李 宇，王忠利

(鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450064)

0 引言

電力斷路器是電力系統(tǒng)重要的控制和保護(hù)電器，其以真空作為絕緣和滅弧手段，所以真空度關(guān)系到斷路器的性能和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。常見(jiàn)的真空度檢測(cè)方法有：耐壓檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法、真空直接檢測(cè)法等，適用于離線檢測(cè)[1]。電力斷路器工作在高溫、強(qiáng)磁等惡劣環(huán)境中，常用的離線檢測(cè)手段無(wú)法適用。因此如何在線檢測(cè)真空度，成為智能電網(wǎng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文提出采用間接檢測(cè)電磁波輻射的方法[2]，設(shè)計(jì)一套采集模擬信號(hào)、抗干擾能力強(qiáng)的真空度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 脈沖電磁波檢測(cè)原理

脈沖電磁波在線檢測(cè)不影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行，電網(wǎng)信號(hào)在斷路器中會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波，電信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為真空度[3]，具體檢測(cè)原理如圖1所示。高壓側(cè)為電網(wǎng)一次配電，電力斷路器在閉合瞬間，電流信號(hào)在機(jī)械碰撞瞬間會(huì)產(chǎn)生20～100 MHz輻射，產(chǎn)生的輻射脈沖經(jīng)過(guò)真空滅弧室內(nèi)時(shí)，不同的真空度脈沖的傳輸路徑不同，真空度越高輻射信號(hào)能量會(huì)越低。因此可以用該方法在不影響電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下完成檢測(cè)，也可以適配不同規(guī)格的電力斷路器。

圖1 電磁波放電示意圖

脈沖檢測(cè)原理的最終形式是要把電荷信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓值，傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，由于電力斷路器附近的電場(chǎng)分布非常微弱，為減少干擾信號(hào)對(duì)電場(chǎng)變化的影響，在正對(duì)滅弧室的位置連接一個(gè)覆銅板，覆銅板可以檢測(cè)電荷信號(hào)并傳輸?shù)? 300 pF的高精度電容上，電容被安裝在鋁箔制作的屏蔽罩內(nèi)，可以保證傳感器探頭在任何位置電容上的電場(chǎng)分布都是準(zhǔn)確的。精密電容另一端連接到50 Ω的同軸電纜上，可以有效地起到抗干擾的作用。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖

得到的電壓主要與電容上的負(fù)離子量相關(guān)，由于真空度與負(fù)離子數(shù)成指數(shù)關(guān)系，還需要用等離子理論推導(dǎo)負(fù)離子數(shù)量和斷路器真空度的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)朗繆爾方程如式(1)：

(1)

式中：n0為中性粒子密度；T為電子溫度，此處取空間溫度；Ui為氣體中的離子電能；x為電離度，即負(fù)離子和中性粒子的密度比。

室溫下的壓強(qiáng)和離子密度成正比：

n0=C1P

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)得出不同溫度下的壓強(qiáng)和離子密度的關(guān)系：

(3)

式中:ni為負(fù)離子數(shù)量；C為常數(shù)；f(T)為與電子溫度相關(guān)的多項(xiàng)式表達(dá)式；p為壓強(qiáng)。

負(fù)離子數(shù)量需要利用采集電壓和電容傳感器計(jì)算得出，綜合后計(jì)算出真空度壓強(qiáng)p的結(jié)果。

在真空度的實(shí)際環(huán)境中，壓強(qiáng)越大電子的勢(shì)能越大，因此在斷路器閉合的瞬間很容易爆發(fā)出積累的能量，此公式由于x遠(yuǎn)小于1，只適用真空度比較好的環(huán)境。

2 真空度在線檢測(cè)硬件系統(tǒng)

真空度在線檢測(cè)硬件需要采集穩(wěn)定的高頻脈沖電磁波。檢測(cè)硬件主要有3部分：電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路和MCU數(shù)據(jù)采集電路。其中電源模塊從整個(gè)系統(tǒng)考慮采用噪聲比較小的線性電源[4]，信號(hào)調(diào)理電路主要功能是放大脈沖電磁波信號(hào)并輸入到核心處理器中，MCU數(shù)據(jù)采集電路采用高分辨率的數(shù)據(jù)采集模塊，具體原理如圖3所示。

