徐海濱，王駿強(qiáng)，許志兵，張豹，陳鵬

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西　南寧　530004)

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高壓真空斷路器真空度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐海濱，王駿強(qiáng)，許志兵，張豹，陳鵬

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)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(shí)熄滅電弧的前提，而真空度在工作中會(huì)因?yàn)橐恍┰蛳陆担蚨枰獣r(shí)常檢測(cè)，傳統(tǒng)的離線檢測(cè)方法需要停電具有諸多不便，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)解決了這些問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一套真空度在線監(jiān)測(cè)裝置，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成真空度的在線監(jiān)測(cè)報(bào)警顯示。

高壓真空斷路器；耦合電容法；真空度；在線監(jiān)測(cè)

1　引言

高壓真空斷路器以其優(yōu)良的滅弧特性在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是真空斷路器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)橹谱鞴に嚒⒃匣?、機(jī)械受損等原因?qū)е抡婵斩认陆?，?dāng)真空度下降到0.133Pa附近，斷路器在操作時(shí)就無(wú)法滿足開(kāi)斷電流和消滅電弧的要求，在開(kāi)關(guān)分合的過(guò)程中，如果不能保證及時(shí)熄滅電弧會(huì)導(dǎo)致斷路器爆炸，給電網(wǎng)運(yùn)行造成危害。因此需要經(jīng)常對(duì)斷路器的真空度進(jìn)行檢查[1]。現(xiàn)有的檢測(cè)方法一般分為離線檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)，離線檢測(cè)需要輸電線路斷電，檢測(cè)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，十分不便，相比之下，在線監(jiān)測(cè)有效避免了這些困難，是一項(xiàng)有效的即時(shí)檢測(cè)措施[2]。本文設(shè)計(jì)了一套真空度在線監(jiān)測(cè)裝置，仿真結(jié)果顯示該裝置能準(zhǔn)確地測(cè)試出真空度的大小完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2　在線監(jiān)測(cè)原理

2.1耦合電容法原理

目前，真空度的在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行期間，中間動(dòng)靜觸頭具有很高的工作電壓，因而屏蔽罩上也會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電壓。當(dāng)室內(nèi)氣體發(fā)生泄漏時(shí)，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(nèi)的氣體壓強(qiáng)具有一定關(guān)系[6]。如圖1所示，斷路器動(dòng)靜觸頭、中間屏蔽罩、探頭極板之間形成電容C1、C2，傳感器內(nèi)部設(shè)置電容C3，由其等效電路由電容C1、C2、C3構(gòu)成，通過(guò)測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系求出真空度的大小[7]。這就是真空度監(jiān)測(cè)的基本原理。

圖1　斷路器及其等效電路圖

2.2總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)監(jiān)測(cè)原理分析，真空度的在線測(cè)量轉(zhuǎn)化為測(cè)量電容C3的分壓大小。電容C3兩端的電壓信號(hào)可由信號(hào)采集電路測(cè)得，采集到的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換送到中央處理器，在處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出此時(shí)的真空度大小，結(jié)果由顯示電路輸出，并且判斷是否進(jìn)行報(bào)警操作。因此該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電源、測(cè)量、輸出、告警系統(tǒng)，硬件框圖如圖2所示。

圖2　硬件框圖

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是處理器工作的必須條件，由晶振電路、復(fù)位電路和中央處理器組成，如圖3所示。晶振電路采用了經(jīng)典的設(shè)計(jì)方案，由X1和X2引腳外接晶振芯片和諧振電容組成。復(fù)位電路為系統(tǒng)的重啟電路，可以使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。如圖中所示，共設(shè)計(jì)了上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種復(fù)位方式。當(dāng)系統(tǒng)通電后電容器充電，RES端獲得高電平，單片機(jī)復(fù)位；當(dāng)按鍵按下時(shí)，RES端與+5V電源接通為高電平，單片機(jī)復(fù)位。這樣設(shè)計(jì)是為了方便使用。

圖3　單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是基于集成穩(wěn)壓器件LM7805、LM7812和LM7912進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用了2個(gè)濾波電容，使用濾波電容主要目的是為了消除電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。為防止電源之間的相互干擾，需對(duì)模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行獨(dú)立供電，因此電源電路設(shè)計(jì)輸出兩路+5V的穩(wěn)壓電源[8]。為了給OP-07放大器供電，本次又分別設(shè)計(jì)了+12V和-12V電源，共計(jì)設(shè)計(jì)了四路電源，可以保證給系統(tǒng)穩(wěn)點(diǎn)供電。數(shù)模兩路+5V供電電路如圖4所示。

