第1章緒論1.1選題的背景及意義如今電力已經(jīng)成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的必需品。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對社會的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。自動重合閘的出現(xiàn)極大地提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過自動監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)和實時調(diào)整，自動重合閘可以及時隔離故障，保障電力系統(tǒng)的正常運行。這不僅提高了電力系統(tǒng)的可靠性，也減少了因電力故障帶來的不便和損失。自動重合閘的應(yīng)用為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了重要保障。1.1.1自動重合閘的主要作用在電力系統(tǒng)的演進(jìn)過程中，自動重合閘被視作一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其主要作用是在線路出現(xiàn)故障跳閘時自動觸發(fā)斷路器重新合閘，以消除電力系統(tǒng)中的瞬態(tài)故障，并且盡力確保健康區(qū)段的供電可靠性。當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致某些電路中斷時，自動重合閘能夠自動檢測故障并迅速關(guān)閉故障部分，然后嘗試電力重新合上中斷的電路，以盡量減少停電時間，恢復(fù)供電。自動重合閘可以幫助維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在某些情況下，當(dāng)電路突然中斷時，系統(tǒng)可能會受到?jīng)_擊，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過自動重合閘，可以減少這種情況沖擊，有助于系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持。自動重合閘具有如下重要意義：①采用自動重合器可以有效地增強電源的穩(wěn)定度，減少線路的停工期；②可以更正繼電保護(hù)因誤操作而產(chǎn)生的錯誤觸發(fā)；③可以降低人工成本，節(jié)省維持正常供電所需要的投資；④對于高壓輸配電線路，可以提高可靠性，避免輸電線路供電不平衡導(dǎo)致波動。1.1.2自動重合閘裝置應(yīng)用中的技術(shù)難點盡管自動重合閘可以解決瞬間失效問題，但在系統(tǒng)失效是永久性的情況下，它的工作不僅不能消除電網(wǎng)的故障，而且會對系統(tǒng)的設(shè)備造成二次影響。由此導(dǎo)致設(shè)備損壞，嚴(yán)重時可危及生命。如果能夠?qū)收项愋瓦M(jìn)行檢測和判定，可以有效地防止在永久失效情況下重合閘對設(shè)備的傷害。自動重合閘裝置可能在各種環(huán)境條件下運行，包括高溫、低溫、高濕度等。因此，其設(shè)計需要考慮環(huán)境條件，確保在各種環(huán)境條件下都能正常工作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能因地區(qū)、類型和規(guī)模而異。自動重合閘裝置需要具備一定的配合，能夠適用于不同類型的電力系統(tǒng)，并在不同的條件下穩(wěn)定可靠地運行。1.1.3故障自檢測功能的自動重合閘裝置意義若能根據(jù)故障位置識別并自動重合，就能避免永久性故障對電網(wǎng)的損害。通過對故障點的探測，監(jiān)控影響參數(shù)，確定故障類型，可以大幅度地減少永久失效的發(fā)生幾率，降低配電損耗。采用這種預(yù)防性維修措施，既能提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性，又能延長其使用壽命。通過對可能存在的問題進(jìn)行及時的檢測和修復(fù)，我們可以確保電力系統(tǒng)的正常運行，保障用戶的用電需求，同時也減少了維修和更換設(shè)備的成本和時間。在電力行業(yè)中，這種預(yù)防性維護(hù)措施是非常重要和有效的。1.2國內(nèi)外自動重合閘發(fā)展現(xiàn)狀自動重合閘是一種重要的電氣設(shè)備，自出現(xiàn)以來受到了各國研究人員的廣泛關(guān)注。他們的研究涉及到自動重合閘的原理、工作機制、性能優(yōu)化等方面。通過這些研究，人們可以更好地了解自動重合閘的作用和應(yīng)用，進(jìn)一步推動其在電力系統(tǒng)中的發(fā)展和應(yīng)用。1.2.1國內(nèi)自動重合閘發(fā)展歷程及現(xiàn)狀自動重合閘技術(shù)在中國的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，主要包括技術(shù)引進(jìn)、自主研發(fā)和國產(chǎn)化三個階段。以下是中國國內(nèi)自動重合閘發(fā)展的主要歷程：1.