寿命，在线检测，单片机AT89C51，电能芯片ATT7022BABSTRACTVacuum circuit breaker is a new type of electrical appliances，it get a high-speed development in the last couple of years .Compared with the traditional oil circuit breaker, it has many advantages ,such as dont bums and no pollution long period from frequent operation ,the smaller the contactor clearance，small volume and light weight, arc not shows, long life It is gradually taking place of traditional less oil circuit breaker and become the main switch equipment of medium voltage power distribution system. Long life is the main characteristics of vacuum circuit breaker. Its service life including mechanical life and the electrical life.The mechanical life is to point to operating times of circuit breaker in no-load or rated long load light load. Vacuum circuit breaker has a longer service life up to 10000 times more. Electrical life is vacuum circuit breaker electrical open circuit ability. Usually with rated short open circuit current open circuit times said. As a result of strong arc touch to the head of the ablation, vacuum circuit breaker electric life times only dozens of times. Usually，vacuum circuit breaker electricity life to determine the true life use period. If the life over, vacuum arcing chamber will failure, arc cant disconnect, arcing chamber may explosion, it will cause a major accident. So, it is quite necessary to test and evaluate electric life of vacuum circuit breaker.This paper based on cumulative open circuit current weighted law theory. I design a current acquisition module based on C51 .Through the current collection to intelligent control corresponding control equipment, so as to realize the online detection to electricity life of vacuum circuit breaker contacts .This system first through the current transformer to line current collection, then will the data collected information on to the C51 system for processing, and finally to will handle the good signal has 1602 LCD display the electric life value detected by more than the limit, then Single-chip microcomputer will through the drive