真空斷路器單體調(diào)試作業(yè)指導(dǎo)書及電容式壓力微傳感器的數(shù)值分析

目錄TOC\o"1-3"\h\z1.編制依據(jù) 22.目的及適用范圍 23.調(diào)試范圍及工作量 24.資源配置 25.試驗程序 35.1試驗程序見圖一 36.試驗方法、標(biāo)準(zhǔn)及注意事項 46.1測量絕緣拉桿的絕緣電阻 46.2測量每相導(dǎo)電回路的電阻 46.3測量斷路器的分、合閘時間及三相同期 56.4測量絕緣電阻及交流耐壓 56.5測量分、合閘線圈的最低動作電壓 71.編制依據(jù)1.1《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》GB50150-20061.2《火電廠電氣設(shè)備起動調(diào)試》2.目的及適用范圍2.1本作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)定了真空斷路器的單體試驗規(guī)范，適用于真空斷路器的單體調(diào)試。3.調(diào)試范圍及工作量3.1調(diào)試范圍為全廠所有真空斷路器。4.資源配置4.1，電氣試驗人員2人。4.4試驗設(shè)備：2500V電動兆歐表一臺回路測試儀一臺變壓器直流電阻測試儀一臺數(shù)字萬用表（四位半0.5級）一塊斷路器測試儀一套直流電壓表（0～300V0.5級）一塊試驗變壓器（配控制箱10KVA50/0.2KV）一臺靜電電壓表(20～50～100KV)一臺試驗專用接插線一套5.試驗程序5.1試驗程序見圖一開始工作準(zhǔn)備技術(shù)交底測量分、合閘線圈的最低動作電壓測量絕緣拉桿的絕緣電阻測量每相導(dǎo)電回路的電阻測量斷路器的分、合閘時間及三相同期測量絕緣電阻及交流耐壓試驗報告開始工作準(zhǔn)備技術(shù)交底測量分、合閘線圈的最低動作電壓測量絕緣拉桿的絕緣電阻測量每相導(dǎo)電回路的電阻測量斷路器的分、合閘時間及三相同期測量絕緣電阻及交流耐壓試驗報告圖一試驗程序圖6.試驗方法、標(biāo)準(zhǔn)及注意事項6.1測量絕緣拉桿的絕緣電阻6.1.1測量采用2500V電動兆歐表。6.1.2試驗標(biāo)準(zhǔn)：用有機(jī)物制成的提升桿的絕緣電阻值不低于下表規(guī)定額定電壓（KV）35以下35～100以下110～220絕緣電阻值MΩ1000250050006.1.3注意事項：(1)測量時將提升桿兩端分別接上兆歐表的L及E端進(jìn)行測量。(2)若提升桿因受潮使絕緣電阻不合格時，應(yīng)進(jìn)行干燥處理。6.2測量每相導(dǎo)電回路的電阻6.2.1測量采用回路測試儀。測量時先將斷路器合上，將斷路器三相觸頭串聯(lián)起來再和回路測試儀相連，算出所測電阻值。6.2.2采用變壓器直流電阻測試儀測量。6.2.3試驗標(biāo)準(zhǔn)：電阻值應(yīng)符合制造廠產(chǎn)品要求。6.2.4注意事項：若測得數(shù)值不合格，可將斷路器分、合數(shù)次再試，若仍不合格，則檢查連接處的接觸是否良好。6.3測量斷路器的分、合閘時間及三相同期6.3.1采用斷路器測試儀測量。6.3.2試驗標(biāo)準(zhǔn)：斷路器的分、合閘時間和三相同期測量值，應(yīng)符合制造廠產(chǎn)品要求。6.4測量絕緣電阻及交流耐壓6.4.1測量時采用2500V兆歐表，試驗變壓器（10KVA50/0.2KV）、靜電電壓表(20～50～100KV)。6.4.2試驗分?jǐn)嗫诩跋嚅g二項耐壓。其試驗接線如圖三圖三斷路器交流耐壓試驗接線圖(1)斷口耐壓時先分開斷路器，斷口兩端三相分別聯(lián)在一起，一側(cè)加壓，另一側(cè)短路接地。(2)相間耐壓時先合上斷路器，一相加壓，另外兩相短路接地，分三次進(jìn)行。6.4.3試驗標(biāo)準(zhǔn)額定電壓（KV）36101520試驗電壓（KV）1621273645耐壓時間1min，以不擊穿為合格。