技術(shù)引進(jìn)階段（20世紀(jì)80年代初-90年代初）：我國在電力設(shè)備領(lǐng)域技術(shù)水平相對滯后，因此開始引進(jìn)國外先進(jìn)的自動重合閘技術(shù)。該階段主要以引進(jìn)國外的技術(shù)設(shè)備和完整系統(tǒng)主導(dǎo)，滿足當(dāng)時電力系統(tǒng)的自動化和安全需求。2.技術(shù)研發(fā)與國內(nèi)引進(jìn)階段（90年代中期-2000年代初）：隨著電力系統(tǒng)不斷推廣和現(xiàn)代化的要求，我國開始加強對自動重合閘技術(shù)的研發(fā)和引進(jìn)。一些國外先進(jìn)技術(shù)被引進(jìn)，同時也開始進(jìn)行相關(guān)的研究與開發(fā)。3.技術(shù)創(chuàng)新與國產(chǎn)化階段（2000年代中期-2010年代初）：在國際技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)上，我國加強了自動重合閘技術(shù)的研發(fā)，并逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化。國內(nèi)企業(yè)開始生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動重合閘設(shè)備，提高了技術(shù)水平和制造能力。4.數(shù)字化轉(zhuǎn)型與自動化發(fā)展階段（2010年代至今）：隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推動，自動重合閘進(jìn)入數(shù)字化和自動化發(fā)展的新階段。先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)、通信技術(shù)和智能算法被評估為自動重合閘裝置，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性和修飾水平。目前的現(xiàn)狀包括：1.技術(shù)水平：中國自動重合閘技術(shù)水平得到顯著提升，具備了一定的自主創(chuàng)新能力。在數(shù)字化、自動化方面取得了一些成果。2.國產(chǎn)化水平：國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)具備生產(chǎn)自動重合閘設(shè)備的能力，國產(chǎn)化水平逐步提高。一些企業(yè)在自動重合閘領(lǐng)域取得了一定的市場份額。3.應(yīng)用范圍：自動重合閘已廣泛評價國內(nèi)電力系統(tǒng)，尤其是在重要的電力輸配站和關(guān)鍵電力設(shè)備中。4.標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：隨著技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也得到了完善，以確保自動重合閘的設(shè)計、制造和使用符合一定的安全和質(zhì)量要求。目前，謝宗耀等對近幾年高壓線路的跳閘率及操作缺陷進(jìn)行了分析，認(rèn)為其產(chǎn)生的原因有很多。包括雷擊，風(fēng)向偏差放電，外力破壞，鳥類災(zāi)害，冰層和波浪，污染閃光等。電力傳輸與分配的問題將對電力品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。并提出了一種具有特殊結(jié)構(gòu)的配電線路失效等級的結(jié)構(gòu)化聯(lián)接和分類，并以斷路器的自動重合閘特性為依據(jù)。金巍昊通過對新能源電力接入配電網(wǎng)的保護(hù)與自動重合閘的影響進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了基于地區(qū)信息的自動重合閘技術(shù)。目前，我國自動重合閘系統(tǒng)主要有以下幾個方面的問題：①自動重合閘設(shè)備的智能化程度還需要進(jìn)一步提高當(dāng)前大部分的自動重合閘設(shè)備均為單獨的，缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息檢測和交互功能，不能與其他電力裝置相互配合。②無法對故障進(jìn)行分析的情況下，自動重合閘就無法執(zhí)行操作無法對切斷電路后重新閉合進(jìn)行任何評估，無法分辨故障是暫時的還是永久的。若故障持續(xù)存在且沒有及時處理，可能對整個電力系統(tǒng)造成重大危害。③缺乏對分布式電源的充分考慮許多光伏發(fā)電系統(tǒng)既是電力消耗單元，也是電力發(fā)電單元，可對自動重合閘動作產(chǎn)生影響，但目前的自動重合閘還未充分考慮到分布式電源的情況。1.2.2國外自動重合閘發(fā)展歷程及現(xiàn)狀國外對自適應(yīng)重合閘的控制方法的研究起步較晚，直至1994年，有關(guān)自適應(yīng)重合閘的文獻(xiàn)中才出現(xiàn)。IEEE繼電保護(hù)委員會首次發(fā)布了一份關(guān)于自適應(yīng)重合閘功能滿意度的調(diào)查問卷。通過對問卷的歸納，發(fā)現(xiàn)各個層面都對自適應(yīng)重合閘有較高的評價和期望。