to drive the corresponding equipment ，And prompt people to replace vacuum circuit breaker timely.Keywords: vacuum circuit breaker, electricity life, on-line inspection, single chip microcomputer AT89C51, electric power ATT7022B chip目 录1绪论11.1 研究背景11.2 真空断路器的应用和检修情况11.3 在线监测与离线测试综合的意义21.4 真空断路器介绍21.5 真空断路器发展21.6 真空断路器结构和特点21.7 10kV真空断路器特点31.8 真空断路器的操作机构41.9 真空断路器的机械参数41.9.1额定开距41.9.2触头接触压力51.9.3接触行程(或称压缩行程)51.9.4平均合闸速度51.9.5平均分闸速度61.9.6合闸弹跳时间61.9.7合、分闸不同期性61.9.8合、分闸时间61.9.9回路电阻71.9.10触头系统72 断路器电寿命在线监测的几种计算方法72.1 累计开断电流或电弧能量法72.2 累计开断电流加权法72.3 计及燃弧时间加权评估法82.4 触头相对电寿命与相对电磨损法82.5 电寿命计算方法的选择82.6 真空断路器在线监测与离线测试82.6.1在线监测82.6.2离线补充测试93 方案设计93.1 设计要求93.2 设计思想93.3 方案确定104 硬件设计制作104.1 最小系统模块104.2 系统器件选择和电路设计114.2.1 单片机AT89S52114.2.2多功能三相电能专用计量芯片ATT7022B144.2.3液晶显示模块LCD1602154.2.4继电器和电流互感器的选择174.3 电路板制作过程174.3.1硬制电路板图形174.3.2腐蚀电路板184.3.3钻孔与焊接185 软件设计195.1 C语言的介绍与选用195.2 程序的设计195.2.1液晶显示程序206 结论21谢辞21参考文献22附录23附录一 系统原理图23附录二 系统PCB图24附录三 系统主程序241绪论1.1 研究背景真空断路器广泛地应用于电力系统中。当系统中发生短路、过载等故障时，真空断路器动作以保护电力系统的稳定与电力设备的安全。 随着电力系统开关设备的无油化进程，真空断路器凭借自身的诸多优点，迅速广泛地被应用于电力系统中。在我国中压领域中，真空断路器已占到80% 以上。2000年我国真空断路器的产量已占全部中压断路器产量 87.36%，2004 年占有率为98.85%。真空断路器作为重要的开关设备，在其使用数量迅速增长的同时，由于其维护量小、检修周期长等特点，容易使用户忽略其存在的寿命问题。而随着时间的推移，首批被应用的真空断路器逐渐步入老龄化，其使用寿命问题日益突显，应当引起足够的重视。 真空断路器的使用寿命包括电寿命、机械寿命和储存寿命。真空断路器机械寿命一般可达数万次，而储存寿命等级通常为15 a 或20 a。在影响真空断路器寿命的各个因素中，电寿命被认为是最不稳定的因素，所以对真空断路器电寿命的监测是必要的。 目前，我国关于真空断路器电寿命计算的理论已经较为成熟，但真正能够完成精度高、功能完备的真空断路器电寿命在线监测装置正在进一步的完善中。1.2真空断路器的应用和检修情况真空断路器在供电公司内得到了广泛的应用。比如在江苏省电力公司扬州供电公司的管辖范围的135座变电站内，总计使用了真空断路器1500多台，占各电压等级断路器总数的85以上，其中10KV低压开关柜真空断路器占了绝大部分。真空断路器定期性检修项目一般定为l3年。主要做检测绝缘电阻、交流耐压试验、导电回路电阻、触头开距、真空灭弧室真空度测量等项目6。按照一台断路器检修需要至少8人、2个工作同计算，1500台断路器的检修将耗费大量的人力和时间，而且由于35kV及以下电压等级的主接线基本不再采用旁路模式，断路器检修也影响了用户的供电可靠性。目前供电公司常用的真空断路器型号有国产的ZN28型、ABB公司的VD4型、SEMENS公司的3H2型。由于制作工艺和技术的提高，真空断路器的检修已经逐步由周期性检修进入状态检修阶段，并且除了电容器间隔的真空断路器需要每年检修一次外，其他间隔的检修时间可以调整到36年。判断断路器状态的主要有以下两点:1) 制造厂家提供的真空断路器的性能指标2) 某型号真空断路器的运行经验，包括出现缺陷次数、原因、运行时间等这些都是一些模糊、不确定的判断依据。在进行真空断路器检修时，还往往带来由于工人技术水平等原因造成的断路器机构安装不规范、行程调整不到位等新的缺陷，所以，如何科学的判断真空断路器的检修条件，延长检修时间，降低生产成本，是供电公司迫切需要处理的问题。1.3在线监测与离线测试综合的意义 电力设备的检修随着电压等级的提高和容量的增大，从最早的事故后检修到预防性检修（或计划检修），发展到现在的状态检修。