基于PLC的耐压试验控制系统设计.doc

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基于PLC的耐压试验控制系统设计

基于PLC的耐压试验控制系统设计

[摘要]：

本课题通过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，完成了工频耐压试验控制系统的设计。

设计主回路包括：

接触式调压器、试验变压器、NSP保护装置等；控制回路包括：

电压、电流、试验电压测量电路。

实现了工作方式设定、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。

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。

[关键词]：

工频耐压试验；可编程控制器；控制系统设计；组态软件

DesignofWithstandVoltageTestControlSystemBasedonPLC

Abstract:

Thistopicmeasuretheexperimentalvoltagebyselectingmethodofcapacitivevoltagedivider,andadoptsthewholewavefourieralgorithmanalysisanddesignofharmoniccomponentsandfiltercircuitseliminatetestofvoltageharmonics,completedthedesignofcontrolsystemforpowerfrequencywithstandvoltagetest.Designofmaincircuitincluding:

-contacttesttransformer,NSPregulator,protectorandsoon;controlcircuitincluding:

voltage,current,testvoltagemeasurementcircuit.Realizingtheworksetting,actionsequencecontroltimeset,regulator,pressuretestcircuitforpositiondetectionandalarm,overcurrentprotection.ProgrammingwithSiemensS7-300softwareincludedigitalsignal,analogsignalprocessingandcontrolsoftwareprogramminganddebuggingofsystemasawhole.AtthesametimemakingWINCCinterface,withthefunctionalityofhardwarecontrolsystemtoachieveamonitoringtestprocedure.

Keywords:

Industrialfrequencypressuretest；programmablecontroller；controlsystemdesign；configurationsoftware

目录

28

1引言 1

1.1课题的背景 1

1.2课题的目的和意义 1

1.3系统设计的主要内容 1

2工频耐压试验原理及模拟实验电压谐波分析 2

2.1试验原理 2

2.2试验电压测量方法的选择 2

2.3模拟试验电压谐波分析 3

2.3.1试验电压谐波的产生 3

2.3.2谐波分析算法 4

3工频耐压试验控制系统硬件设计 7

3.1控制系统主回路 7

3.2控系统控制回路设计 9

3.3控制系统测量电路设计 11

3.3.1电压测量电路设计 11

3.3.2试验电压测量电路设计 13

3.3.3电流测量电路设计 13

3.3.4电源电路设计 14

3.3.5电源滤波电路设计 15

3.4PLC控制系统整体设计方案 16

3.4.1PLC控制系统框图 16

3.4.2输入／输出端口分配 16

3.5变频调速系统的设计 17

3.5.1变频器型号及相关参数 17

3.5.2变频器调速控制回路 17

3.6试验变压器的选型 18

3.7调压器的选型 19

4工频耐压试验控制系统软件设计 19

4.1软件设计的主要任务 19

4.2STEP7程序设计步骤 19

4.3控制系统主程序设计 20

4.4控制系统子程序设计 23

4.4.1模拟量信号处理 23

4.5控制系统上位机界面设计 23

4.5.1WINCC简介 23

4.5.2WINCC组态界面创建过程 24

4.5.3WINCC组态界面 24

4.5.4试验主回路组态界面 25

4.5.5上位机组态界面调试 26

结束语 28

参考文献 29

致谢 30

1引言

1.1课题的背景

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[1]。

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。

1.2课题的目的和意义

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[2]，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。

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。

1.3系统设计的主要内容

针对传统手动控制系统以及工控机控制系统自身的不足，本课题设计了一套以PLC为核心的新型工频耐压试验控制系统。

主要完成以下几方面的研究：

①利用电容分压器法测量试验高电压并采用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对工频耐压试验控制系统进行调试，验证其综合性能。

2工频耐压试验原理及模拟实验电压谐波分析

2.1试验原理

工频耐压试验电源部分经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1分钟时间[3]，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内没有发生击穿，就可以确定被测试品可以在正常的运行条件下安全运行。

如图1为工频耐压试验接线图。

图1工频耐压试验接线图

2.2试验电压测量方法的选择

分压器是一种将高电压波形转换成低电压波形的转换装置，它由高压臂和低压臂组成。

输入电压加在整个装置上，而输出电压则取自低压臂。

通过分压器可以解决低压仪器测量高压峰值以及波形的问题。

在工频耐压试验中，往往用到的分压器是电容分压器。

用电容分压器测量高电压的原理是将被测电压通过串联的电容分压器进行分压[4]，测出其中低阻抗电容器上的电压，再用分压比算出被测电压，如图2所示，图中C1、C2分别代表高电压臂和低电压臂的电容，测量仪表接在C2两端，可以用高阻抗的交流电压表或静电电压表测量电压的有效值，也可以用峰值表测量电压的峰值;还可以用示波器观察波形和测量电压的峰值。

R为并联在C2上的一个高电阻，可以用它防止C2在加压前或加压后所存在的残余电压[5]。

假定被测电压为U，C2两端电压为U2，根据电流连续性原理:

（1）

式中:

，称为电容分压比。

图2电容式分压器原理图

本课题采用电容分压器法测量试验电压，其中高压臂电容量C1=200pF，低压臂电容量C2=1µF，额定电压550kv，额定频率50Hz，分压比5000:

1。

经过电容分压器，我们可以得到0～100V的电压信号，此电压信号经过分压、整流、滤波、放大、稳压后变为0～5V的满足S7-300的A/D输入模块要求的标准电压信号[6]。

2.3模拟试验电压谐波分析

2.3.1试验电压谐波的产生

试验电压的波形对各种试验是有不同程度的影响的。

国家标准规定试验电压一般应是频率为45Hz～65Hz的交流电[7]，试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波，且峰值和方均根（有效）值之比应在以内。

如果谐波的方均根（有效）值不大于基波方均根值的5%。

则认为满足上述的波形要求。

以试验变压器为供电电源的高压绝缘试验系统造成试验电压波形畸变，由于变压器的铁心的基本磁化曲线是非线性的，因此若变压器一次侧所加的电压接近为正弦波时，变压器铁心中的主磁通也接近为正弦形，这样激磁电流i1就是非正弦的，也就是说除基波分量之外，还有三次、五次等谐波分量，激磁电流呈尖顶波形。

当试验变压器的前面接有调压器而且调压器的漏抗较大时，如图3所示。

非正弦的激磁电流i1就会在其上产生非正弦的压降U，如果电源电压U1为正弦波，则因U2=U1-U，因此试验变压器的一次侧电压U2必为非正弦的，变压器的高压侧输出电压U3也因此为非正弦。

图3含有调压器漏抗的试验变压器等效电路

2.3.2谐波分析算法

目前谐波分析方法有离散傅里叶变换（DFT）法、准同步法、小波变换法等。

其中离散傅里叶变换法发展很快，快速傅里叶变换（FFT）就是DFT的一种改进算法。

由于FFT算法较DFT的计算量减少1到2个数量级，而且该方法分析谐波时，精度高、功能强、使用方便，因此目前应用比较广泛。

全波傅里叶算法具有较强的滤波能力，可以分析所有的整数次谐波分量，而且稳定性好[8]。

本文应用全波傅里叶算法进行基波分量和各次谐波分量的求解，精确提取试验电压中的各次谐波分量，并进行有效的滤波处理，使试验电压的波形满足试验标准要求。

全波傅里叶算法能有效地求解直流分量和信号中的整数次谐波分量。

如输入信号为：

（2）

式中：

a为直流分量；

Un为基波（n=l）分量或（n2）分量的幅值；

为基波角频率；

为基波（n=l）或（