根據(jù)電弧特性，判定故障是暫時的或永久的；根據(jù)故障時的高頻信號，判定故障是暫時或永久的；在此基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對故障判定瞬時或永久失效進(jìn)行了辨識。這三種方法都有各自不同的適用范圍，但是實際效果卻不盡人意。例如，為了處理故障狀況而采集高頻信號必須采用復(fù)雜的硬件和軟件設(shè)備，在實際使用中導(dǎo)致成本高、實現(xiàn)困難。1.3本文研究內(nèi)容和安排第一章介紹了自動重合閘主要作用和應(yīng)用中的技術(shù)難點，自檢自動重合閘裝置的作用是確保設(shè)備故障時能自動恢復(fù)正常運行。通過對國內(nèi)外有關(guān)自動重合閘的研究，對目前我國電力系統(tǒng)與自動重合閘的主要問題進(jìn)行了分析，并對今后的發(fā)展提出了一些亟待解決的問題。第二章對自動重合閘設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，并對其進(jìn)行了分析。通過對不同類型、不同原因的分析，分析了不同的短路、瞬時性、永久性、斷線等故障，并對其產(chǎn)生的影響進(jìn)行了討論。并探討了自動重合閘機的工作原理及觸發(fā)條件。第三章重點設(shè)計了自動重合閘機構(gòu)，具備故障自診斷功能。該系統(tǒng)采用了光電傳感器模塊實現(xiàn)雷電探測，并采用天氣傳感器對雨、雪等進(jìn)行監(jiān)測。采用絕緣電阻、過流兩種方法對永久失效進(jìn)行檢測，并對其進(jìn)行全面的分析。第四章對自動重合閘器的新型部件進(jìn)行了詳細(xì)的論述。本文分析了故障自動檢測裝置與重合閘控制裝置的要求，并對各種處理器的功能及性能特性進(jìn)行了討論。同時，本文還就新型自動重合閘設(shè)備的軟件系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)測試等問題進(jìn)行了深入的探討。第2章自動重合閘裝置設(shè)計前提2.1輸電線上的故障類型及分析故障有兩種，一種是瞬時失效，另一種是永久失效。不同的線路結(jié)構(gòu)也可以把失效劃分為短路故障、強風(fēng)扯線、塔架倒塌等故障。2.1.1瞬時性故障和永久性故障分析瞬時性故障是電力系統(tǒng)中一種短暫且瞬時的電力問題，常見的瞬時性故障類型有：電壓暫降、電壓暫升、瞬時電流過、諧波等。一旦發(fā)生瞬時性故障，斷路器將立即切斷故障點，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣恢復(fù)、故障點消失；重新上電后，線路會繼續(xù)正常運行。所以瞬時性故障通常不會造成重大損害。這類故障主要由天氣因素或外界干預(yù)引起，導(dǎo)致線路短路。永久性故障是指在電力系統(tǒng)中發(fā)生并導(dǎo)致設(shè)備或線路出現(xiàn)一些長時間故障的故障，常見的永久性故障類型有設(shè)備故障、線路故障、連接問題、地下電纜故障、變壓器故障等。該類故障發(fā)生后即使進(jìn)行重合閘，線路故障仍然存在會導(dǎo)致線路再次被切除。2.1.2短路故障分析短路故障后果最為嚴(yán)重，約占總故障量的70%。短路故障的引起主要包括：設(shè)備老化、安裝維護(hù)不當(dāng)，極易導(dǎo)致設(shè)備老化加快。氣候環(huán)境變化是另一個主要原因，強風(fēng)、暴雪等極端天氣很容易導(dǎo)致線路間短路，還有可能引發(fā)架線坍塌；人為導(dǎo)致，生產(chǎn)建設(shè)可能觸碰導(dǎo)致短路，檢修后未去下接地線也會造成短路；動物接觸碰撞，鳥類接觸線路或者植物生長在其之間，都容易引發(fā)。電路短路問題將帶來巨大的損害。電路短路會導(dǎo)致電流迅速增大，并引發(fā)劇烈的熱效應(yīng)，可能導(dǎo)致絕緣層擊穿，并損壞設(shè)備的結(jié)構(gòu)；產(chǎn)生的大量電弧會對人產(chǎn)生危害；引發(fā)電磁對附近電力設(shè)備造成干擾；還會導(dǎo)致電力系統(tǒng)失去同步。2.1.3斷線故障分析斷線故障對電網(wǎng)也有很大的影響，其成因主要有：人為操作造成的斷線、生產(chǎn)和施工中的線路破壞；閃電擊穿引起的斷線。目前，國內(nèi)大部分使用的是架空絕緣電線，其絕緣特性在裸線與電纜之間，具有良好的絕緣和導(dǎo)電性能。不過，如果遭受雷擊，可能導(dǎo)致線路中斷。斷線故障發(fā)生及為永久性故障，必須要人工介入才能使電力系統(tǒng)恢復(fù)。另外，斷線后會是導(dǎo)線接觸大地，對人身安全造成影響。斷線通常是很長的導(dǎo)線發(fā)生損壞，需要人工進(jìn)行大規(guī)模排查，耗費時間進(jìn)行重新接線。2.2自動重合閘裝置的應(yīng)用2.2.1對自動重合閘的基本要求自動重合閘主要作用在于，當(dāng)故障發(fā)生以后，合閘是電力系統(tǒng)繼續(xù)運行，提高供電效率，因此有一下基本要求：①只有在故障發(fā)生是瞬時的情況下，方可重新合閘以確認(rèn)故障類型。②自動重合閘的起動次數(shù)必須滿足規(guī)定，也就是僅起動一次。③每一次自動重合閘的起動次數(shù)都要滿足要求，即一次僅能起動一次。④手動跳閘并非自動合閘。