要达到设备的状态检修，这就要求在工作电压下经常监测电气设备的运行状态，以便做出设备是否需要维修的结论。状态检修的实质就是建立一整套确定设备的实际状况诊断系统来确定设备是否需要检修。目前，国内开展状态检修的研究一般从两个方面进行，一类是对设备进行不间断实时动态的在线监测，用在线的数据来判别设备状态，即实行设备的在线监测。另一类是以离线检测为主，通过各种离线数据分析对设备状态进行综合诊断3。在线监测和离线测试都存在自身的优缺点，在线监测是在运行电压下监测，不受周期性限制，测量和分析实现自动化，既避免盲目的停电试验，又提高监测的可靠性和效率。但由于在线监测采用灵敏度较高的传感器进行实时监测，测量数据可能由于外界干扰未必真实。而离线测试需停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；不考虑设备的实际状况只能周期性进行而不能连续地随时监视，绝缘有可能在诊断间隔时发生故障；停电后的设备状态，例如作用电场及温升等和运行中不相符合，影响诊断的正确性。因此为了保证电气设备维护的合理化，保证电力系统安全及经济运行，应该对电气设备进行在线监测与离线测试的综合判别3。1.4真空断路器介绍这里的真空断路器，指的是电网变电站内的低压出线断路器(开关)，一般是10kV电压等级。它是电力系统中的重要开关设备，由于直接承担着用户供电，它不仅关系到电力系统的稳定，又关系到用户供电可靠性，因此，对此类开关的检修、状态监测一直是供电公司最为关切的工作之一。1.5真空断路器发展虽然在19世纪末人们已经发现真空可以作为灭弧介质，但是受到真空密封技术和冶炼技术的限制，使得真空状态下的电流开断设计无法实现。但随着CuCr触头材料、纵磁场触头和陶瓷灭弧室外壳等技术的出现，从70年代开始，真空断路器在提高开断能力，降低截流值、有效抑制过电压、提高电寿命和小型化方面取得了突破性进展，并逐步取代过去的油断路器，并且在同SF6断路器的竞争中处于优势。与传统的油断路器相比，真空断路器具有适合频繁操作、结构简单、开断能力较强、寿命长、检修维护工作量少、运行可靠性高等特点；同时又凭借起体积小、寿命长、熄弧时间短、不污染环境等优势，尤其是SF6气体的环保性的制约，真空断路器在35kV及以下电压等级的低压开关中越来越占主要地位，早在2004年，便已经占有9885的市场份额。1.6真空断路器结构和特点与油断路器的敞开式结构不同，真空断路器属于全封闭式结构。比较敞开式结构，真空断路器绝缘介质与大气隔绝，不受大气污染(主要是水气)，其绝缘水平与灭弧能力不受外界环境影响。因此，敞开式结构断路器需要定期检修，而全封闭式结构一般不需要进行定期检修。真空断路器一般由支架、真空灭弧室、操动机构等几部分组成5。其中真空灭弧室是真空断路器的核心，它本身具备独立性，一旦生产，其技术指标和各种性能就基本确定了。真空断路器的各种指标性能很大程度上就取决于真空灭弧室。真空灭弧室按不同触头结构可以分为圆柱形结构、螺旋槽结构、产生纵向磁场触头结构、纵横磁场相结合结构和其他特殊触头结构。按绝缘外壳材料的不同，又可分为玻璃型、陶瓷型、微晶型。随着技术的发展，真空灭弧室的小型化研究已经取得了很大的进展，目前的灭弧室尺寸已经比当初的缩小了一般以上，而且还有进一步缩小的空间。而且由于其防爆和寿命长的特点，1140V、500V和380V的真空接触器正广泛应用于煤矿和化工企业。随着真空灭弧理论和技术的不断发展，真空断路器也开始向高电压、大电流工作领域的开关发展。2004年，西安交通大学就开发了126kV单断口真空断路器，额定电流为2kA，开断电流为40kA。所以说，随着理论研究的深入和实践，真空断路器正呈现出向高电压发展，向低压扩展和向小型化发展的趋势3。1.7 10kV真空断路器特点真空断路器是以真空作为灭弧和绝缘介质。零部件都密封在绝缘的玻璃等材料制成的外壳内，动触杆与动触头的密封靠金属波纹管来实现。1.真空断路器的特点：1.1优点：结构轻巧、触头开距小（10千伏，只有10毫米）、动作迅速、操作轻便、体积小、重量轻。燃弧时间短，因为触头处于真空中，基本上不发生电弧，极小的电弧一般只需半周波（0.01秒）就能熄灭，故有半周波断路器之称，而且与电流大小无关。触头间隙介质恢复速度快。使用寿命长。维修工作量少，又能防火防爆。1.2缺点：（1）操作过电压。真空断路器在操作时往往会产生较高的截流过电压和电弧重燃过电压，在运行管理中，需从技术上防止和抑制过电压，如适当加大触头开距，以抑制电弧重燃过电压，装设性能较好的金属氧化物避雷器或阻容保护装置进行预防等。（2）真空灭弧室的漏气问题。随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数增多，以及受外界因素的作用，其真空度会逐步下降，影响它的开断能力和耐压水平。