真空断路器单体调试作业指导书及电容式压力微传感器的数值分析

目录TOC\o"1-3"\h\z1.编制依据 22.目的及适用范围 23.调试范围及工作量 24.资源配置 25.试验程序 35.1试验程序见图一 36.试验方法、标准及注意事项 46.1测量绝缘拉杆的绝缘电阻 46.2测量每相导电回路的电阻 46.3测量断路器的分、合闸时间及三相同期 56.4测量绝缘电阻及交流耐压 56.5测量分、合闸线圈的最低动作电压 71.编制依据1.1《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》GB50150-20061.2《火电厂电气设备起动调试》2.目的及适用范围2.1本作业指导书规定了真空断路器的单体试验规范，适用于真空断路器的单体调试。3.调试范围及工作量3.1调试范围为全厂所有真空断路器。4.资源配置4.1，电气试验人员2人。4.4试验设备：2500V电动兆欧表一台回路测试仪一台变压器直流电阻测试仪一台数字万用表（四位半0.5级）一块断路器测试仪一套直流电压表（0～300V0.5级）一块试验变压器（配控制箱10KVA50/0.2KV）一台静电电压表(20～50～100KV)一台试验专用接插线一套5.试验程序5.1试验程序见图一开始工作准备技术交底测量分、合闸线圈的最低动作电压测量绝缘拉杆的绝缘电阻测量每相导电回路的电阻测量断路器的分、合闸时间及三相同期测量绝缘电阻及交流耐压试验报告开始工作准备技术交底测量分、合闸线圈的最低动作电压测量绝缘拉杆的绝缘电阻测量每相导电回路的电阻测量断路器的分、合闸时间及三相同期测量绝缘电阻及交流耐压试验报告图一试验程序图6.试验方法、标准及注意事项6.1测量绝缘拉杆的绝缘电阻6.1.1测量采用2500V电动兆欧表。6.1.2试验标准：用有机物制成的提升杆的绝缘电阻值不低于下表规定额定电压（KV）35以下35～100以下110～220绝缘电阻值MΩ1000250050006.1.3注意事项：(1)测量时将提升杆两端分别接上兆欧表的L及E端进行测量。(2)若提升杆因受潮使绝缘电阻不合格时，应进行干燥处理。6.2测量每相导电回路的电阻6.2.1测量采用回路测试仪。测量时先将断路器合上，将断路器三相触头串联起来再和回路测试仪相连，算出所测电阻值。6.2.2采用变压器直流电阻测试仪测量。6.2.3试验标准：电阻值应符合制造厂产品要求。6.2.4注意事项：若测得数值不合格，可将断路器分、合数次再试，若仍不合格，则检查连接处的接触是否良好。6.3测量断路器的分、合闸时间及三相同期6.3.1采用断路器测试仪测量。6.3.2试验标准：断路器的分、合闸时间和三相同期测量值，应符合制造厂产品要求。6.4测量绝缘电阻及交流耐压6.4.1测量时采用2500V兆欧表，试验变压器（10KVA50/0.2KV）、静电电压表(20～50～100KV)。6.4.2试验分断口及相间二项耐压。其试验接线如图三图三断路器交流耐压试验接线图(1)断口耐压时先分开断路器，断口两端三相分别联在一起，一侧加压，另一侧短路接地。(2)相间耐压时先合上断路器，一相加压，另外两相短路接地，分三次进行。6.4.3试验标准额定电压（KV）36101520试验电压（KV）1621273645耐压时间1min，以不击穿为合格。6.4.4注意事项：升压过程中或耐压试验时，若发现异常现象(如电压表指针大幅度晃动；毫安表指示急剧增加或当电压不变时，毫安表指示逐渐向增加方向摆动；被试物绝缘有异味或冒烟现象；以及听到不正常响声等)，均应立即停止试验，把电压降到零，拉开电源开关，待查明原因后再行试验。6.5测量分、合闸线圈的最低动作电压6.5.2试验合闸时先将断路器分闸，将开关测试仪上所取分压逐渐调高，同时操作刀闸，直至断路器刚能合上，读取此时电压，即为断路器最低合闸电压。分闸测量与合闸操作程序相同。6.5.3试验标准：部件名称最低动作电压（额定电压的%）不小于不大于分闸线圈3065合闸线圈30806.5.4注意事项：试验用DC110V电源最好取自盘内DC110V操作电源，其他仪器提供的电源可能容量不够，影响测量的准确性。