在進(jìn)行線路檢修維護(hù)時，當(dāng)操作人員手動斷開斷路器時，自動閉合裝置不會啟動。⑤在設(shè)計時，必須保證自動重合閘與繼電器之間的有效配合，從而迅速地解決故障。2.2.2自動重合閘保護(hù)原理根據(jù)電網(wǎng)的需要，按其對斷路器的影響，可以將其劃分為三相重合閘、單相重合閘、綜合重合閘和分相重合閘。三相重合閘是最常見的一種。該圖是一種由重合閘啟動、重合閘時間、一次合閘脈沖、手動跳閘后閉鎖等部件組成的單側(cè)電源供電線路的工作原理方框圖。下文將詳細(xì)分析其工作過程：圖2.1自動重合閘的基本工作原理操作應(yīng)該從啟動元件開始。當(dāng)斷路器從合閘狀態(tài)變?yōu)榉珠l狀態(tài)時，應(yīng)該立即發(fā)出啟動指令。啟動元件發(fā)出指令后，時間元件開始計時，在預(yù)定延時后，發(fā)出一個短暫的合閘指令，這段延時時間稱為重合閘時間，用于生成一次合閘脈沖。2.3故障自檢測功能的重合閘裝置的關(guān)鍵根據(jù)前述分析得知，重合閘裝置需具備故障自檢測功能，以進(jìn)行故障檢測并分析數(shù)據(jù)，判定故障性質(zhì)為瞬時或永久，最終決定是否啟動重合功能。故障檢測的主要手段為傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)包括模擬、數(shù)字、無線、光纖、仿生、紅外等：①數(shù)字傳感器數(shù)字傳感器是一種以數(shù)字方式表達(dá)輸出的數(shù)字信號的傳感器，一般采用二進(jìn)制代碼。這類傳感器能夠?qū)⒐?、溫度、壓力等模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以供數(shù)字電子系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。傳感器內(nèi)部已集成了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，便于實際應(yīng)用，但價格較高。②無線傳感器無線傳感器是一類能夠利用無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的傳感器裝置。典型的無線傳感器包括傳感器元器件、數(shù)據(jù)采集電路，以及一個專門用于與其他設(shè)備進(jìn)行通訊的無線模塊。無線傳感器廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化等。因此，不需要布設(shè)電纜的優(yōu)點使得它在工業(yè)和智能家居等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。③模擬傳感器模擬傳感器是一種能夠產(chǎn)生連續(xù)的仿真輸出信號的傳感器。它們廣泛用于測量各種物理量，如溫度、壓力、濕度、氮氣和脈沖等。在實際應(yīng)用中，一般要加入多種模擬信號處理電路，如電流、電壓轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、放大等。從而實現(xiàn)模擬信號的預(yù)處理。該方案的故障類型判定是為了充分利用傳感器技術(shù)，對不同天氣因素如風(fēng)雨、雷電信息等進(jìn)行監(jiān)控，通過分析這些數(shù)據(jù)來識別故障類型。第3章自動重合閘裝置總體設(shè)計設(shè)備的整體設(shè)計是以設(shè)計目的為基礎(chǔ)，確定其設(shè)計要求及功能構(gòu)成，并將其分解成各種功能單元。通過對各功能模塊的實現(xiàn)方法的探討和分析，完成了各模塊的設(shè)計，最后形成了整個系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)。整體設(shè)計是詳細(xì)設(shè)計的依據(jù)，若整體設(shè)計不完善，則會造成設(shè)備的功能不完整或性能不能滿足需求。自動重合閘裝置的設(shè)計思想是對造成設(shè)備失效的多種因素進(jìn)行檢測，并對其進(jìn)行全面的判定，從而達(dá)到自動重合閘的目的，從而提高重合閘的成功率。防止出現(xiàn)永久失效時觸發(fā)重合閘。自動重合閘主電路如圖3.1所示。圖3.1主電路圖3.1自動重合閘裝置基本需求①重合閘裝置結(jié)構(gòu)簡單在此設(shè)計中，對常規(guī)的自動重合閘裝置進(jìn)行了改造，增加了故障探測功能，使設(shè)備的總體尺寸增大，但仍然需要盡量簡化，以達(dá)到簡化結(jié)構(gòu)的目的。在故障診斷中，要盡可能地使用模塊化的設(shè)計，通過數(shù)碼或無線的方式進(jìn)行部署。②低成本低成本能夠保證該裝置具備普遍性和適用性。③裝置功能單元靈活由于故障檢測單元較多，在設(shè)計上要靈活運用，當(dāng)遇到?jīng)_突時，適當(dāng)?shù)膭h減原件，同時不影響裝置的使用。3.2瞬時性和永久性故障檢測通過上述分析，基礎(chǔ)的自動重合閘不可以解決永久性故障，在設(shè)計上只需識別為永久性故障即可。但是單靠一個元件無法識別是否是永久性故障，所以必須依靠各種因素互相參考，才能100%判斷是否為永久性故障。