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1、工频耐压试验机的设计毕业论文摘要 随着电力系统额定电压的提高,对系统供电可靠性的要求也愈高,由于设备绝缘不可靠而引起事故所带来的损失远远超过电气设备本身价值,而且现阶段各种绝缘试验还是验证高压电气设备绝缘能否在现场安全可靠运行的重要手段。因此对于交流高压电气设备,工频耐压试验在高电压技术中具有非常重要和不可替代的地位和作用。以往的工频耐压试验控制线路一般均为继电器、接触器所组成的手动继电控制系统,实现操作顺序和升降压速度变化、升降压过程等均由人工控制,容易出错,且精度得不到保证,若试验过程中出现故障还需技术人员进行分析查找,很是费时,对试验人员来说,工作量很大,而且手动操作的过程,对试验的准确

2、性,也有影响。以工控机为核心的工频耐压控制系统具有编程复杂、价格昂贵、抗干扰能力差的弱点。针对上述情况,本文提出了以可编程控制器(PLC)为核心,同时又能与手动控制系统并行使用的新型工频耐压控制系统。本文通过对常用的几种高电压测量方法进行分析比较,选择电容分压器法测量试验电压,同时采用全波傅立叶算法分析谐波分量并设计滤波电路消除试验电压中的谐波。设计了工频耐压控制系统的主回路包括接触式调压器、试验变压器、NSP保护装置等。同时设计控制回路包括:工作方式设定、动作顺序控制、耐压时间设定、调压器位置检测与报警、试验电路过电流保护等。设计电压、电流、试验电压测量电路。研究了暂态恢复过电压保护系统。最

3、后,使用西门子S7-300编程软件进行包括数字信号、模拟信号的处理以及整个控制系统的软件编程与调试。同时制作WINCC界面,配合硬件控制系统实现了监控试验过程的功能。本文通过软、硬件的设计满足了相关试验标准规程要求,提高了试验的准确性、科学性,通过调式达到了预期的效果。关键词: 工频耐压试验,可编程控制器,控制系统设计,WINCCAbstractThe requirement for the reliability of electric Power supply in electric Power system is ever-increasingly high with the impro

4、vement of rated voltage. The loss incurred by Unreliable equipment insulation far exceeds the value of electrical equipment, but the Insulation test is an important method to demonstrate whether high-voltage electric equipment can run reliably and safely on site .Therefore, for high-voltage test ele

5、ctric equipment with automating current, Power frequency voltage endurance test plays an important role in high-voltage technique.The traditional control circuit of Power frequency voltage-withstand test is a manual relay system composed of relay and cont. actor, which Performs operating sequence an

6、d rate change of ascending or descending voltage. Voltage change by manual control is not very accurate, in the meantime, technician must spend time and vigor analyzing and finding the reason of fault. At the same time, there are some weaknesses of Programming complex, expensive, poor anti-interfere

7、nce ability for industrial computer control system. According to these circumstances, this dissertation puts forward a novel Power frequency voltage-withstand control system that the nuclear Part is a PLC, which can be used with manual control system in Parallel.In this dissertation, capacitance div

8、ider is selected to measures test voltage in comparison with several kinds of cannon high-voltage measurement. In the meanwhile analyzing nominate component based on the Improved Fourier Transformations and Designing filter circuit to eliminate harmonic waves of test voltage. The designing of the ma

9、in circuit of Power frequency voltage-withstand control system which consists contact voltage regulator, test transformer, NPS Protection equipment and so on. The control circuit consists working mode setting, movement sequence control, and voltage-withstand time setting, voltage regulator Position

10、detection and alarming, over-current Protection of test circuit etc. In addition, detection circuit of voltage, current, and test voltage are designed and Over-voltage Protection system for transient recovery is developed. Finally, S7-300 Program software is applied to Programming and debugging digi

11、tal signal and analog signal. Furthermore, WINCC interface is made to mate hardware control system to monitor test. The design of software and hardware in this dissertation meets the need of related test standard specifications, improve Precision and scientific of test, and attain the target result