6kV真空断路器试验报告工程名称型号制造厂家额定电压出厂编号额定电流安装单位试验日期温度.0C1.测量每相导电回路的电阻标准值:1250A＜240(μΩ).3150＜160(μΩ)相ABC直流电阻(μΩ)2.测量每相绝缘电阻(2500VM表)耐压试验前标准值:绝缘电阻＞1200(MΩ)相A.B.C断口A－B.C.GB－A.C.GC－B.AG绝缘电阻(M)3.交流耐压试验(1).标准值:断口(32kV1min).A.B.C断口(2).标准值:相－地(28kV1min)A－B.C.地B－A.C.地C－B.A.地4.测量每相绝缘电阻(2500VM表)耐压试验后标准值:绝缘电阻＞1200(MΩ)相A.B.C断口A－B.C.地B－A.C.地C－B.A.地绝缘电阻(M)5.测量断路器跳、合闸时间和三相同期跳闸(ms)45±10msABC合闸(ms)50±10msABC跳闸同期(ms)≤2ms合闸同期(ms)≤2ms合闸时触头弹跳时间(ms)≤2ms6.断路器操动机构试验No合、跳闸线圈额定工作电压百分数％操作类别操作次数结果跳闸合闸1110110合、跳32≥85合33≥65跳34≤30不能跳闸35100100合、跳3试验员记录年月日电容式压力微传感器的数值分析摘要用伪谱算法对电容压力微传感器极板膜在均匀载荷条件下的弯曲行为作了数值模拟｡叙述了伪谱算法原理，并将其用于微传感器的载荷与电容关系分析｡对于非接触式电容压力微传感器，只有在小载荷的条件下，才可以忽略作用于极板膜的中平面的张力。此时，微传感器的电容与载荷之间呈线性关系。当进一步增加载荷时，两者的关系呈非线性，电容随载荷的增大迅速增加。对于接触式电容压力微传感器，给出了接触半径的计算公式，数值计算了载荷与电容关系曲线，为压力微传感器分析和设计提供了理论依据｡关键词伪谱算法电容压力微传感器载荷与电容关系作为一种微机电系统(MEMS)器件，电容压力微传感器具有灵敏度高、结构稳定、受外部环境影响小，以及无温度飘移等优点，在工业上有良好应用前景。电容压力微传感器的基本结构为双层平行板电容器：上极板为几个微米厚的薄膜，其材料可为硅质、聚合物、氮化硅、金属或陶瓷薄膜，下极板以硅质、玻璃或其他绝缘性材料为衬底，下极板表面上附有一层厚度为零点几个微米的绝缘层。当上极板膜承受的载荷不同时，它的弯曲程度不同，电容大小就会不同，测量电容大小的变化便可测量微传感器所受载荷大小的变化。电容与载荷之间的关系主要取决于上极板膜的弯曲程度，因此，研究极板膜的弯曲形变对电容压力微传感器的设计极为重要。电容压力微传感器的工作方式有非接触式和接触式两种(见图1，a和b)：非接触式工作原理是微传感器随着载荷变化引起上极板膜弯曲度变化，使微电容器两极板之间距离发生变化，进而导致电容发生变化，但动态范围受到一定限制；接触式是指微传感器工作在载荷很大时，上极板膜受压后的弯曲度达到使之与绝缘薄膜相接触，并且随着载荷的进一步增加，接触面积也随着增加。它的工作原理是随着载荷变化引起接触面积发生变化，进而导致电容发生变化，使得动态范围大为扩充，具有良好的过载保护特性。研究电容压力微传感器极板膜的弯曲行为需要求解具有固定边界条件的四阶非线性微分方程，一般不能得到解析解。通常采用有限差分、有限单元等数值计算方法，或采用级数展开求近似解。在大载荷情况下，电容压力微传感器的电容与载荷关系分析是一个更困难的问题。伪谱算法是近30年来发展起来的一种求微分方程数值解的方法，具有精度高、收敛稳定等优点，而且适用于非线性微分方程的求解问题。本文用伪谱算法对非接触式和接触式两种电容压力微传感器的电容与载荷之间的关系进行了数值分析。首先研究非接触模式，阐述了伪谱算法求解具有固定边界条件和均匀载荷薄板弯曲问题的原理。通过数值解与解析解或近似解的对比，研究了算法的精度、可靠性和收敛性，并将算法用于电容压力微传感器电容与载荷之间关系的分析，给出了数值结果。然后，对接触模式作了研究，处理了其中遇到的一些特殊问题，给出了接触半径的计算公式，数值计算了载荷与电容关系曲线，为微传感器的设计奠定了理论基础。