目前，普遍使用纵向磁场灭弧原理和铜铬触头材料，以减少触头烧损，提高电气寿命。但如果导电杆同心度调整不当，将影响真空灭弧室的封接强度，导致漏气。为了保证同心度的调整，合理的选择使用和储存环境，是解决真空灭弧室漏气问题的重要措施。（3）合闸弹跳。在断路器合闸时，触头刚接触直至触头稳定接触瞬间为止的时间称为合闸弹跳时间，实践及理论分析均表明，它是影响灭弧室电寿命的重要因素。但由于其远小于合闸过程中电弧燃烧时间，一定范围内的弹跳最主要的危害是加速触头的摩损，导致灭弧室电寿命的缩短。合闸弹跳是由于动静触头的非弹性碰撞引起的，弹跳值大小与诸多因素有关，如触头弹簧的弹力、合闸速度、开距、触头材料、安装、调试质量、零部件的加工精度等等。（4） 温升。真空断路器的回路电阻是产生温升的主要热源，而灭弧室的回路电阻通常要占回路电阻的50%以上。触头与外壳之间的真空形成了热绝缘，因而产生的热量只能通过动、静导电杆向外部散热。真空灭弧室静端直接与静支架相连，动端则通过导电夹、软连接与动支架相连。因动端连接环节较多，导热路径较长，所以温升的最高点多集中于动导电杆与导电夹搭接部位。在实际应用中，应结合过载能力差的特点，严格控制负荷电流，使其低于额定电流14。1.8真空断路器的操作机构真空断路器可配用电磁操作机构、弹簧操作机构。1.电磁操作机构：靠电磁力合闸并同时给分闸弹簧储能，分闸靠弹簧力的操作机称为电磁操作机构。电磁操作机构优点是结构简单，工作可靠，制造成本较低，缺点是合闸消耗的功率太大（17W至52W合闸线圈电流758-235A）。因此用户必须配备价格较贵的蓄电池组或整流电源装置，而且结构笨重、耗材多、合闸时间长（0.2-0.8S）只适用于110KV及以下的断路器13。2.弹簧操作机构：弹簧操作机构是利用已储能的弹簧为动力，来实现断路器的分合闸操作，弹簧储能靠电动机。弹簧操作机构因使用的弹簧类型不同，有各种形式。有压缩弹簧操作机构、拉伸弹簧操作机构等。弹簧操作机构的传动机构为四连杆机构，其原理是相同的13。弹簧操作机构的优点是：（1）不需要专门的操作电源。储能电动机功率小，交直流两用，使用方便。（2）没有油压和气压，因此也不需要这些压力的监控装置。弹簧操作机构的缺点是：（1） 结构比较复杂，零件数量较多，加工要求高。（2）传动环节较多，有时会出现故障13。1.9真空断路器的机械参数1.9.1额定开距额定开距是真空开关触头处在完全断开位置时，动静触头之间的最短距离。它决定于真空开关的额定电压、使用条件下开断电流的性质、触头材料及其耐压要求。在不同额定电压下，不同种类的真空开关触头开距的选择范围。真空接触器的触头开距选择得小些，主要是为了适应频繁操作的需要，以提高真空开关的电寿命和机械寿命，但牺牲了一定的耐压强度。断路器触头开距相对选得高些，但真空开关触头开距与耐压强度并非是呈线性关系。当额定电压超过一定值后，往往采用两个断口或多个开关管串联的方法来解决耐压问题。每一种真空开关触头开距都有技术条件的规定，开距太大太小都会引起开断能力下降，导致开关机械寿命降低。1.9.2触头接触压力在无外力作用时，动触头在大气压作用下，对内腔产生一个闭合力使其与静触头闭合，称之为自闭力，其大小取决于波纹管的端口直径。灭弧室在工作状态时，这个力太小不能保证动静触头间良好的电接触，必须施加一个外加压力。这个外加压力和自闭力之和称为触头的接触压力。这个接触压力有如下几个作用： （1）保证动、静触头的良好接触，并使其接触电阻少于规定值。 （2）满足额定短路状态时的动稳定要求。应使触头压力大于额定短路状态时的触头间的斥力，以保证在该状态下的完全闭合和不受损坏。 （3） 抑制合闸弹跳。使触头在闭会碰撞时得以缓冲，把碰撞的动能转为弹兴的势能，抑制触头的弹跳。 （4） 为分闸提供一个加速力。当接触压力大时，动触头得到较大的分闸力，容易拉断会闹熔焊点，提高分闸初始的加速度，减少燃弧时间，提高分断能力。触头接触压力是一个很重要的参数，在产品的初始设计中要经过多次验证、试验才选取得比较合适。如触头压力选得太小，满足不了上述各方面的要求；但触头压力太大，一方面需要增大合闸操作功，另外灭弧室和整机的机械强度要求也需要提高，技术上不经济12。 1.9.3接触行程(或称压缩行程)目前真空断路器毫无例外地采用对接式接触方式。动触头碰上静触头之后就不能再前进了，触头接触压力是由每极触头压缩弹簧(有时称作合闸弹簧)提供的。所谓接触行程，就是开关触头碰触开始，触头压簧施力端继续运动至会闹终结的距离，亦即触头弹簧的压缩距离，故又称压缩行程。 接触行程有两方面作用，一是令触头弹簧受压而向对接触头提供接触压力；二是保证在运行磨依后仍然保持一定接触压力，使之可靠接触。一般接触行程可取开距的20%30%左右，10kV的真空断路器约为34mm。 真空断路器的实际结构中，触头合闸弹簧设计成即使处于分闸位置，也有相当的预压缩量，有预压力。