12、by debugging.Key Words: Power Frequency Voltage-Withstand Test, Programmable Controller, Control System Design, WINCC 摘要 IAbstract I第一章 绪论 - 1 -1.1 关于工频耐压试验 - 1 -1.2 工频耐压试验控制系统研究的目的及意义 - 1 -1.3 国研究的现状 - 4 -1.4 课题研究的主要工作容 - 5 -第二章 试验原理及模拟试验电压谐波分析 - 6 -2.1 工频耐压试验原理 - 6 -2.2 试验电压测量方法选择 - 7 -2.2.1 球隙法测量

13、 - 7 -2.2.2 静电压表法测量 - 9 -2.2.3 峰值电压表法测量 - 10 -2.2.4 分压器法测量 - 11 -2.3 模拟试验电压谐波分析 - 15 -2.3.1 试验电压谐波的产生 - 15 -2.3.2 谐波分析算法 - 16 -2.3.3 仿真模型及结果分析 - 17 -2.4 工频耐压试验过程中应注意事项 - 21 -2.5 本章小结 - 23 -第三章 工频耐压试验控制系统硬件设计 - 24 -3.1 控制系统主回路设计 - 24 -3.1.1 电气图设计原则 - 24 -3.1.2 工频耐压试验对控制系统的要求 - 25 -3.1.3 控制系统主回路 - 25

14、-3.2 控制系统控制回路设计 - 27 -3.3 控制系统测量电路设计 - 31 -3.3.1 电压测量电路设计 - 31 -3.3.2 试验电压测量电路设计 - 34 -3.3.3 电流测量电路设计 - 34 -3.3.4 电源电路设计 - 36 -3.3.5 电源滤波电路设计 - 37 -3.4 PLC控制系统整体设计方案 - 39 -3.5.1 暂态恢复过电压的产生及危害 - 40 -3.5.2 暂态恢复过电压消除方法 - 40 -3.6变频调速系统的设计 - 41 -3.6.1 变频器型号及相关参数 - 41 -3.6.2 变频器调速控制回路 - 42 -3.7 本章小结 - 44

15、-第四章 工频耐压试验控制系统软件设计 - 45 -4.1 软件设计的主要任务 - 45 -4.2 控制系统下位机程序设计 - 45 -4.2.1 STEP编程语言 - 45 -4.2.2 STEP 7程序设计步骤 - 46 -4.2.3 控制系统主程序设计 - 47 -4.2.4 控制系统子程序设计 - 51 -4.2.5 下位机程序调试 - 54 -4.3 控制系统上位机界面设计 - 54 -4.3.1 WINCC简介 - 54 -4.3.2 WINCC组态界面创建过程 - 55 -4.4 WINCC组态界面 - 57 -4.4.1 初始组态界面 - 57 -4.4.2 单步控制态界面 -

16、 58 -4.4.3 连续控制试验组态界面 - 58 -4.4.4 试验主回路组态界面 - 58 -4.4.5 上位机组态界面调试 - 59 -4.5本章小结 - 60 -第五章 结论 - 61 -在学研究成果 - 62 -参考文献 - 63 -致谢 - 66 -第一章 绪论1.1 关于工频耐压试验电力设备在运行中,绝缘强度长期受电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣化,包括整体劣化和部分劣化,形成绝缘缺陷。而在电力系统所发生的事故中,很大一部分都是由于设备或线路的绝缘遭到破坏所造成的。可以说,在电力系统工作中常常由于某一部分或某一个设备的绝缘遭到破坏引起事故,破坏电力系统工作的可靠运行,由于

17、电气设备绝缘工作不可靠引而引起事故所带来的经济损失远远超过设备本身的价值。工频耐压试验就是对电力设备施加一定的电压,并保持一定时间,以考察电力设备绝缘承受各种电压的能力。工频耐压试验能有效地发现电气设备存在的绝缘缺陷,是考验电力设备绝缘承受各种过电压能力最严格、最有效的方法,是保证设备安全运行的重要手段。其他的试验方法,例如:绝缘电阻试验、吸收比试验、泄漏电流和直流耐压试验以及介质损失角正切值测量试验等,虽然也能发现很多绝缘缺陷,但因其试验电压低于被测试品的工作电压,往往对一些绝缘缺陷不能及时发现。因此,工频耐压试验可在上述试验均合格后进行。如在这些试验中已查明有绝缘缺陷,则应设法消除,并重新