圖3 真空度檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 電源模塊電路

電源模塊的輸出電壓要從系統(tǒng)角度出發(fā)，以每個(gè)芯片的需求電壓和電流確定電源功能[5]，例如ARM處理器需要+5 V電源電壓供電，I/O引腳輸出電壓為+3.3 V，信號(hào)采集芯片A/D的供電電壓為+1.8 V，具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。芯片MAX1644的電壓輸出精度為1%，芯片具有過(guò)熱保護(hù)功能，可以很好地保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，其中外圍配置電路按照芯片手冊(cè)完成設(shè)計(jì)，芯片TPS76318的電壓輸出精度比較低，為保證電源信號(hào)穩(wěn)定，在輸入接口部分連接68 μF和0.1 μF2個(gè)濾波電容，同理輸出部分也連接2個(gè)濾波電容。

圖4 電源模塊電路

2.2 脈沖電磁波檢測(cè)電路

脈沖電磁波信號(hào)檢測(cè)電路是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的入口，脈沖電磁波檢測(cè)電路接收最原始的電磁輻射信號(hào)，輸入電感和電容要確保信號(hào)的穩(wěn)定性[6]，為了進(jìn)一步保證采集信號(hào)穩(wěn)定性，電路接收信號(hào)后需要進(jìn)一步調(diào)整，具體電路如圖5所示。為保證三極管Q25工作在穩(wěn)定狀態(tài)，電阻R500～R502要保證三極管基極電壓穩(wěn)定在2.5 V左右，二極管D62可以鉗位三接管射極狀態(tài)在0.7 V，集電極和射極之間連接C316起到反饋?zhàn)饔茫ㄟ^(guò)匹配C317電容值和L23電感值就可以調(diào)整電磁波接收頻率[7]，電感兩端連接C419為耦合電容，這種電路連接方式靈敏度很高，并且也提高系統(tǒng)抗噪聲能力。

2.3 信號(hào)放大電路

為提高傳感器采集信號(hào)的抗噪聲能力，在后級(jí)連接兩個(gè)運(yùn)算放大器比較電路，可以完成信號(hào)的放大、濾波和隔離等功能[8]，具體電路應(yīng)用如圖6所示，在信號(hào)輸入端連接一階RC濾波電路即R509和C422，信號(hào)完成自檢后送入LM324N組成的兩級(jí)運(yùn)算放大器電路，一級(jí)放大電路采用負(fù)反饋放大電路，二級(jí)放大器為比較式電路，這種浮地式設(shè)計(jì)可以更好地隔離噪聲電壓。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路

3 真空度在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)

采集完脈沖電磁波信號(hào)后需要核心處理器完成真空度采集程序和真空度轉(zhuǎn)化程序，真空度采集程序是一個(gè)ADC采樣配置的過(guò)程[9]，真空度轉(zhuǎn)化是電壓信號(hào)標(biāo)定為真空度壓力的過(guò)程。

3.1 真空度在線采集程序

在線采集程序是為了保證采集信號(hào)的有效性，主要功能是配置硬件工作過(guò)程，完成信號(hào)采樣和輸出傳輸[10]，具體程序設(shè)計(jì)如圖7所示。系統(tǒng)上電后先初始化系統(tǒng)處理器，包括I/O配置、ADC采樣頻率、清零數(shù)據(jù)內(nèi)存等，然后采樣電壓值并判斷范圍是否符合系統(tǒng)要求，當(dāng)ADC采樣量程不合適時(shí)，DSP會(huì)自動(dòng)調(diào)整通道放大倍數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集后開(kāi)始計(jì)算真空度并通過(guò)串口發(fā)送到接收端，接收完一波真空度數(shù)據(jù)后清零寄存器。

圖7 真空度在線采集程序

根據(jù)硬件原理圖可知A/D芯片為12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，具體控制時(shí)序如圖8所示，CS為芯片的使能引腳，WE為輸入使能引腳，D為數(shù)據(jù)通道，A控制字節(jié)，可以通過(guò)引腳控制改變芯片的工作速度、轉(zhuǎn)換精度和功耗等模式，由于在線檢測(cè)要求比較快的響應(yīng)速度，控制字節(jié)為0x04，這樣采集系統(tǒng)會(huì)工作在高速模式，輸入部分的數(shù)字寄存器D(0～7)也是先傳輸數(shù)據(jù)再傳輸控制命令，芯片的時(shí)序響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1。