3.2.1瞬時性故障檢測在前文的分析中，我們考慮到了突發(fā)性故障的原因，包括天氣和雷電因素，以及植物的生長與線路接觸等問題，例如常見的樹木觸碰導(dǎo)線和動物觸碰線路。本設(shè)計重點是通過自動檢測氣象信息來解決這些問題。①傳感器進(jìn)行氣象檢測在強勁的風(fēng)中，很容易引發(fā)線路瞬間短路故障；當(dāng)遇到大雪或大雨時，設(shè)備的絕緣性可能會降低，誘發(fā)瞬間短路故障。檢測風(fēng)力、降雪和降雨等天氣信息可通過單獨的風(fēng)速傳感器、降雨傳感器和降雪傳感器來進(jìn)行。此類傳感器的優(yōu)點是可以精準(zhǔn)檢測出具體數(shù)據(jù)，但是部署起來不太方便，耗費人力。雨雪傳感器上方采用柵形電極，利用水的導(dǎo)電性，當(dāng)有雨水落在感應(yīng)區(qū)間上時，會造成電極短路，這樣就能監(jiān)測到下雨。該傳感器可在下雪、氣溫長時間低于0°C和高濕度條件下進(jìn)行自動加熱，從而避免了結(jié)冰和結(jié)霜。并且可以設(shè)定加熱的溫度。如下圖3.2所示為光學(xué)雨量傳感器的實物圖。圖3.2光學(xué)雨量傳感器實物圖風(fēng)速傳感器是一種常用的傳感器，它能連續(xù)地測量風(fēng)速和風(fēng)量（風(fēng)力=風(fēng)速x截面面積）。風(fēng)速傳感器可分為螺旋槳式、風(fēng)杯式、熱風(fēng)式、皮托管式和超聲風(fēng)速傳感器。器。風(fēng)速傳感器主要用于風(fēng)杯型。風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，也叫三杯風(fēng)速傳感器，是英國魯賓孫首先發(fā)明的一種非常普遍的風(fēng)速傳感器。傳感部位為三個或四個錐形或半球形空杯。中空杯殼與三叉星形的互為120度或90度的十字架相連，其凹槽沿某一方向排列。橫臂框架與一個豎直的轉(zhuǎn)動軸相連接。如下圖3.3所示為風(fēng)速傳感器的實物圖。圖3.3光學(xué)雨量傳感器實物圖②雷電信息檢測雷電很容易導(dǎo)致瞬間故障，其活動會產(chǎn)生強烈的磁場和感應(yīng)電勢，這樣會很容易引發(fā)電網(wǎng)上的繼電保護(hù)觸發(fā)。目前針對雷電的常用探測方法包括：雷達(dá)系統(tǒng)：雷達(dá)是一種常見的雷電檢測工具，通過發(fā)射雷達(dá)波并監(jiān)測其反射來探測雷電活動。雷達(dá)系統(tǒng)可以測量雷電云中的電離層和電荷分布，從而提供關(guān)于雷電的信息。電場測量：利用電場傳感器來監(jiān)測大氣中的電場強度，當(dāng)發(fā)生雷電云內(nèi)部電荷分離時，會引起電場的改變。通過監(jiān)測這些變化，可以檢測雷電的發(fā)生。電磁輻射測量：雷電活動產(chǎn)生的放電會導(dǎo)致電磁輻射，包括射頻輻射。使用電磁感應(yīng)設(shè)備，如天線，來測量這些輻射，以偵測雷電。紅外監(jiān)測：使用紅外攝像機監(jiān)測大氣中的溫度變化。雷電放電會產(chǎn)生高溫，因此紅外監(jiān)測可以用于檢測雷電閃電。聲波檢測：雷電產(chǎn)生的放電會引起大氣中的氣體振動，產(chǎn)生聲波。通過使用聲音傳感器或麥克風(fēng)，可以檢測這些聲波并識別雷電的發(fā)生。電磁感應(yīng)：使用電磁感應(yīng)設(shè)備，如線圈或天線，來測量大氣中電磁場的變化。這種方法可用于捕捉雷電活動的信號。遙感衛(wèi)星：衛(wèi)星技術(shù)可以用于監(jiān)測雷電云和大氣中的電磁輻射。衛(wèi)星能夠提供廣域的監(jiān)測，覆蓋大范圍的地理區(qū)域。如下圖3.4所示為雷電檢測儀實物圖。圖3.4雷電檢測儀實物圖③紅外檢測紅外檢測主要用于監(jiān)測飛禽動物等生物體的碰撞情況。生物體本身具有體溫，在外界釋放熱量，而紅外檢測的關(guān)鍵原理是檢測這種熱量的散播。但是在實際應(yīng)用中還應(yīng)該考慮飛禽的活動性，比如動物的停落，造成檢測不理想?？梢圆渴鹪邙B類的停落點。3.2.2永久性故障檢測首先是短路故障檢測，實現(xiàn)方式有：過流保護(hù)：過流保護(hù)是一種最常見的短路檢測方式。通過在電路中設(shè)置額定電流以上的電流保護(hù)器或斷路器，一旦電路中發(fā)生短路導(dǎo)致電流超過額定值，保護(hù)器就會跳閘，切斷電路，從而防止短路造成的危害。在線路上增加霍爾傳感器，實時檢測電流大小，超過一定數(shù)值報警。電流測量：使用電流傳感器或電流測量裝置，監(jiān)測電路中的電流變化。如果電流超過正常范圍，可能表示短路事件發(fā)生。這種方法通常用于實時監(jiān)測電路狀態(tài)。電阻測量：使用電阻測量儀器測量電路中的電阻值。當(dāng)兩個導(dǎo)體之間發(fā)生短路時，電阻值會急劇下降。因此，定期的電阻測量可以幫助檢測潛在的短路問題。熱成像：使用紅外熱成像技術(shù)檢測電路中的溫度變化。短路通常會導(dǎo)致局部電路部件過熱，因此紅外熱成像可以用于識別潛在的短路區(qū)域。絕緣監(jiān)測：通過在電路中使用絕緣監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測電纜或電路中的絕緣狀態(tài)。如果發(fā)生短路，絕緣監(jiān)測設(shè)備可以檢測到絕緣電阻的變化。