18、试验合格后进行工频耐压试验,以免在工频耐压试验过程中,发生绝缘击穿,扩大绝缘缺陷,延长检修时间,增加检修工作量2。工频耐压试验会使原来可能存在的绝缘弱点进一步发展(但又不至于在耐压时击穿),使绝缘强度逐渐衰减,形成绝缘部劣化的积累效应。试验电压越高,发现绝缘缺陷的有效性越高,但被试品被击穿的可能性越大,积累效应也越严重。反之,试验电压低,又增加了设备在运行中击穿的可能性。绝缘击穿电压值不但与所加电压有关,而且还与加压的持续时间有关,尤其以有机绝缘特别明显,其击穿电压随加压时间的增加而逐渐下降。因此,必须正确选择试验电压和耐压时间。国家根据各种设备的绝缘材质和可能遭受的过电压倍数,规定了相应的试

19、验电压和时间标准。现有标准规定耐压时间为l min, 一方面是为了便于观察被试品的情况,使有弱点的绝缘能够暴露,特别是固体绝缘发生热击穿需要一定的时间;另一方面又不至于因时间过长而引起不应有的击穿3。1.2 工频耐压试验控制系统研究的目的及意义为了检验电气设备的绝缘强度,使其不仅能在正常的工作电压下安全可靠的运行,而且还必须具备耐受各种过电压的能力。这就需要使用交流、直流、冲击电流等各种波形的高电压对电气设备绝缘进行耐压试验。进行高压电气设备或输电线路绝缘的工频耐压实验,开展绝缘理论和应用技术的研究性试验,确定绝缘材料的绝缘性能试验,都需要高性能的试验电压产生设备和完善可靠的控制、测量、保护及

20、分析环节组成的工频绝缘耐压试验控制系统。为了确保各种高压电气设备和输电线路的绝缘能够在现场安全可靠的运行,开展工频耐压试验的控制系统具有理论和实用价值l4。试验方面的技术革新惊人的速度和试验设备的日新月异,使传统的手动控制系统相比之下十分的落后,工作效率低,劳动量大。目前,国在高压电器产品型式试验方面的自动化水平大多数都较落后。以往的工频耐压试验控制线路一般均为继电器、接触器所组成的手动继电控制线路,操作顺序和升降压速度、升降压过程均由人工控制,容易出错,且精度不高,若试验过程中出现故障还需技术人员进行分析查找,很是费时,另外,试验过程中的各项试验指标、数据、结论均得人为记录、整理、输出,对试

21、验人员来说,工作量很大,而且手动操作的过程,对试验的准确性,也有影响5。而以工控机为核心的工频耐压控制系统具有编程复杂、价格昂贵、抗干扰能力差的弱点。本课题的研究目的和意义就在于利用可编程控制器(PLC)控制技术设计出一套硬件和软件兼容度较好的控制系统,这套控制系统的实践应用若能成功实现,那对于高压电器型式试验来说,可以提高试验的自动化程度,减轻劳动强度,提高试验的数据收集,处理系统的性能,所以这方面的研究潜力是相当大的,也有很高的实际价值。PLC控制系统与传统电气控制系统的比较有许多相对独道之处,主要表现在以下几个方面。(l)控制方法。传统电气控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点

22、的串联或并联等组成控制逻辑,其连线多并且复杂、体积大、功耗大,系统构成后想第一章绪论器研究所试验室、高压试验所、虎石台试验站、华通开关厂试验站和清河试验站等。近10余年来,由于电气设备故障诊断的需要以及传感技术、光纤技术、信号处理技术、计算机技术等的发展,使电气试验中采用的新设备不断增多,新方法不断涌现,新技术不断应用,诊断技术不断提高,从而出现喜人的新局面。高压电器研究所大容量试验室三期工程项目已通过国家验收。在项目实施过中,90%以上的设备由国自主研制。三期工程建设期间,西高所自主设计研制了15kV、10OkA真空断路器这一具有世界领先水平的设备,以及合闸开关、TRV装置、调节电抗器、过电