这是为使合闸过程中，当动触头尚未碰到静触头而发生预击穿时，动触头有相当力量抵抗电动力，而不致于向后退缩；当触头碰接瞬间，接触压力陡然跃增至预压力数值，防止合闸弹跳，足以抵抗电动斥力，并使接触初始就有良好状态；随着接触行程的前进，触头间的接触压力逐步增大，接触行程终结时，接触压力达到设计值。接触行程不包括合闸弹簧的预压缩量程，它实际上是合闸弹簧的第二次受压行程。 1.9.4平均合闸速度平均合闸速度主要影响触头的电磨蚀。如合闸速度太低，则预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘住，降低灭弧室的电寿命。但速度太高，容易产生合闸弹跳，操动机构输出功也要增大，对灭弧室和整机机械冲击大，影响产品的使用可靠性与机械寿命。平均合闸速度通常取0.6m/s左右为宜。 1.9.5平均分闸速度断路器的分闸速度一般而言速度越快越好，这样可以使首开相在电流趋近于0前23ms时能开断故障电流；否则首开相不能开断而延续至下一相，原来首开相变为后开相，燃弧时间加长了，增加了开断的难度，甚至使开断失败。但分闸速度太快，分闸的反弹也大，反弹太大震动过剧亦容易产生重燃，所以分间速度亦应考虑这方面同素。分闸速度的快慢，主要取决于合闸时动触头弹簧和分闸弹簧的贮能大小。为了提高分闸速度，可以增加分闸弹簧的贮能量，也可以增加合闸弹簧的压缩量，这都必然需要提高操动机构的输出功和整机的机械强度，降低了技术经济指标。经过多年试验认为，10kV的真空断路器，平均分闸速度能保证在0.951.2m/s比较合适12。 1.9.6合闸弹跳时间合闸弹跳时间是断路器在合闸时，触头刚接触开始计起，随后产生分离，可能又触又离，到其稳定接触之间的时间。 这一参数国外的标准中都没有明确规定，1989年底能源部电力司提出真空断路器合闸弹跳时间必须小于2ms。为什么合闸弹跳时间要小于2ms？主要是合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生L.C高频振荡，振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏。当合闸弹跳时间小于2ms时，不会产生较大的过电压，设备绝缘不会受损，在关合时动静触头之间也不会产生熔焊。 1.9.7合、分闸不同期性合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳，因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受。分闸的不同期性太大可能使后开相管子燃弧时间加长，降低开断能力。 合闸与分闸的不同期性一般是同时存在的，所以调好了合闸的不同期性，分闸的不同期性也就有了保证。产品中要求合分闸不同期性小于2ms。 1.9.8合、分闸时间合、分闸时间是指从操动线圈的端子得电时刻计起，至三极触头全部合上或分离止的一段时间间隔。 合、分闸线圈是按短时工作制作设计的，合闸线圈的通电时间不到100ms，分闸线圈的不到60ms。分、合闸时间一般在断路器出厂时已调好，无须再动。 当断路器用在发电系统并在电源近端短路时，故障电流衰减较慢，若分闸时间很短，这时断路器分断的故障电流就可能含有较大的直流分量，开断条件更为恶劣，这对断路器的开断是很不利的。所以用于发电系统的真空断路器，其分闸时间尽可能设计长些为宜。 1.9.9回路电阻回路电阻值是表征导电回路的联接是否良好的一个参数，各类型产品都规定了一定范围内的值。若回路电阻超过规定值时，很可能是导电回路某一连接处接触不良。在大电流运行时接触不良处的局部温升增高，严重时甚至引起恶性循环造成氧化烧损，对用于大电流运行的断路器尤需加倍注意。回路电阻测量，不允许采用电桥法测量，须采用GB763规定的直流压降法12。 1.9.10触头系统真空断路器的触头常采取对接式触头。因为一般的真空断路器在分闸状态下动静触头的距离只有16mm，这么小的距离很难制作出其他形状的接触面，而且平直的接触面瞬间动作电弧的损伤也较小。真空断路器的优点之一是体积小，动静触头要在一个绝对真空的空间内动作，如果制作成其他的对接方式也会增加断路器自身的体积12。2. 断路器电寿命在线监测的几种计算方法实践表明断路器的电寿命是断路器在线监测的重要参数影响电寿命的主要因素是电磨损；包括灭弧室；灭弧介质；触头三方面等，起决定性作用的是触头的电磨损。触头的电磨损取决于开断电流（或电弧电流）和燃弧时间。电寿命的评估算法就是指针对触头的电磨损进行计算，主要围绕开断电流和燃弧时间展开16。所以采用分闸前的短路电流（开断电流）和燃弧时间作为触头烧损情况的判断依据。2.1累计开断电流或电弧能量法公式为： (1) (2)式中:Q为断路器电磨损总量;N为断路器额定开断电流下所允许的开断次数;Iikd为断路器的单次开断电流值;ti为断路器单次开断时间16。这种方法只需测量开断电流的有效值,但灵敏度不高,因而仅在断路器监测初期得到广泛应用。