短路位置診斷：一些先進(jìn)的電力系統(tǒng)使用短路位置診斷技術(shù)，通過分析電流和電壓的相位關(guān)系來確定短路的位置。故障錄波分析：使用故障錄波設(shè)備記錄電路中的波形數(shù)據(jù)，以便在發(fā)生短路時進(jìn)行分析。故障錄波可以提供詳細(xì)的電壓和電流波形，有助于識別短路的發(fā)生和位置。著重論述了以絕緣電阻為基礎(chǔ)和以過電流為基礎(chǔ)的測量方法?；诮^緣電阻的永久性故障判斷理論：絕緣電阻是衡量一個電氣系統(tǒng)絕緣性能的重要指標(biāo)，它反映了絕緣材料的質(zhì)量以及系統(tǒng)中是否存在潛在的故障。首先要考慮絕緣電阻的測量，定期測量電氣系統(tǒng)的絕緣電阻，以確保絕緣性能處于良好狀態(tài)。這通常通過使用絕緣電阻測試儀進(jìn)行。其次要考慮閾值，確定合適的絕緣電阻閾值，超過該閾值表示絕緣正常，低于該閾值可能表示存在問題。閾值的選擇通常取決于具體的應(yīng)用和設(shè)備。將實際測得的絕緣電阻值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。如果絕緣電阻高于閾值，系統(tǒng)通常被認(rèn)為是正常的。不僅要關(guān)注單次測量值，還要觀察絕緣電阻的變化趨勢。持續(xù)的監(jiān)測可以幫助識別潛在的問題，即使絕緣電阻仍然在合理范圍內(nèi)。如果絕緣電阻低于閾值，需要進(jìn)一步分析以確定故障的具體位置。這可能涉及使用其他測試方法，例如局部放電測量或高電壓測試，以幫助精確定位故障。記錄每次絕緣電阻測量的結(jié)果，并設(shè)置報警機制，以便在系統(tǒng)絕緣性能下降到不可接受的水平時及時發(fā)出警報。最后根據(jù)測試結(jié)果采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)和修復(fù)措施。這可能包括更換損壞的絕緣材料、修復(fù)接地問題或其他可能導(dǎo)致絕緣電阻下降的因素?；谶^電流的永久性故障檢測：在線路正常運行狀態(tài)下，電流通常維持在額定數(shù)值，但在電力需求高峰時，在下游線路上，操作電流可能會超過其額定值。在線路出現(xiàn)直接短路（非絕緣短路）時，瞬時失效電流迅速增加，一般為4倍。所以通過瞬時電流的測量值來判定直接短路故障的發(fā)生與否。3.2.3各種故障檢測的綜合判定①過電流檢測和絕緣故障檢測的重合判定通過將過電流和絕緣故障檢測相結(jié)合，可以更全面地監(jiān)測電氣系統(tǒng)的安全性能，提高系統(tǒng)的可靠性，并在出現(xiàn)問題時更迅速地采取應(yīng)對措施。在判斷絕緣失效前，必須進(jìn)行過流測試。在系統(tǒng)脫開的一剎那，電力品質(zhì)探測模塊可以探測到瞬間的極限電流，如果這個電流超出了4倍的額定電流設(shè)置范圍，則不允許重合閘。如果短路電流的測得值低于規(guī)定的限流范圍，則保護(hù)設(shè)備將延緩重合閘動作。在該延遲時間內(nèi)，該系統(tǒng)將開啟絕緣失效探測功能，用于測量絕緣電阻。根據(jù)電阻數(shù)值的變化決定是否進(jìn)行重合操作，如若重合閘未成功閉合，則需將其他未發(fā)生故障的相斷開，以防止變壓器缺相運行。這種方法綜合了兩種持久性故障檢測方式，有助于更準(zhǔn)確的判斷。過電流檢測和絕緣故障檢測的重合判定流程如圖3.5所示。圖3.5過電流檢測和絕緣故障檢測的重合判定流程圖②根據(jù)檢測結(jié)果的故障重合閘設(shè)定所確定的故障類型僅供參考，因為如果檢測到一次性故障，則很可能是一次性故障；但若檢測出永久性故障或一次性故障，則兩者發(fā)生的可能性相等。在這種情況下，需要考慮重合閘設(shè)置時所涉及的不同配電節(jié)點等多種因素。3.3自動重合閘系統(tǒng)總體設(shè)計整個控制系統(tǒng)如圖3.6所示。圖3.6自動重合閘控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖①故障信息檢測故障信息的檢測分為瞬時和永久兩大類。瞬間失效的探測技術(shù)包括雷電、風(fēng)雨、雪等氣象信息和紅外線探測。而永久失效的檢測，主要是通過絕緣電阻和過流來探測。雷電檢測儀：電源AC220，有雷電時會反饋信號，本身儀器具有故障反饋。需要購買成熟的產(chǎn)品，給他系統(tǒng)電源后運行，進(jìn)行反饋。②斷路器狀態(tài)檢測首先對斷路器的狀態(tài)進(jìn)行檢測，就是要確定斷路器是否在關(guān)閉狀態(tài)，這是判斷后續(xù)故障類型、系統(tǒng)重合閘控制和其它控制操作的開始。③自動重合閘控制在測試結(jié)果滿足重合條件的情況下，由于要進(jìn)行大規(guī)模的驅(qū)動，必須使用強大的傳動裝置。④人工操作系統(tǒng)為了方便監(jiān)控和控制重合閘的運行情況，提供了基本的顯示和設(shè)置功能，并能夠顯示實時的運行信息。自動重合閘裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.7自動重合閘裝置總體結(jié)構(gòu)圖第4章新型自動重合閘裝置的硬件實現(xiàn)及系統(tǒng)測試在總體設(shè)計的框架下，本節(jié)將對系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行具體設(shè)計，包括確認(rèn)控制器的選擇、繪制各單元的基本電路圖，并進(jìn)行合適器件的選型對比分析。