6.4.4注意事項：升壓過程中或耐壓試驗時，若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象(如電壓表指針大幅度晃動；毫安表指示急劇增加或當(dāng)電壓不變時，毫安表指示逐漸向增加方向擺動；被試物絕緣有異味或冒煙現(xiàn)象；以及聽到不正常響聲等)，均應(yīng)立即停止試驗，把電壓降到零，拉開電源開關(guān)，待查明原因后再行試驗。6.5測量分、合閘線圈的最低動作電壓6.5.2試驗合閘時先將斷路器分閘，將開關(guān)測試儀上所取分壓逐漸調(diào)高，同時操作刀閘，直至斷路器剛能合上，讀取此時電壓，即為斷路器最低合閘電壓。分閘測量與合閘操作程序相同。6.5.3試驗標(biāo)準(zhǔn)：部件名稱最低動作電壓（額定電壓的%）不小于不大于分閘線圈3065合閘線圈30806.5.4注意事項：試驗用DC110V電源最好取自盤內(nèi)DC110V操作電源，其他儀器提供的電源可能容量不夠，影響測量的準(zhǔn)確性。6kV真空斷路器試驗報告工程名稱型號制造廠家額定電壓出廠編號額定電流安裝單位試驗日期溫度.0C1.測量每相導(dǎo)電回路的電阻標(biāo)準(zhǔn)值:1250A＜240(μΩ).3150＜160(μΩ)相ABC直流電阻(μΩ)2.測量每相絕緣電阻(2500VM表)耐壓試驗前標(biāo)準(zhǔn)值:絕緣電阻＞1200(MΩ)相A.B.C斷口A－B.C.GB－A.C.GC－B.AG絕緣電阻(M)3.交流耐壓試驗(1).標(biāo)準(zhǔn)值:斷口(32kV1min).A.B.C斷口(2).標(biāo)準(zhǔn)值:相－地(28kV1min)A－B.C.地B－A.C.地C－B.A.地4.測量每相絕緣電阻(2500VM表)耐壓試驗后標(biāo)準(zhǔn)值:絕緣電阻＞1200(MΩ)相A.B.C斷口A－B.C.地B－A.C.地C－B.A.地絕緣電阻(M)5.測量斷路器跳、合閘時間和三相同期跳閘(ms)45±10msABC合閘(ms)50±10msABC跳閘同期(ms)≤2ms合閘同期(ms)≤2ms合閘時觸頭彈跳時間(ms)≤2ms6.斷路器操動機(jī)構(gòu)試驗No合、跳閘線圈額定工作電壓百分?jǐn)?shù)％操作類別操作次數(shù)結(jié)果跳閘合閘1110110合、跳32≥85合33≥65跳34≤30不能跳閘35100100合、跳3試驗員記錄年月日電容式壓力微傳感器的數(shù)值分析摘要用偽譜算法對電容壓力微傳感器極板膜在均勻載荷條件下的彎曲行為作了數(shù)值模擬?敘述了偽譜算法原理，并將其用于微傳感器的載荷與電容關(guān)系分析?對于非接觸式電容壓力微傳感器，只有在小載荷的條件下，才可以忽略作用于極板膜的中平面的張力。此時，微傳感器的電容與載荷之間呈線性關(guān)系。當(dāng)進(jìn)一步增加載荷時，兩者的關(guān)系呈非線性，電容隨載荷的增大迅速增加。對于接觸式電容壓力微傳感器，給出了接觸半徑的計算公式，數(shù)值計算了載荷與電容關(guān)系曲線，為壓力微傳感器分析和設(shè)計提供了理論依據(jù)?關(guān)鍵詞偽譜算法電容壓力微傳感器載荷與電容關(guān)系作為一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件，電容壓力微傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、受外部環(huán)境影響小，以及無溫度飄移等優(yōu)點，在工業(yè)上有良好應(yīng)用前景。電容壓力微傳感器的基本結(jié)構(gòu)為雙層平行板電容器：上極板為幾個微米厚的薄膜，其材料可為硅質(zhì)、聚合物、氮化硅、金屬或陶瓷薄膜，下極板以硅質(zhì)、玻璃或其他絕緣性材料為襯底，下極板表面上附有一層厚度為零點幾個微米的絕緣層。當(dāng)上極板膜承受的載荷不同時，它的彎曲程度不同，電容大小就會不同，測量電容大小的變化便可測量微傳感器所受載荷大小的變化。