数值计算表明，伪谱算法不但能解决非接触式电容压力微传感器的从零载荷至接触载荷范围内的电容与载荷关系分析问题，而且能解决接触模式电容压力微传感器的电容与载荷关系数值分析问题。图1电容压力微传感器基本结构示意图(a)非接触式，(b)接触式1非接触模式图1为非接触式(a)和接触式(b)电容压力微传感器结构示意图，忽略边缘效应，垂直于宽度方向的单位长度电容可以表示为其中，ε0为真空中的介电常数，t为绝缘层的厚度，εri为绝缘层的相对介电常数，g为零载荷时电容器两极板之间的初始距离，a为极板膜的半宽度，w(x)为极板膜的中平面相对于平衡位置(零载荷)的垂向位移，是极板膜弯曲程度的度量，依赖于载荷大小。由(1)式可见，电容表达式中含有未知函数w(x)，因此，求解极板膜在载荷作用下的垂向位移w(x)是压力微传感器分析的关键。对于非接触式电容压力微传感器，在载荷q作用下，极板膜垂向位移w(x)的控制方程为其中，D=Eh3/[12(1−v3)]为极板膜的抗弯刚度，E为杨氏模量，v为Poisson比，h为极板膜的厚度。而极板膜的中平面所受的张力F为边界条件可表述为：在极板膜两端，垂向位移w(x)及其一阶导数w′(x)为零：方程(2)～(4)构成了极板膜垂向位w(x)的四阶非线性微分方程的定解问题。求解该定解问题，再利用方程(1)就可以得到传感器的载荷和电容之间的关系。得到方程(2)～(4)的解析解是困难的，这里我们用伪谱算法求该问题的数值解。为此，首先将求解区域从(−a≤x≤+a)变换为(−1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)，则其次再将区域(−1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)剖分为N份：其中，为Chebyshev剖分结点。然后用内结点上的函数值构造函数：为满足边界条件(7)，选取修正的Lagrange插值函数：其中，为Lagrange插值函数，它具有这样的特性：修正的Lagrange插值函数的各阶导数为根据修正Lagrange插值函数的性质，可以验证函数(10)及其一阶导数满足边界条件(7)。由方程(5)和(9)，最终可以形成关于内结点函数值的线性代数方程组：解此方程，可得到内结点处的垂向位移w(EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x))(j=2，3，…，N−1，N)，回代到方程(10)，可以得到任意观察点EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)处的位移w(EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x))再将求解区域从(-1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)变换回(−a≤x≤+a)，就得到了原定解问题(2)(4)的解。方程(5)～(7)为非线性微分方程，可用定点迭代技术逐步逼近求解，迭代收敛标准为其中，wj(k-1)和wj(k)分别为第j个结点处的第(k−1)和第k次垂向位移迭代值。取某电容压力微传感器的参数为：a=500μm，h=2μm，g=4μm，E=130GPa，v=0.3，t=0.1μm，εri=11.3。首先考察算法的计算精度、收敛性和可靠性。在小载荷和小弯曲条件下(位移甚小于极板膜的厚度)，张力F可以忽略(F≈0)，极板膜的弯曲程度由弯矩(线性部分)控制，直接解方程(2)～(4)即可得到垂向位移w(x)的解析解：图2(a)给出了小载荷条件下极板膜垂向位移分布数值解(虚线)和解析解(实线)的对比结果，两者吻合得很好。只有当极板膜中心处的垂向位移小于膜厚度的十分之一时，才可忽略张力F的影响。一般情况下，张力F的影响不可被忽略。此时，计及了张力F的影响，采用虚功原理(另文报道)，可求得方程(2)～(4)的近似解：其中，w0满足显然，在小位移条件下(w0<<h)，解(21)化成解析解(20)图2(b)给出了在较大位移下，不同载荷时极板膜垂向位移分布的数值解(虚线)和近似解(实线)的对比结果，两者吻合得也很好。