4.1控制器的對比選用4.1.1自動重合閘對控制器的基本需求控制器是自動重合閘系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)、判斷故障類型、控制重合閘操作等。以下是自動重合閘對控制器的基本需求：故障檢測能力：控制器應(yīng)具有良好的故障檢測能力，能夠及時、準(zhǔn)確地識別電網(wǎng)故障，包括短路、過流、過壓等各種類型的故障?？焖倥袛嗪蜎Q策能力：在檢測到故障后，控制器需要迅速進(jìn)行判斷和決策，確定是否需要進(jìn)行重合閘操作，以最小化系統(tǒng)中斷時間。通信能力：控制器需要與其他保護(hù)設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行有效的通信，以獲取更全面的電網(wǎng)狀態(tài)信息，并能夠與其他保護(hù)設(shè)備協(xié)同工作?？煽啃院头€(wěn)定性：自動重合閘系統(tǒng)對控制器的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，確保在各種環(huán)境條件下都能正常工作，防止誤操作或系統(tǒng)故障。靈活性：控制器應(yīng)具有一定的靈活性，能夠適應(yīng)不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行條件，支持靈活的配置和參數(shù)調(diào)整。人機界面：為了方便運維人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，控制器通常需要提供友好的人機界面，包括顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)、報警信息、歷史記錄等功能。自診斷和自恢復(fù)功能：控制器應(yīng)具備自診斷和自恢復(fù)能力，能夠檢測自身的工作狀態(tài)并在發(fā)現(xiàn)問題時進(jìn)行自動修復(fù)或報警。安全性：控制器需要具備一定的安全性能，防止未經(jīng)授權(quán)的人員對系統(tǒng)進(jìn)行操作，同時能夠在發(fā)生緊急情況時采取安全措施，保障人員和設(shè)備的安全。以上是自動重合閘對控制器的基本需求，具體的要求可能會根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模、復(fù)雜性和應(yīng)用場景而有所不同。4.1.2不同控制器類型對比分析①單片機控制器單片機控制器在功能和性能方面屬于較為基礎(chǔ)和簡單的類型。片機控制器可以用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測、故障識別和重合閘操作等功能。單片機可以用于監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、電流、頻率等參數(shù)，實時獲取電網(wǎng)的運行狀態(tài)。單片機可以通過采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障診斷，判斷電網(wǎng)中是否存在故障，并確定故障的類型。單片機可以執(zhí)行定時任務(wù)，例如定時進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)檢測、定期發(fā)送報告等，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。②數(shù)字信號處理器控制器（DSP在自動重合閘系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理器（DSP）可用于處理電力系統(tǒng)中的數(shù)字信號，實時進(jìn)行信號分析、濾波、變換等操作。DSP可以用于設(shè)計和實現(xiàn)各種數(shù)字濾波器，以濾除電網(wǎng)中的噪聲、諧波和其他干擾，確保系統(tǒng)對故障的敏感性和準(zhǔn)確性。DSP可以實現(xiàn)實時的數(shù)字信號處理，對電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及時做出決策并觸發(fā)自動重合閘操作，③ARM控制ARM控制器是一種基于ARM架構(gòu)設(shè)計的微處理器，被廣泛應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)，如自動重合閘系統(tǒng)。ARM架構(gòu)具有高性能、低功耗和靈活性等優(yōu)勢，使得ARM控制器成為許多嵌入式應(yīng)用的首選之一。ARM控制器通常能夠支持實時操作系統(tǒng)，這對于自動重合閘系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因為它需要對電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和響應(yīng)。