畢業(yè)設計（畢業(yè)論文）開題報告
學 院
機械與汽車工程學院
專 業(yè)
班級學號
學 生
指導教師
題 目
低壓開關柜磁場測量和柜體設計
任務實際
進行日期 自 日止
低壓開關柜磁場測量和柜體設計
1 課題背景及意義
高低壓開關設備主要用于發(fā)電廠、系統(tǒng)變電站、中小型發(fā)電機送電、工礦企事業(yè)配電、電力系統(tǒng)二次變電所的受送電及大型高壓電機啟動等，用于控制、保護、監(jiān)測之用。在目前高低壓成套開關設備工程設計中，由于用戶范圍大，用戶對開關柜的要求更高更復雜，且地方性差異大，因此接線方案類型繁多，元器件選型標準化程度不高，給工程管理、設計造成了較大麻煩，影響到工程設計效率及整個產品交付計劃。
除此之外還有個問題就是高壓開關柜體積大，使用材料較多，并且由于其重量及占地面積大而引起使用單位在運輸和安裝上非常不方便，所以減小開關柜的體積就變得十分有必要。
2 文獻綜述
2.1 國外高壓開關柜的技術水平
主開關元件無油化高壓開關柜根據(jù)柜內主開關元件的不同可分為通用型高壓開關柜 (主開關元件為斷路器, 即斷路器柜)，F(xiàn)一C 柜 (高壓限流熔斷器十高壓接觸器 )及環(huán)網(wǎng)柜(高壓負荷開關 + 高壓限流熔斷器 )。斷路器柜內可配置少油斷路器、真空斷路器或S凡斷路器。占主導地位幾十年的少油斷路因存在電壽命短、維修頻繁和易燃易爆的缺陷, 已趨于淘汰。而無油化斷路器尤其是真空斷路器已占主導地位。國外廠家生產的高壓開關柜選用高可靠性的一次電器元件,如免維護小型斷路器、長壽命斷路器組件、小型高可靠性的隔離開關和接地開關。
2.2性能逐步提高
近幾年來,高壓開關柜技術發(fā)展很快,性能逐步提高。主要體現(xiàn)在技術參數(shù)和壽命的逐步提高,體積減小,故障率降低。
2.2.1容量
西門子、ABB、美國通用電氣(GE)、西屋公司等
國外廠家的產品,最大容量指標為:12kV柜:額定電流5《XX)A,額定短路開斷電流63kA。36(叨.5)kV柜:額定電流25X()八,額定短路開斷電流粼IA。西門子公司8B4K0型開關柜,帶抽出式斷路器,額定電壓1.75kV,額定電流SJI)A,額定開斷電流63kA。ABB公司253.2型36kV開關柜,額定電流2500A,額定開斷電流40kA。又如西門子公司8B4K1型移開式發(fā)電機組真空開關柜,額定電流可達到2500A,額定短路開斷電流80kA。
2.2.2開關柜機械壽命
美國GE公司PV型額定電壓12kV、額定電流3《XX)A、額定開斷電流48kA的雙層真空開關柜,機械壽命為4萬次,滿容量開斷電流次數(shù)可達60次。荷蘭Hole。公司12kVU4T柜配用NVU12真空斷路器手車,機械壽命為3萬次,短路開斷電流次數(shù)達100次。
2.2.3體積減小
ABB、AEG(德國通用電力公司)、GE、日本三菱、富士等公司12一17.skV斷路器柜寬僅570一700mm。
2.2.4故障率降低
可靠性的提高特別是以真空開關柜尤為突出。
2.3 結構特點
2.3.1組裝式結構
高壓開關柜的柜體結構經(jīng)歷了從焊裝式到組裝式的變遷。開關柜體均以金屬板或敷鋁鋅板以CNC機床加工折彎成形,再用螺栓、螺母或拉鉚螺母組裝而成,具有加工精度高、變形量小、互換性好等特點。
2.3.2絕緣
選用優(yōu)質阻燃性絕緣材料,應用復合絕緣技術,將母排用固體絕緣材料封閉起來。良好的絕緣可防潮、防塵,減少運行故障。
2.3.3內部故障
電弧防護開關柜的主開關室、母線室、電纜室均在頂部設置壓釋放通道。在發(fā)生內部電弧故障時,自動打開壓力釋放金屬板,排泄壓力和氣體,以確保設備和人身安全。開關柜的門和隔板均采用高強度密封,可以保證在發(fā)生內部電弧故障時不會噴射危及相鄰開關柜和運行人員安全的電弧及氣體。
2.4 智能化
智能化開關柜是新一代的機電一體化產品,它是在高壓開關柜上配置智能型保護控制單元。保護控制單元是利用計算機技術、數(shù)字處理技術、傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術而構成的集控制、保護、測量和通信于一體的裝置。
2.5 充氣拒異軍突起
