高壓真空斷路器真空度在線監測系統設計

徐海濱，王駿強，許志兵，張豹，陳鵬

(廣西大學電氣工程學院，廣西　南寧　530004)

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高壓真空斷路器真空度在線監測系統設計

徐海濱，王駿強，許志兵，張豹，陳鵬

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

一定的真空度是保證高壓真空斷路器在操作時熄滅電弧的前提，而真空度在工作中會因為一些原因下降，因而需要時常檢測，傳統的離線檢測方法需要停電具有諸多不便，在線監測技術解決了這些問題。本文設計了一套真空度在線監測裝置，計算機仿真結果顯示該系統能夠準確完成真空度的在線監測報警顯示。

高壓真空斷路器；耦合電容法；真空度；在線監測

1　引言

高壓真空斷路器以其優良的滅弧特性在電網中得到了廣泛應用。但是真空斷路器在運行過程中會因為制作工藝、元件老化、機械受損等原因導致真空度下降，當真空度下降到0.133Pa附近，斷路器在操作時就無法滿足開斷電流和消滅電弧的要求，在開關分合的過程中，如果不能保證及時熄滅電弧會導致斷路器爆炸，給電網運行造成危害。因此需要經常對斷路器的真空度進行檢查[1]?，F有的檢測方法一般分為離線檢測和在線監測，離線檢測需要輸電線路斷電，檢測人員到現場檢測，十分不便，相比之下，在線監測有效避免了這些困難，是一項有效的即時檢測措施[2]。本文設計了一套真空度在線監測裝置，仿真結果顯示該裝置能準確地測試出真空度的大小完成監測任務。

2　在線監測原理

2.1耦合電容法原理

目前，真空度的在線監測的方法有很多，其中耦合電容法使用較多[3-5]。如圖1(a)所示，斷路器在帶電運行期間，中間動靜觸頭具有很高的工作電壓，因而屏蔽罩上也會出現感應電壓。當室內氣體發生泄漏時，屏蔽罩表面上的帶電情況也隨之改變，因此屏蔽罩上的帶電情況和室內的氣體壓強具有一定關系[6]。如圖1所示，斷路器動靜觸頭、中間屏蔽罩、探頭極板之間形成電容C1、C2，傳感器內部設置電容C3，由其等效電路由電容C1、C2、C3構成，通過測量耦合電容C3的兩端電壓Uo大小可以判斷電容C2分壓大小，即可由對應關系求出真空度的大小[7]。這就是真空度監測的基本原理。

圖1　斷路器及其等效電路圖

2.2總體設計思路

根據監測原理分析，真空度的在線測量轉化為測量電容C3的分壓大小。電容C3兩端的電壓信號可由信號采集電路測得，采集到的信號需要經過放大電路、濾波電路、模數轉換送到中央處理器，在處理器中進行數據處理，計算出此時的真空度大小，結果由顯示電路輸出，并且判斷是否進行報警操作。因此該在線監測系統設計了電源、測量、輸出、告警系統，硬件框圖如圖2所示。

圖2　硬件框圖

3　硬件系統設計

3.1最小系統設計

最小系統是處理器工作的必須條件，由晶振電路、復位電路和中央處理器組成，如圖3所示。晶振電路采用了經典的設計方案，由X1和X2引腳外接晶振芯片和諧振電容組成。復位電路為系統的重啟電路，可以使系統恢復到初始狀態。如圖中所示，共設計了上電復位和開關復位兩種復位方式。當系統通電后電容器充電，RES端獲得高電平，單片機復位；當按鍵按下時，RES端與+5V電源接通為高電平，單片機復位。這樣設計是為了方便使用。

圖3　單片機最小系統

3.2電源電路設計

系統直流穩壓電源是基于集成穩壓器件LM7805、LM7812和LM7912進行設計，并使用了2個濾波電容，使用濾波電容主要目的是為了消除電源波動對系統的干擾，提高系統的抗干擾能力。為防止電源之間的相互干擾，需對模擬電路和數字電路進行獨立供電，因此電源電路設計輸出兩路+5V的穩壓電源[8]。為了給OP-07放大器供電，本次又分別設計了+12V和-12V電源，共計設計了四路電源，可以保證給系統穩點供電。數模兩路+5V供電電路如圖4所示。

3.3信號采集電路設計

由于采集的電壓信號較弱，大約幅值在幾百毫伏左右，所以它需要先經過放大以后才能進行后續的信號處理。放大電路既可以放大信號，還可以充當輸入緩沖級，提高輸入阻抗，實現阻抗匹配[9]。如圖5所示，信號放大電路選擇OP-07放大器，其由±12V電源供電，具有穩定的性能，這樣能得到穩定的輸出信號，放大倍數等于R2/R1的值。