2.2累计开断电流加权法 公式为： (3) (4)公式中Qg为断路器绝对电磨损总量，Ibikd为计及材料灭弧介质时断路器的单次开断电流，Ibkd为计及材料,灭弧介质时断路器的额定单次开断电流,为常数，与断路器触头材料有关。在1和2 之间取值一般取2。这种方法比较简单，而且考虑了触头材料及灭弧介质等对断路器触头电磨损的影响。目前在国内得到广泛应用，但缺点是只能间接求出断路器的电磨损16。2.3计及燃弧时间加权评估法公式为 (5)式中：KW为常数,与灭弧介质，冷却条件，触头运动速度，触头材料等有关。Kg为比例系数，为常数，与触头材料有关，在12之间取值，一般取2.这种方法可以分别累计三相出头的电磨损情况，并根据燃弧时间计算单次开断电流的电磨损量。因此可以较准确地判断断路器的电寿命。但这种方法判断断路器的电寿命需要安装测量燃弧时间的装置，在应用过程中比较繁琐16。2.4触头相对电寿命与相对电磨损法公式为 (6) (7) (8) (9)式中QM为全新的断路器在额定开断电流条件下的单次开断磨损量,Qm为全新的断路器的单次开断磨损量,M为断路器在额定开断电流条件下的单次开断磨损量,m为断路器单次开断磨损量, N为断路器额定开断电流所允许的开断次数,N1为断路器允许的开断次数L1为断路器电寿命的初始值,是一个不大于1的百分数,其值由断路器的运行历史决定,新投运的或经过大修后的断路器的L1可取1 ,L为断路器相对电寿命16。2.5电寿命计算方法的选择真空断路器在现实出产试验会绘制时出其电寿命曲线，如线图2.1所示。图2.1 真空断路器电寿命曲线本文计算真空断路器电寿命采用的是累计开断电流加权法放开，因为这种方法比较简单，容易实现，得到的数据误差小，比较经济实惠，目前在国内得到广泛应用。2.6真空断路器在线监测与离线测试2.6. 1在线监测(1).设预警值：对真空断路器进行在线监测时，由于在线监测的数据参数还没制定规程标准，应根据每个需检测真空断路器的实际情况与运行经验，确定测量结果的判别标准的上限和下限，或设定一个预警值。对其电流设置上限是否在测量值的范围内。并设定所剩余电寿命的百分比为20。达到这个数值及发出警报。(2).数据分析：当电流互感器或其它监测仪器完成最新的数据采集后，测量的数据超过预警值，首先应分析所测的数据是否正确，分析现场环境对真空断路器干扰情况，检查所进行监测设备的回路接线。还要能够及时的排除试验误差2。如若存在上述情况，则可判断测量数据不准确，要重新取数据进行分析。若经分析排除了干扰原因和测量仪器自身问题，测量数据是准确的且超过预警值，应根据该设备的缺陷发生频度和发生危害程度，确定对该设备的状态影响，并且修改设备的状态，使其状态级别下降或直接显示不良，推论该设备在同样运行条件下，会产生类似缺陷，因而提前作出检修安排。2.6.2离线补充测试在线监测判断真空断路器需进行检修后，应对真空断路器进行离线补充测试，为了确定试验的准确性，以便及时处理故障，保证真空断路器的正常运行。3方案设计3.1设计要求在检测过程中，能及时反应真空断路器的状态对电网有着很大的影响。以单片机为核心设计一个在线检测真空断路器电寿命的系统。（1）系统可以及时反应真空断路器的状态，满足工作要求。（2）电路简单合理、经济适用。（3）实现电流的采集，并通过数字显示器显示出准确剩余电寿命值和已断开次数。（4）超值报警，检测精确。3.2设计思想本次设计要实现的是功能是在线检测真空断路器电寿命系统，通过从网上查阅的大量资料，我对在线检测真空断路器电寿命系统有了大致的了解，为了对在线检测真空断路器电寿命系统有更直观的演示，我对于这次设计任务采取了如下方案：（1）采用AT89C51单片机作为控制电路的核心。（2）真空断路器选择采用继电器来代替，这样可以更直观的实现的真空断路器变化。继电器的变化通过电流互感器采集信号，通过ATT7022B传送单片机的I/O口，实现单片机对系统的监测。（3）通过对继电器的断开变化来实现对每个通道采集的情况。（4）单片机通过对按键和液晶显示能够客观的监测到真空断路器电寿命的变化，蜂鸣器和三极管可以实现电寿命超值报警。（5）软件部分用Keil C51编写程序。 在遵循系统原则的基础上，设计了系统的总体方案图如3.1下：AT89S52报警电路显示电路控制电路采集电路 3.1统结构图总体设计方案框图如上图所示，在时钟晶振的起振下，单片机系统有了运行的能力。继电器代替真空断路器，独立按键切换LCD1602的显示屏，拨动开关实现继电器的开断；开关的电平变化单片机将会给ATT7022B命令并将采集的电流值返回单片机，单片机进行处理。单片机处理好以后传给LCD1602显示出相应的剩余电寿命值和已开断的次数。在单片机的处理过程中如果检测到电寿命值超过了设置的极限值时，蜂鸣器报警系统就会报警。这样就会达到真空断路器触头电寿命在线监测的要求。3.3方案确定（1）采用AT89S52单片机作为核心控制芯片，组成监测电路。（2）采用继电器来代替真空短路器，实现对信号的变化选择。