電容與載荷之間的關(guān)系主要取決于上極板膜的彎曲程度，因此，研究極板膜的彎曲形變對電容壓力微傳感器的設(shè)計極為重要。電容壓力微傳感器的工作方式有非接觸式和接觸式兩種(見圖1，a和b)：非接觸式工作原理是微傳感器隨著載荷變化引起上極板膜彎曲度變化，使微電容器兩極板之間距離發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電容發(fā)生變化，但動態(tài)范圍受到一定限制；接觸式是指微傳感器工作在載荷很大時，上極板膜受壓后的彎曲度達(dá)到使之與絕緣薄膜相接觸，并且隨著載荷的進(jìn)一步增加，接觸面積也隨著增加。它的工作原理是隨著載荷變化引起接觸面積發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電容發(fā)生變化，使得動態(tài)范圍大為擴(kuò)充，具有良好的過載保護(hù)特性。研究電容壓力微傳感器極板膜的彎曲行為需要求解具有固定邊界條件的四階非線性微分方程，一般不能得到解析解。通常采用有限差分、有限單元等數(shù)值計算方法，或采用級數(shù)展開求近似解。在大載荷情況下，電容壓力微傳感器的電容與載荷關(guān)系分析是一個更困難的問題。偽譜算法是近30年來發(fā)展起來的一種求微分方程數(shù)值解的方法，具有精度高、收斂穩(wěn)定等優(yōu)點，而且適用于非線性微分方程的求解問題。本文用偽譜算法對非接觸式和接觸式兩種電容壓力微傳感器的電容與載荷之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值分析。首先研究非接觸模式，闡述了偽譜算法求解具有固定邊界條件和均勻載荷薄板彎曲問題的原理。通過數(shù)值解與解析解或近似解的對比，研究了算法的精度、可靠性和收斂性，并將算法用于電容壓力微傳感器電容與載荷之間關(guān)系的分析，給出了數(shù)值結(jié)果。然后，對接觸模式作了研究，處理了其中遇到的一些特殊問題，給出了接觸半徑的計算公式，數(shù)值計算了載荷與電容關(guān)系曲線，為微傳感器的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。數(shù)值計算表明，偽譜算法不但能解決非接觸式電容壓力微傳感器的從零載荷至接觸載荷范圍內(nèi)的電容與載荷關(guān)系分析問題，而且能解決接觸模式電容壓力微傳感器的電容與載荷關(guān)系數(shù)值分析問題。圖1電容壓力微傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖(a)非接觸式，(b)接觸式1非接觸模式圖1為非接觸式(a)和接觸式(b)電容壓力微傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，忽略邊緣效應(yīng)，垂直于寬度方向的單位長度電容可以表示為其中，ε0為真空中的介電常數(shù)，t為絕緣層的厚度，εri為絕緣層的相對介電常數(shù)，g為零載荷時電容器兩極板之間的初始距離，a為極板膜的半寬度，w(x)為極板膜的中平面相對于平衡位置(零載荷)的垂向位移，是極板膜彎曲程度的度量，依賴于載荷大小。由(1)式可見，電容表達(dá)式中含有未知函數(shù)w(x)，因此，求解極板膜在載荷作用下的垂向位移w(x)是壓力微傳感器分析的關(guān)鍵。對于非接觸式電容壓力微傳感器，在載荷q作用下，極板膜垂向位移w(x)的控制方程為其中，D=Eh3/[12(1?v3)]為極板膜的抗彎剛度，E為楊氏模量，v為Poisson比，h為極板膜的厚度。而極板膜的中平面所受的張力F為邊界條件可表述為：在極板膜兩端，垂向位移w(x)及其一階導(dǎo)數(shù)w′(x)為零：方程(2)～(4)構(gòu)成了極板膜垂向位w(x)的四階非線性微分方程的定解問題。求解該定解問題，再利用方程(1)就可以得到傳感器的載荷和電容之間的關(guān)系。