3.3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

由于采集的電壓信號(hào)較弱，大約幅值在幾百毫伏左右，所以它需要先經(jīng)過(guò)放大以后才能進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。放大電路既可以放大信號(hào)，還可以充當(dāng)輸入緩沖級(jí)，提高輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[9]。如圖5所示，信號(hào)放大電路選擇OP-07放大器，其由±12V電源供電，具有穩(wěn)定的性能，這樣能得到穩(wěn)定的輸出信號(hào)，放大倍數(shù)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(huì)受到輸電線路高次諧波影響，所以測(cè)得的信號(hào)包括高頻諧波信號(hào)，因此需要對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本次選用OP-07放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)低通濾波器，其該濾波器性能穩(wěn)定，濾波效果好，其電路圖如圖6所示。

圖6　濾波電路圖

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，先由整流電路把信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流信號(hào)，然后由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片送入到單片機(jī)中處理。由于晶閘管存在電阻，信號(hào)經(jīng)過(guò)橋式整流電路后的會(huì)有衰減，因?yàn)檫@種壓降數(shù)值固定，可以在程序中進(jìn)行微調(diào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TLC2543芯片，其簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可以非常容易地與微處理器進(jìn)行通信，而且具有12位精度，可采集11路模擬信號(hào)。TLC2543芯片可以直接讀取電壓信號(hào)，而無(wú)法直接讀取電流信號(hào)，可以通過(guò)外接電阻實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化。同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換電路也把數(shù)模信號(hào)分開(kāi)，防止了它們相互干擾。

圖7　數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖

3.4顯示和報(bào)警電路設(shè)計(jì)

顯示電路的設(shè)計(jì)師為了對(duì)系統(tǒng)測(cè)得的真空度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)端口對(duì)外輸出時(shí)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(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力可以有很大的改善。報(bào)警電路由兩個(gè)顏色不同的指示燈和一個(gè)蜂鳴器組成，通過(guò)顯示它們的不同的工作狀態(tài)來(lái)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，以此來(lái)提示工作人員。

4　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于Keil 51平臺(tái)，采用了C語(yǔ)言設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件程序。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，先對(duì)每個(gè)子模塊進(jìn)行分別編寫(xiě)調(diào)試，然后由主程序統(tǒng)一調(diào)用，這樣利于程序調(diào)試。具體模塊如下：

(1)自檢模塊，系統(tǒng)通電后先進(jìn)入自檢模塊，主要測(cè)試硬件電路是否能正常工作；

(2)初始化模塊，主要包括對(duì)硬件芯片的初始化和軟件變量的設(shè)置；

(3)數(shù)據(jù)采集和處理模塊，包括電壓信號(hào)的采集和處理，對(duì)于采樣得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)并與正常的數(shù)值進(jìn)行比較；

(4)顯示模塊，該模塊對(duì)真空度大小進(jìn)行編碼，然后驅(qū)動(dòng)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(tài)；

(5)報(bào)警模塊，該模塊的主要任務(wù)是區(qū)分真空度是否良好，對(duì)工作人員有提醒作用。

圖8　程序流程圖

通電后先對(duì)硬件進(jìn)行檢查，檢查硬件電路能正常工作后開(kāi)始進(jìn)入初始化模塊，初始化完成后進(jìn)入主循環(huán)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷此時(shí)的真空度大小，交由顯示程序進(jìn)行顯示，同時(shí)決定是否驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，然后進(jìn)行下一次循環(huán)。圖8為程序流程圖。

5　結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)軟硬件進(jìn)行了仿真。硬件仿真結(jié)果顯示：穩(wěn)壓電路能提供穩(wěn)定電源，電壓波動(dòng)范圍小于千分之一；信號(hào)放大濾波電路能完成對(duì)信號(hào)的放大和對(duì)干擾信號(hào)的過(guò)濾；數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確；顯示和報(bào)警電路能正常工作。同時(shí)，進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試結(jié)果顯示：處理器能正確讀取采集到的信號(hào)，和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出真空度大小，并且輸出到人機(jī)交互界面顯示。系統(tǒng)能迅速偵測(cè)到電容的微小變化，當(dāng)電容大小一旦超過(guò)預(yù)設(shè)值，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路動(dòng)作，具有很高的靈敏性。仿真結(jié)果說(shuō)明該套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，可以準(zhǔn)確完成對(duì)真空度的監(jiān)測(cè)。

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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