（3）采用电流互感器来采集电流信号。并通过AT7022B进行信号处理（4）采用独立按键和LED1602来实现对电寿命的变化和显示情况。（5）采用蜂鸣器和三极管来实现在线系统的超值报警。4 硬件设计制作4.1最小系统模块（1）起振模块图4.1起振模块图为了保证单片机能正常工作，在振荡器不起振的情况下，这个单片机系统是不能工作的，再假如这个振荡器的运行不规律的话，系统在执行运行程序的时候在时间上是会出现混乱以及误差的。这种情况在通信行业领域会体现得很明显：整个电路将无法进行通信。这个起振功能模块是由一个晶振以及两个瓷片电容构成的，功能模块上的X1，X2分别接到单片机上的X1，X2端口。这样就将起振模块与单片机连接起来了。（2）复位电路模块 图4.2 复位电路模块图当按一下开关按钮，这时候就会给单片机一个复位的信号，这个复位信号是低电平的，并且这个信号将会使单片机的程序从头开始运行。总的来说有两种复位方式：上电复位和手动复位。上电复位就是利用系统在一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给最小系统一个短时间的有效低电平。而手动复位就是通过按钮来接通并且给低电平让系统进行复位的，这个时候如果手一直按着按钮，那么这个系统将会一直复位。这样就不能使程序正常进行了。在这里需要注意的是电解电容的正负极，假如这个电解电容的正负极接反了，这个就可能会造成爆炸的危险。（3）蜂鸣器报警模块 图4.3 蜂鸣器模块 这个模块由单片机的FM引脚发出一个信号，再有三极管将信号放大，由这个经过放大的信号来驱动蜂鸣器，使蜂鸣器发出响声。这个模块主要是在当程序里面需要用到报警来提醒人们的时候，这时候的模块就会有用了。4.2系统器件选择和电路设计4.2.1 单片机AT89S52（1）主要性能单片机AT89S52的主要性能分别为：与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器、 32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、11掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。（2）功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash、256字节RAM、32 位I/O 口线、看门狗定时器、2个数据指针、三个16 位定时器/计数器、一个6向量2级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。（3）引脚结构图4.4单片机AT89S52引脚结构图VCC: 电源GND: 地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表4.1所示: 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）表4.1P1口引脚第二功能P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。表4.2P3口引脚第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT0(外部中断0)P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表4.2所示：在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA /VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。从上述单片机介绍中可以看出AT89S52单片机功能强大，存储器有片内存储和片外存储两种存储器，控制器的容量都是跟自身芯片面积成比例关系，内存容量大。内部的ROM和RAM分工严格；位处理功能很强，单片机中对于逻辑的控制处理能力强，尤其体现在对位功能的处理，对位处理的同时，单片机的运行速度还是很快的。在本次设计中，对于要实现的功能，采用AT89S52单片机足以满足要求。4.2.2多功能三相电能专用计量芯片ATT7022B ATTT022B是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶sigma-ddtaADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适合于三相三线和三相四线应用。该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在电能(PQS、RMS)，充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作的要求。