圖4　電源電路圖

圖5　放大電路圖

由于傳感器會受到輸電線路高次諧波影響，所以測得的信號包括高頻諧波信號，因此需要對放大后的信號進行濾波處理。本次選用OP-07放大器設計了一個低通濾波器，其該濾波器性能穩定，濾波效果好，其電路圖如圖6所示。

圖6　濾波電路圖

數模轉換電路如圖7所示，先由整流電路把信號轉化為穩定的直流信號，然后由數模轉換芯片送入到單片機中處理。由于晶閘管存在電阻，信號經過橋式整流電路后的會有衰減，因為這種壓降數值固定，可以在程序中進行微調。模數轉換器采用TLC2543芯片，其簡單的3線SPI串行接口可以非常容易地與微處理器進行通信，而且具有12位精度，可采集11路模擬信號。TLC2543芯片可以直接讀取電壓信號，而無法直接讀取電流信號，可以通過外接電阻實現電流信號與電壓信號的轉化。同時A/D轉換電路也把數模信號分開，防止了它們相互干擾。

圖7　數模轉換電路圖

3.4顯示和報警電路設計

顯示電路的設計師為了對系統測得的真空度進行實時顯示。單片機端口對外輸出時需要外接阻值2-10kΩ的上拉電阻，電路中又增加了ULN2003反相器，用它來驅動數碼管，單片機的驅動能力可以有很大的改善。報警電路由兩個顏色不同的指示燈和一個蜂鳴器組成，通過顯示它們的不同的工作狀態來顯示監測結果，以此來提示工作人員。

4　控制系統的軟件設計

基于Keil 51平臺，采用了C語言設計了控制系統的軟件程序。軟件采用模塊化設計，先對每個子模塊進行分別編寫調試，然后由主程序統一調用，這樣利于程序調試。具體模塊如下：

(1)自檢模塊，系統通電后先進入自檢模塊，主要測試硬件電路是否能正常工作；

(2)初始化模塊，主要包括對硬件芯片的初始化和軟件變量的設置；

(3)數據采集和處理模塊，包括電壓信號的采集和處理，對于采樣得到的數據，計算出相應的參數并與正常的數值進行比較；

(4)顯示模塊，該模塊對真空度大小進行編碼，然后驅動顯示電路顯示，可以讓工作人員清楚地看到此刻的真空度狀態；

(5)報警模塊，該模塊的主要任務是區分真空度是否良好，對工作人員有提醒作用。

圖8　程序流程圖

通電后先對硬件進行檢查，檢查硬件電路能正常工作后開始進入初始化模塊，初始化完成后進入主循環，進行數據采集和處理，根據實驗數據判斷此時的真空度大小，交由顯示程序進行顯示，同時決定是否驅動報警電路，然后進行下一次循環。圖8為程序流程圖。

5　結論

利用計算機軟件對軟硬件進行了仿真。硬件仿真結果顯示：穩壓電路能提供穩定電源，電壓波動范圍小于千分之一；信號放大濾波電路能完成對信號的放大和對干擾信號的過濾；數模轉換結果準確；顯示和報警電路能正常工作。同時，進行了軟硬件聯合調試，調試結果顯示：處理器能正確讀取采集到的信號，和對信號進行處理，計算出真空度大小，并且輸出到人機交互界面顯示。系統能迅速偵測到電容的微小變化，當電容大小一旦超過預設值，就會觸發報警電路動作，具有很高的靈敏性。仿真結果說明該套監測系統軟硬件設計合理，可以準確完成對真空度的監測。

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Design of On-line Monitoring System For Vacuum Degree of High Voltage Vacuum Circuit Breaker

XUHai-bin,WANGJun-qiang,XUZhi-bing,ZHANGBao,CHENPeng

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

A certain vacuum degree is the premise to guarantee the high voltage vacuum circuit breaker in operation,and the vacuum degree in the work will be reduced because of some reasons,and therefore need to detect,the traditional method of off-line detection requires a lot of inconvenience. In this paper,a set of on-line monitoring device is designed. The computer simulation results show that the system can accurately complete the on-line monitoring and alarming of the vacuum degree.

high voltage vacuum circuit breaker;coupling capacitance method;vacuum degree;on-line condition monitoring

1004-289X(2016)02-0057-04

TM56

B

2015-09-15