1982年西門子公司率先推出充氣柜SDA10(單母線柜)和SDB10(雙母線柜)后,世界各大電器制造公司紛紛仿效,開發(fā)出自己的產品。20世紀90年代以來,國外有實力的公司都開發(fā)出了自己的高壓開關柜“精品”,它們的共同特點是:提高絕緣,改變開關柜的結構,高可靠性。如日本三菱公司的MA一EC型落地式手車柜,荷蘭Hdec公司的UinotleUN4型落地式柜。德國西門子公司在推出.72一36kV的8BK20系列中置柜后,近年又推出了NXAIR型結構和性能更先進的斷路器組件式開關柜。ABB公司除推出251型中置柜外,同時還推出了25.32、258.1、25.82等型結構先進、可靠性更高的愷裝式開關柜和箱式開關柜。法國S山neider電氣公司制造的Moet愷裝式開關柜、GEClAstham公司的VISAX型開關柜,設計獨具特色,結構非常簡單,是性能優(yōu)良、可靠性高的智能型高壓開關柜。美國GE公司PV型雙層愷裝式斷路器柜,日本研制的四層斷路器柜已投放市場。在中置式開關柜類型中,AEG薩克森的AHA型、lAston的IPD型、東芝公司VE型、富士公司VC型都具有結構緊湊、性能可靠、長壽命和操作安全的特點,不失為開關柜中的“精品”
2.6 我國高壓開關柜行業(yè)現(xiàn)狀與技術水平
從20世紀60年代末期起,我國高壓開關行業(yè)開始自行設計高壓開關柜。自80年代以來,隨著引進消化國外產品,技術水平迅速提高,品種也迅速增加到幾十種,有間隔式、愷裝式、箱式等開關柜;有可移開式,也有固定式;在移開式產品中,不僅有落地式,也開發(fā)了中置式和雙層柜。同時還開發(fā)出在特殊場所,如鐵路、礦山使用的開關柜。我國高壓開關柜的技術水平可歸納為:
(l)產品容量增大。
12kV柜:額定電流4000A,額定短路開斷電流63kA。4.05kV柜:額定電流25000A,額定短路開斷電流31.skA。
(2)產品品種齊全,能滿足嚴酷條件、高寒、地震地區(qū)和礦山、鐵路部門使用。
(3)應用新工藝裝備和技術。已有數(shù)百家企業(yè)擁有數(shù)控加工設備“三大件”,在此基礎上的柔性加工系統(tǒng),提高了殼體尺寸精度和生產效率。采用較先進的涂裝工藝裝備,噴漆生產線和噴粉工藝線使產品防護能力和外觀都有較大提高。同時具有專用的母線加工設備。國內高壓開關柜已逐步淘汰少油斷路器,采用新型真空或SF6斷路器,其中ZN28、ZN12、ZN60、ZN63A、ZN65、ZN67、VSI等真空斷路器性能可靠而應用范圍較廣。
3 研究內容和方法
3.1 研究內容
本課題是研究開發(fā)類型的課題，主要內容涉及傳感器的搜集及柜體的3D建模等。
以滿足相關國家標準、行業(yè)標準、 國家電網(wǎng)公司或南方電網(wǎng)公司正式發(fā)布的設計規(guī)范或要求及設備運行條件的基本要求為原則，同時盡量做到以下幾方面。
1.一次主接線系統(tǒng)方案設計根據(jù)國家標準和國網(wǎng)統(tǒng)一要求，參考典型設計方案。
2.柜體結構尺寸根據(jù)國網(wǎng)要求統(tǒng)一化、系列化。
3.元件選型根據(jù)相關國家標準和國網(wǎng)要求基本統(tǒng)一化。
4.整體技術參數(shù)條件設計根據(jù)相關國家標準和國網(wǎng)統(tǒng)一要求。
5.取消地方差異化要求。
6.二次原理圖設計按國網(wǎng)典型設計要求執(zhí)行。
3.2 研究方法
在設計前期，需要查閱相關資料，對各種傳感器的工作原理和特性進行深入分析，了解其對工作環(huán)境的要求。在此基礎上，合理對傳感器進行安排布置以適應不同尺寸的器件。執(zhí)行機構應增加閉環(huán)反饋的設計，以達到高精度、高可靠性的目的。對于檢測部件，要根據(jù)其相關特性進行合理排布，并通過實驗來檢測其工作特性，根據(jù)需要不斷調整各部件的位置和間距，最終達到理想的工作效果。
根據(jù)大電流發(fā)生器的原理，利用穩(wěn)流控制器、電控調壓器、變 壓器和電流互感器設計一個強電穩(wěn)流閉環(huán)控制系統(tǒng)；該電流系統(tǒng)為斷路器提供三倍測試電流，可以縮短斷路器的測試時間，提高系統(tǒng)的測試效率。
基于 CLIPS 軟件設計了塑殼斷路器測試系統(tǒng)的專家系統(tǒng)，主要包括強電參數(shù)調整、測試時間調整、機構角度調整和電機參數(shù)調整。專家系統(tǒng)的引入使測試系統(tǒng)具有智能化，測試結果更為精確。
采用用戶分權管理思想設計了上位機 WINCC 監(jiān)控軟件，采用模塊式設計思想設計了下位機 PLC 控制軟件，實現(xiàn)了測試調整過程的實時監(jiān)控和控制。
4 技術路線
（1）收集和查閱有關低壓開關柜的特點和性能資料，編寫開題報告；
（2）制定低壓開關柜磁場測量和柜體設計方案；
（3）尋找體積較小，性能穩(wěn)定的傳感器，從而減小柜體的體積；