然后再用伪谱算法进行载荷与电容关系的分析。图3(a)给出了传感器的电容随载荷q大小的变化关系曲线：图中的电容为相对电容，即对电容大小用零载荷时的电容量c0=2aε0/(t/εri+g)归一。见当均匀载荷使极板膜的最大弯曲不超过板的厚度时(参见图2)，传感器的电容大小与载荷大小基本呈线性关系。为了定量说明数值算法的精度和收敛情况，图3(b)给出了垂向位移数值计算中的自然对数误差函数lnε随迭代次数N的变化情况。着载荷的加大，迭代次数N在增多(百余次)，收敛稳定，可达到很高的计算精度(ε<10-6)。3(b)也说明，在数值计算中追求高精度是以计算量和计算时间为代价的，而且也影响收敛的稳定性，因此过分追求高精度是没有必要的。图2垂向位移分布数值解与解析解或近似解的对比限定ε<5%，在较大载荷范围内重新计算了微传感器的相对电容随载荷变化的曲线，示于图4(a)。4(b)则给出了极板膜中心处的垂向位移(垂向位移最大值)随载荷的变化曲线。载荷引起的最大垂向位移小于极板膜厚度时，电容随载荷的增大线性地增加，随后，随着载荷的继续增大电容非线性地增大。载荷引起的最大垂向位移大于极板膜厚度的1.5。时，电容随载荷的增大迅速增加，在接近接触载荷(上极板膜中心接触到下极板膜上的绝缘层时所对应的载荷)时，电容与载荷的关系呈现极强的非线性。图3电容与载荷的关系以及数值计算收敛情况(a)相对电容随载荷的变化，(b)数值计算收敛情况图4电容以图4电容以及最大垂向位移与载荷的关系(a)相对电容随载荷的变化，(b)最大垂向位移随载荷的变化2接触模式接触式电容压力微传感器的剖面图如图1(b)所示，它工作在大于接触载荷的状态下，根据施加载荷所引起的上极板膜与绝缘薄膜接触面积的变化，进而引起电容大小发生变化的原理工作，能承受比非接触式压力微传感器更大的载荷，更大的动态范围和过载保护。些特点从它的工作原理就可以看出，因此近年来受到广泛关注。对图1(b)所讨论的二维模型，上极板膜与绝缘薄膜的接触面积用接触半径δ来表征。接触载荷qc时，接触半径为零，极板膜中心处垂向位移w0等于两极板间的初始距离g。接触模式，方程(22)中的a变成(a−δ)所以可求出接触半径δ为根据对称性，方程(2)可改写成其中，先将求解区域从(δ≤x≤a)变为(−1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)，作坐标系变换：原方程及边界条件变为再对边界条件作变换，使之成为齐次边界条件：可以验证：经过变换(31)～(34)，微分方程(28)变为其中，方程(35)～(37)可以用第1节所述的伪谱算法求解。取与第1节相同的计算参数a=500μm，h=2μm，g=4μm，E=130GPa，ν=0.3，t=0.1，μm，εri=11.3。计算了几个不同载荷情况的垂向位移分布，图5给出了结果和收敛情况。图5不同载荷下的垂向位移分布与数值计算收敛情况(a)垂向位移分布，(b)数值计算收敛情况由图5(a)可见，随着载荷的增大，接触半径在增大，最大垂向位移始终等于两极板之间的初始距离，接触载荷为qc=554Pa。5(b)说明，算法收敛稳定，精度高。图6(a)给出了电容随载荷变化的关系曲线：图中的电容为相对电容，即对电容用接触载荷时的电容量Cc归一。图4(a)相比较可见，接触式电容压力微传感器能承受比非接触式压力微传感器更大的载荷，有更大的动态范围。6(b)给出了接触半径随着载荷变化的曲线，在接触载荷qc=554Pa处，接触半径δ=0，随着载荷的不断增大，接触半径逐渐变大。非接触式不同(参见图4)，接触式电容压力微传感器的电容大小主要取决于接触半径大小。图6电容以及接触半径与载荷的关系曲线(a)相对电容随载荷的变化，(b)接触半径随载荷的变化3结论用伪谱算法对非接触式和接触式电容式压力微传感器极板膜在固定边界条件和均匀载荷情况下的弯曲行为作了数值模拟。合实际算例，比较详细地叙述了伪谱算法的计算原理，说明了伪谱算法具有收敛稳定、精度高的特点，并将其用于微传感器的载荷与电容关系数值分析。值计算表明，伪谱算法既能解决