一些ARM控制器支持多核處理，這有助于并行處理多個任務(wù)，提高系統(tǒng)的效率和性能。ARM控制器通常配備各種通信接口，如UART、SPI等，以便與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同工作。④可編程邏輯控制器（PLC可編程邏輯控制器最大的優(yōu)點是它具有程序功能，能夠存儲和執(zhí)行諸如內(nèi)部邏輯運算、順序控制以及計時等功能?？删幊踢壿嬁刂破鞑僮骱唵?，維修方便，操作界面簡單明了，可以快速診斷和調(diào)試發(fā)現(xiàn)故障所在。它還具有適應(yīng)性強的特點，應(yīng)用廣泛。自動重合閘的控制回路的可靠性是保證電網(wǎng)安全的重要因素。PLC技術(shù)可以提供可靠的控制機制，它可以使重合閘裝置工作更可靠和穩(wěn)定。PLC技術(shù)可以支持自動重合閘控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控運行狀態(tài)、故障信息、設(shè)備參數(shù)等關(guān)鍵功能，非常有利于根據(jù)實時情況的變化進(jìn)行快速調(diào)整，減少故障時間，提高自動重合閘系統(tǒng)的可靠性。在上述評價中，必須著重考慮整體重合閘裝置的系統(tǒng)處理能力。經(jīng)過對比和分析，本文選用S7-200-224XP作為中端PLC的處理器。PLC總體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1PLC接線圖4.2自動重合閘控制裝置測試測試是設(shè)計驗證中的一個重要環(huán)節(jié)，它可以對設(shè)計中的不足進(jìn)行識別，并對設(shè)計的符合性、各部分的功能和性能進(jìn)行檢驗。本次測試分為功能測試和試車測試兩個部分：①功能測試對自動重合閘設(shè)備的各個功能部件進(jìn)行了試驗，包括控制器、輸出控制單元等。其目標(biāo)是對設(shè)備的基本功能進(jìn)行可靠性測試。這種檢測一般是在實驗室條件下進(jìn)行的，只需要針對單板進(jìn)行測試即可。測試標(biāo)準(zhǔn)：時間工作的可靠性是指在系統(tǒng)長期工作時，不會出現(xiàn)故障、重置等問題，并能確保通訊接口及檢測裝置的數(shù)據(jù)實時傳送，防止出現(xiàn)斷開、斷開等現(xiàn)象。環(huán)境適應(yīng)性：能夠在高、低溫的工業(yè)環(huán)境中工作，并在一定的溫度條件下進(jìn)行穩(wěn)定的工作。②試運行測試：要對設(shè)備進(jìn)行性能試驗，必須將其置于實際應(yīng)用現(xiàn)場，并與電力系統(tǒng)中的其它設(shè)備相連接，以確認(rèn)其自動重合閘的作用及性能。為了驗證運行效果，需要在實際工作環(huán)境中進(jìn)行測試，并配合中央控制系統(tǒng)檢查。試驗要求保證故障探測的精確性，重合閘的位置和準(zhǔn)確度。自動重合閘擴展程序如圖4.2所示。圖4.2自動重合閘擴展程序圖結(jié)論自動重合閘在電氣自動化中是一種行之有效的應(yīng)急處理方法。當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，繼電器將觸發(fā)斷路器跳閘；然后，在一定的時間內(nèi)自動重合閘機構(gòu)將使斷路器重新閉合。然而，該裝置通常缺乏故障類型識別功能，因此在永久性故障情況下可能會誤操作，對電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響。為解決這一問題，我們設(shè)計了一種自動重合閘裝置，具備故障自檢測功能。這種裝置可以通過對故障類型的檢測來判斷具體故障情況，并據(jù)此進(jìn)行自動重合閘控制，有效降低永久性故障下重合閘誤動的風(fēng)險。線路的絕緣故障（如雷擊、風(fēng)災(zāi)等）一般為臨時性故障，當(dāng)斷路器跳閘時。在一段時間里，線路的絕緣特性（包括絕緣子和空氣間隔）將會恢復(fù)，因此，自動重合閘將順利關(guān)閉。在少數(shù)情況下，如果自動重合閘嘗試閉合失敗，表明絕緣性能沒有得到有效恢復(fù)，此時自動重合閘將停止動作，直至問題根源得以確認(rèn)，予以排除。本文的工作包括以下幾個方面：①本文在對本課題的研究背景進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)電力系統(tǒng)與自動重合閘的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索。②對自動重合閘系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并對其類型和原因進(jìn)行了深入的研究。對短路、斷線、電纜線路的故障原因及可能造成的影響進(jìn)行了詳盡的分析。討論自動重合閘機的基本作用機制及運行要求。最后,本文對設(shè)備的設(shè)計采用了傳感器技術(shù)。③完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計。通過需求分析，完成了對瞬時、永久失效的檢測。采用閃電感應(yīng)模塊及天氣感應(yīng)器對天氣信號進(jìn)