得到方程(2)～(4)的解析解是困難的，這里我們用偽譜算法求該問題的數(shù)值解。為此，首先將求解區(qū)域從(?a≤x≤+a)變換為(?1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)，則其次再將區(qū)域(?1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)剖分為N份：其中，為Chebyshev剖分結(jié)點。然后用內(nèi)結(jié)點上的函數(shù)值構(gòu)造函數(shù)：為滿足邊界條件(7)，選取修正的Lagrange插值函數(shù)：其中，為Lagrange插值函數(shù)，它具有這樣的特性：修正的Lagrange插值函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)為根據(jù)修正Lagrange插值函數(shù)的性質(zhì)，可以驗證函數(shù)(10)及其一階導(dǎo)數(shù)滿足邊界條件(7)。由方程(5)和(9)，最終可以形成關(guān)于內(nèi)結(jié)點函數(shù)值的線性代數(shù)方程組：解此方程，可得到內(nèi)結(jié)點處的垂向位移w(EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x))(j=2，3，…，N?1，N)，回代到方程(10)，可以得到任意觀察點EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)處的位移w(EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x))再將求解區(qū)域從(-1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)變換回(?a≤x≤+a)，就得到了原定解問題(2)(4)的解。方程(5)～(7)為非線性微分方程，可用定點迭代技術(shù)逐步逼近求解，迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)為其中，wj(k-1)和wj(k)分別為第j個結(jié)點處的第(k?1)和第k次垂向位移迭代值。取某電容壓力微傳感器的參數(shù)為：a=500μm，h=2μm，g=4μm，E=130GPa，v=0.3，t=0.1μm，εri=11.3。首先考察算法的計算精度、收斂性和可靠性。在小載荷和小彎曲條件下(位移甚小于極板膜的厚度)，張力F可以忽略(F≈0)，極板膜的彎曲程度由彎矩(線性部分)控制，直接解方程(2)～(4)即可得到垂向位移w(x)的解析解：圖2(a)給出了小載荷條件下極板膜垂向位移分布數(shù)值解(虛線)和解析解(實線)的對比結(jié)果，兩者吻合得很好。只有當(dāng)極板膜中心處的垂向位移小于膜厚度的十分之一時，才可忽略張力F的影響。一般情況下，張力F的影響不可被忽略。此時，計及了張力F的影響，采用虛功原理(另文報道)，可求得方程(2)～(4)的近似解：其中，w0滿足顯然，在小位移條件下(w0<<h)，解(21)化成解析解(20)圖2(b)給出了在較大位移下，不同載荷時極板膜垂向位移分布的數(shù)值解(虛線)和近似解(實線)的對比結(jié)果，兩者吻合得也很好。然后再用偽譜算法進(jìn)行載荷與電容關(guān)系的分析。圖3(a)給出了傳感器的電容隨載荷q大小的變化關(guān)系曲線：圖中的電容為相對電容，即對電容大小用零載荷時的電容量c0=2aε0/(t/εri+g)歸一。見當(dāng)均勻載荷使極板膜的最大彎曲不超過板的厚度時(參見圖2)，傳感器的電容大小與載荷大小基本呈線性關(guān)系。為了定量說明數(shù)值算法的精度和收斂情況，圖3(b)給出了垂向位移數(shù)值計算中的自然對數(shù)誤差函數(shù)lnε隨迭代次數(shù)N的變化情況。