23、压保护装置、多种隔离开关等非标准设备,共计11种203台(套),多数设备参数达到国际或国先进水平,不仅满足了试验装备需要,而且大大降低了工程建设成本。三期工程提高了12-40.5kV高压断路器直接试验能力和水平,满足了相关国家标准和国际IEC标准及电力部门的特殊要求,扩大了试验领域,填补了国空白,以新建短路发电机、短路变压器系统为电流源,与新建成的SO0kV断路器试验系统联合作合成试验。试验能力达到550kv、63kA整极和SO0kV、63kVI/2极,使大容量试验能力达到世界先进水平。是国自主技术创新的一次集中展现,为中国高压输变电设备的自主发展提供了必备条件。计算机及其应用技术在近二十年得

24、到了特别快的发展,广泛地应用在工业、农业科技、军事等社会生活和生产的各个领域。但是它在高压试验技术领域,特别是在超高压试验技术中的应用比较滞后。国外在工频绝缘试验中应用计算机控制系统的报道还比较少。通过查阅相关资料获悉国外已经对高压电气设备绝缘的直流和交流试验方法进行了分析和比较的研究,并对两种试验方法进行了客观评述l0。也有关于高压电气设备的绝缘在运行过程中将产生老化、性能变坏,其泄漏电流和局部放电将产生无线电噪声,测量、监视和显示绝缘中的噪声,可以获得设备的绝缘状况,并对监测程序的方法进行了探讨11“。对高电压的测量一直是工频耐压试验的难题,国外有采用光或光磁技术对超高压、特超高压进行测量

25、的研究LBJ。美国Microchip公司生产的Plc16c57单片机进行了工频绝缘试验控制系统的研究开发,论文主要论述了应用单片机完成试验过程的自动控制。控制系统的输出电压为look。通过查看相关文献看出:对于试验过程的计算机控制(包括计算机系统和单片机)已经有了一定的研究,但是没有出现过实际运行的报道。对于试品击穿或业大学硕十学位论文可靠性高,抗干扰能力是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,主要表现在以下几个方面。1)所有的1/0接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC部电路之间电气上

26、隔离,如图1.1所示。2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10-ZOmS。3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。4)采用性能优良的开关电源。5)对采用的器件进行严格的筛选。6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三个CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。1.3 国研究的现状高压电器试验的能力和水平反映一个国家高压电器的发展水平。至1985年,世界各国建立的高压电器试验室己有40多个,分布在美国、苏联、加拿大、荷兰、法国、日本、意大利、德国、瑞典、瑞士、英国等十几个

27、国家。在中国,有高压电器研究所试验室、高压试验所、虎石台试验站、华通开关厂试验站和清河试验站等。近10余年来,由于电气设备故障诊断的需要以及传感技术、光纤技术、信号处理技术、计算机技术等的发展,使电气试验中采用的新设备不断增多,新方法不断涌现,新技术不断应用,诊断技术不断提高,从而出现喜人的新局面。高压电器研究所大容量试验室三期工程项目已通过国家验收。在项目实施过中,90%以上的设备由国自主研制。三期工程建设期间,西高所自主设计研制了15kV、10OkA真空断路器这一具有世界领先水平的设备,以及合闸开关、TRV装置、调节电抗器、过电压保护装置、多种隔离开关等非标准设备,共计11种203台(套)