芯片主要特性如下： 高精度，在输入动态工作范围(1000：1)内，非线性测量误差小于0.1。 有功测量满足0.2s、0.5s，支持IEC6205322，GB,T17883.1998；功测量满足2级、3级，支持IEC62053，GBT 17882.1999 提供基波、谐波电能以及总电能测量功能； 提供视在电能测量功能； 提供正向和反向有功、无功电能数据； 提供有功、无功、视在功率参数； 提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0.5；内置温度测量传感器； 可测量到21次以上谐波的有功和无功功率； 支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿； 具有SPI接口，方便与外部MCU通讯； 4.5 ATTT022B框图4.2.3液晶显示模块LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母，数字，符号等的点阵式液晶显示模块。在显示器件上的电极图型设计，它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成。每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一空点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。（1） LCD1602的功能LCD1602采用标准的14脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，外接1个10K的电位器可调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址.RW为高电平时可以读忙信号，当RS 为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由低电平跳变成高电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。（2） LCD的基本操作LCD1602基本操作时序：读状态：输入；RS=L，RW=H，E=H 输出：D0D7=状态字写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码， E=高脉冲 输出：无读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：D0D7=数据写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据， E=高脉冲 输出：无对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保STA7为0（3） LCD1602连接电路图 图4.6 LCD1602接口电路图LCD1602是整个电路的显示部分，单片机与LCD1602的通信是使用单片机的P0端口，控制线EN、R/W、RS分别与单片机的P2.6、P2.5、P2.4相连。从而控制LCD1602。LCD与单片机的接口电路如下图。中LCD1602的15引脚是LCD的供电电源，当起低于5V的时候，则LCD不能正常显示或者显示暗淡，当接入的电压为5V的时候，将开启背光灯。LCD1602的7脚到14为做为8位的数据端口，通过此端口，单片机写入数据或者指令。其中14引脚作为状态的标志位，当此引脚的电平为低电电平的时候，才允许对LCD16O2进行读写操作，否则会产生错误。LCD1602的3脚是调整对比度的调整，当该引脚的电平发生改变时，则对比度将发生变化，因此外接10K的滑动变阻器来调整该引脚的电压，从而达到对比度的调整。因为LCD1602液晶显示器每行可以进行16个字符显示，还可以进行扫屏操作，可以满足我们本次设计的要求，而且1602操作简单，偏于程序实现，并且价格适中，所以这次设计的显示模块我们采用的是LCD1602。LCD1602的接口电路图如4.6图所示。4.2.4继电器和电流互感器的选择 电流互感器是根据电磁感应原理生产的，一次侧绕组线圈匝数很少，二次侧匝数相对较多，以达到降流的目的，变流比是根据线圈的匝数来计算的，二次侧绕组和一次侧绕组的线圈匝数之比约等于一次侧线圈电流和二次侧线圈电流的比值，本设计中采用的电流互感器的变流比为1000:1。 本设计中采用的电流互感器是用来采集电流的，实际的电流值低于5A的电流。而电压为220V，所以选择的电流互感器的型号为250V-5A的额定值。 继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 本设计中采用继电器就是用来控制线路的开断，记继电器的开断次数。这样就可以满足设计要求，继电器的选择为220V_12A。