（4）繪制低壓開關柜電氣圖；
（5）撰寫畢業(yè)論文。
5 預期成果
1.完成開關柜的3D建模
2.發(fā)現(xiàn)并利用體積更小的傳感器。
3.完成整體設計。
6 進度安排
1.第1～4周：文獻檢索，資料收集，寫出開題報告，完成外文資料翻譯。
2.第5～8周：設計方案討論，設計方案確定，進行設計計算。
3.第9～12周：高壓開關柜柜體結構圖。
4.第13～14周：對GMR傳感器特性分析，進行相應傳感器實驗
5.第15～16周：撰寫論文。
參考文獻
[1] 陳妍.微波輔助斯托納粒子磁矩動力學研究[D]. 蘇州:蘇州大學, 2016.
[2] 涂有瑞.半導體磁場傳感器的過去和未來[J]. 傳感器世界,2003 (03):45-46.
[3] 王云彩.高溫壓力傳感器的研制[D]. 天津:河北工業(yè)大學,2007.
[4] 謝醫(yī)華.多晶硅壓力傳感器的開發(fā)技術研究[D]. 廣州:暨南大學,2004.
[5] 吳普新.廣西柳州 500kV巖沙線下的加紅小學電磁環(huán)境改善研究[D]. 重慶:重慶大學,2009.
[6] 許莎.母線設備多物理場耦合研究及應用[D]. 上海:上海交通大學,2007.
[7] 寧慧英.高壓開關柜中三維電場的計算與分析[D]. 遼寧:沈陽工業(yè)大學,2007.
[8] 王微波.故障錄波數(shù)據(jù)中的故障信息提取與分析[D].北京:華北電力大學（北京）,2007.
[9] 高升.智能高壓開關柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 上海:上海工程技術大學,2013.
[10] 張衛(wèi)東.我國低壓成套開關設備和控制設備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電器與能效管理技術,2002(1):3-8.
[11] RADHAKRISHNAN R, KALKSTEIN E W. Design development and application of smart fuses[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011,36(1):164-169.
[12] 李東昇,程武山.基于 TMR 磁傳感器的電力系統(tǒng)大電流測量[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2013,12:131-134+141.
[13] 程武山.低壓電器智能測試技術研究[J]. 低壓電器,2010,X(21):41-45.
[14] Meng Y P,Jia S L,Rong M Z.Mechanical condition moni-toring of vacuum circuit breakers using artificial neural net-work[J]. IEICE Trans. on Electronics, 2005(8):1652-1658.
[15] 楊志福.MNS3.0低壓開關柜應用于核電項目的結構設計[J]. 木工機床,2016(01):15-17.
[16] 錢政.巨磁電阻效應的研究與應用[J]. 傳感技術學報,2003,16(4): 516-520.
[17] 王昕,王靜怡.隧道磁電阻技術在電力系統(tǒng)傳感測量中的應用[J]. 科技傳播,2014(4):196-197.
[18] 曾必強,姜春蘭,李明,等.侵徹彈斜侵徹多層介質的三維數(shù)值仿真[J]. 彈道學報,2008,20(2).
[19] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法:GB12190-2006[J]. 北京:中國標準出版社,2006.
[20] 李珩書.淺談磁共振成象系統(tǒng)的防干擾[J]. 建筑電氣,1995(1):34-37.
[21] 張可欣.淺談低壓配電柜的開發(fā)與研究[J]. 科技致富向導, 2011 (18) .
[22] 曾義.低壓電器成套裝置技術手冊[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2001.
[23] 黃志剛, 張波, 丘東元, 等. 基于巨磁致電阻電流檢測機理的電流驅動同步整流器[C]. 第17屆中國電源學會全國電源技術年會, 2007:44-47.
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