28、,多数设备参数达到国际或国先进水平,不仅满足了试验装备需要,而且大大降低了工程建设成本。三期工程提高了12-40.5kV高压断路器直接试验能力和水平,满足了相关国家标准和国际IEC标准及电力部门的特殊要求,扩大了试验领域,填补了国空白,以新建短路发电机、短路变压器系统为电流源,与新建成的SO0kV断路器试验系统联合作合成试验。试验能力达到550kv、63kA整极和SO0kV、63kVI/2极,使大容量试验能力达到世界先进水平。是国自主技术创新的一次集中展现,为中国高压输变电设备的自主发展提供了必备条件。计算机及其应用技术在近二十年得到了特别快的发展,广泛地应用在工业、农业科技、军事等社会生活和

29、生产的各个领域。但是它在高压试验技术领域,特别是在超高压试验技术中的应用比较滞后。国外在工频绝缘试验中应用计算机控制系统的报道还比较少。通过查阅相关资料获悉国外已经对高压电气设备绝缘的直流和交流试验方法进行了分析和比较的研究,并对两种试验方法进行了客观评述l0。也有关于高压电气设备的绝缘在运行过程中将产生老化、性能变坏,其泄漏电流和局部放电将产生无线电噪声,测量、监视和显示绝缘中的噪声,可以获得设备的绝缘状况,并对监测程序的方法进行了探讨11“。对高电压的测量一直是工频耐压试验的难题,国外有采用光或光磁技术对超高压、特超高压进行测量的研究LBJ。美国Microchip公司生产的Plc16c57

30、单片机进行了工频绝缘试验控制系统的研究开发,论文主要论述了应用单片机完成试验过程的自动控制。控制系统的输出电压为look。通过查看相关文献看出:对于试验过程的计算机控制(包括计算机系统和单片机)已经有了一定的研究,但是没有出现过实际运行的报道。对于试品击穿或沿试品表面闪络产生暂态恢复过电压、出现强烈的电磁干扰和放电电流引起的地电位抬高时,应用计算机对试验电压和试验电流进行测量,相关文献做了一些研究工作,但对试品击穿或闪络产生暂态恢复过电压时的瞬态保护研究较少。鉴于国外的发展现状,认为工频耐压控制系的设计与研究很有其实际意义。1.4 课题研究的主要工作容针对传统手动控制系统以及工控机控制系统自身

31、的不足,本文设计了一套以PLC为核心的新型工频耐压试验控制系统。课题主要完成以下几个方面的研究:(1)通过对常用高电压测量方法进行分析比较,选择合适的测量高电压方法;采用全波傅里叶算法对模拟试验电压谐波分量进行分析。(2)控制系统的硬件设计:包括控制系统主回路、手动控制回路、PLC控制系统、电压电流测量电路、电源电路、电源滤波电路设计等。(3)控制系统的软件设计:使用西门子公司S7-300进行包括数字信号、模拟信号的处理以及整个控制系统的编程及调试。制作WINCC组态界面,配合硬件实现实时监控试验过程的功能。(4)最后,对工频耐压试验控制系统进行调试,验证其综合性能。第二章 试验原理及模拟试验

32、电压谐波分析第二章 试验原理及模拟试验电压谐波分析2.1 工频耐压试验原理工频耐压试验接线图如图2.1所示。电源部分经过调压器来改变电压幅值,并加到试验变压器原边,同时在试验变压器副边产生一个高于试品正常工作的电压,并加在被测试品的绝缘体上,持续一段规定的时间,如果其间的绝缘性足够好,加在上面的电压就只会产生很小的漏电流并且被测试品绝缘体在耐压过程时间没有发生击穿,就可以确定这个被测试品可以在正常的运行条件下安全运行。根据目前高压测量技术达到的水平,我国国家标准和国际电工委员会的推荐标准都规定:对于高电压和冲击电流的测量、除某种特殊情况外,误差应在士3%以。在高压测量中要达到达个要求并不是轻而易举的。因此必须对测量系统的每个环节的误差加以限制。用的低压指示仪表的准确度至少为0.5级。所示对试验方法的选择是试验成功的关键。2.2 试验电压测量方法选择工频耐压试验电压值的确定考虑了电气设备运行过程中可能遭受的雷电过电压和操作过电压的作用,因此它比电气设备的额定电压要高得多。工频耐压试验能有效地发现绝缘中危险的集中性缺陷,是检