著載荷的加大，迭代次數(shù)N在增多(百余次)，收斂穩(wěn)定，可達(dá)到很高的計算精度(ε<10-6)。3(b)也說明，在數(shù)值計算中追求高精度是以計算量和計算時間為代價的，而且也影響收斂的穩(wěn)定性，因此過分追求高精度是沒有必要的。圖2垂向位移分布數(shù)值解與解析解或近似解的對比限定ε<5%，在較大載荷范圍內(nèi)重新計算了微傳感器的相對電容隨載荷變化的曲線，示于圖4(a)。4(b)則給出了極板膜中心處的垂向位移(垂向位移最大值)隨載荷的變化曲線。載荷引起的最大垂向位移小于極板膜厚度時，電容隨載荷的增大線性地增加，隨后，隨著載荷的繼續(xù)增大電容非線性地增大。載荷引起的最大垂向位移大于極板膜厚度的1.5。時，電容隨載荷的增大迅速增加，在接近接觸載荷(上極板膜中心接觸到下極板膜上的絕緣層時所對應(yīng)的載荷)時，電容與載荷的關(guān)系呈現(xiàn)極強(qiáng)的非線性。圖3電容與載荷的關(guān)系以及數(shù)值計算收斂情況(a)相對電容隨載荷的變化，(b)數(shù)值計算收斂情況圖4電容以圖4電容以及最大垂向位移與載荷的關(guān)系(a)相對電容隨載荷的變化，(b)最大垂向位移隨載荷的變化2接觸模式接觸式電容壓力微傳感器的剖面圖如圖1(b)所示，它工作在大于接觸載荷的狀態(tài)下，根據(jù)施加載荷所引起的上極板膜與絕緣薄膜接觸面積的變化，進(jìn)而引起電容大小發(fā)生變化的原理工作，能承受比非接觸式壓力微傳感器更大的載荷，更大的動態(tài)范圍和過載保護(hù)。些特點從它的工作原理就可以看出，因此近年來受到廣泛關(guān)注。對圖1(b)所討論的二維模型，上極板膜與絕緣薄膜的接觸面積用接觸半徑δ來表征。接觸載荷qc時，接觸半徑為零，極板膜中心處垂向位移w0等于兩極板間的初始距離g。接觸模式，方程(22)中的a變成(a?δ)所以可求出接觸半徑δ為根據(jù)對稱性，方程(2)可改寫成其中，先將求解區(qū)域從(δ≤x≤a)變?yōu)??1≤EQ\*jc1\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(^),x)≤+1)，作坐標(biāo)系變換：原方程及邊界條件變?yōu)樵賹吔鐥l件作變換，使之成為齊次邊界條件：可以驗證：經(jīng)過變換(31)～(34)，微分方程(28)變?yōu)槠渲校匠?35)～(37)可以用第1節(jié)所述的偽譜算法求解。取與第1節(jié)相同的計算參數(shù)a=500μm，h=2μm，g=4μm，E=130GPa，ν=0.3，t=0.1，μm，εri=11.3。計算了幾個不同載荷情況的垂向位移分布，圖5給出了結(jié)果和收斂情況。圖5不同載荷下的垂向位移分布與數(shù)值計算收斂情況(a)垂向位移分布，(b)數(shù)值計算收斂情況由圖5(a)可見，隨著載荷的增大，接觸半徑在增大，最大垂向位移始終等于兩極板之間的初始距離，接觸載荷為qc=554Pa。5(b)說明，算法收斂穩(wěn)定，精度高。圖6(a)給出了電容隨載荷變化的關(guān)系曲線：圖中的電容為相對電容，即對電容用接觸載荷時的電容量Cc歸一。圖4(a)相比較可見，接觸式電容壓力微傳感器能承受比非接觸式壓力微傳感器更大的載荷，有更大的動態(tài)范圍。6(b)給出了接觸半徑隨著載荷變化的曲線，在接觸載荷qc=554Pa處，接觸半徑δ=0，隨著載荷的不斷增大，接觸半徑逐漸變大。非接觸式不同(參見圖4)，接觸式電容壓力微傳感器的電容大小主要取決于接觸半徑大小。圖6電容以及接觸半徑與載荷的關(guān)系曲線(a)相對電容隨載荷的變化，(b)接觸半徑隨載荷的變化3結(jié)論用偽譜算法對非接觸式和接觸式電容式壓力微傳感器極板膜在固定邊界條件和均勻載荷情況下的彎曲行為作了數(shù)值模擬。合實際算例，比較詳細(xì)地敘述了偽譜算法的計算原理，說明了偽譜算法具有收斂穩(wěn)定、精度高的特點，并將其用于微傳感器的載荷與電容關(guān)系數(shù)值分析。值計算表明，偽譜算法既能解決