圖8 A/D控制時(shí)序

表1 A/D時(shí)序響應(yīng)要求

3.2 真空度轉(zhuǎn)化程序

真空度檢測(cè)的硬件和軟件系統(tǒng)采集到電壓信號(hào)后，需要對(duì)真空度進(jìn)行標(biāo)定并擬合真空度曲線，具體轉(zhuǎn)化程序見(jiàn)圖9。按照真空度在線采集程序讀取的數(shù)據(jù)，由于硬件電路會(huì)濾除掉很多外部脈沖干擾，但是對(duì)于強(qiáng)磁噪聲還需要數(shù)字濾波器濾除[11]，截取2個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)波形并對(duì)比擬合出最優(yōu)電壓曲線，由于電磁波檢測(cè)電路已經(jīng)設(shè)定為特定比例，將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為真空數(shù)據(jù)，濾除不合格數(shù)據(jù)后即可完成真空度曲線擬合。

圖9 真空度轉(zhuǎn)化程序

磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算模型如圖10所示，其中包括動(dòng)桿即電流流入端，靜桿為電流流出端，觸頭為閉合開(kāi)關(guān)，真空密封室等幾個(gè)部分，計(jì)算模型主要用于評(píng)估電力斷路器周?chē)碾姶艔?qiáng)度，具體計(jì)算公式如下：

(4)

圖10 磁感應(yīng)計(jì)算模型

式中：μr為真空室中的磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率，是恒定值4π×10-7N/A；I為斷路器中流過(guò)的電流有效值；γ為真空室到磁場(chǎng)中心的距離；θ2為磁場(chǎng)中心和真空室的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；θ1為磁場(chǎng)中心和真空室的初始角度。

從式(4)可以得出真空度即磁導(dǎo)率會(huì)影響周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度。

4 真空度試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證在線檢測(cè)系統(tǒng)，需要一個(gè)真空度標(biāo)定設(shè)備，根據(jù)標(biāo)定設(shè)備抽成不同的真空度來(lái)確定在線檢測(cè)系統(tǒng)是否滿足性能要求，搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖11所示。真空閥用于真空腔體和斷路器的連接，腔體內(nèi)的真空壓力可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，通過(guò)泵粗調(diào)真空度，利用放氣閥和微調(diào)閥精確調(diào)節(jié)真空度，在真空閥打開(kāi)時(shí)，真空室可以保持和真空腔體一致的真空度，以此檢驗(yàn)在線檢測(cè)系統(tǒng)的精度。由于薄膜計(jì)為10-6～2 Pa，采用真空腔的極限壓力也在10-6Pa左右，因此整個(gè)真空標(biāo)定系統(tǒng)的有效量程為10-6～1 Pa。

圖11 真空標(biāo)定及檢測(cè)平臺(tái)

為驗(yàn)證真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)的精度，全量程范圍內(nèi)多次測(cè)量不同信號(hào)值，每隔10倍數(shù)量級(jí)就需要采集1次電壓數(shù)據(jù)[12]，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果列到表格中并生成曲線，結(jié)果如圖12所示。在10-5Pa以下量程時(shí)實(shí)際數(shù)據(jù)偏離真空壓強(qiáng)比較多，隨著電力斷路器內(nèi)部真空壓強(qiáng)越來(lái)越大，系統(tǒng)檢測(cè)精度也隨之提高。

圖12 擬合真空壓強(qiáng)標(biāo)定曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種電力斷路器的真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)，首先分析電弧的輻射原理，然后設(shè)計(jì)輸出電壓精度為1%的電源電路、檢測(cè)100 MHz脈沖電磁波檢測(cè)電路和信號(hào)調(diào)理電路，設(shè)計(jì)真空度在線采集程序和將電壓轉(zhuǎn)化為真空度曲線程序，搭建電力斷路器的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)確保傳輸信號(hào)的檢測(cè)質(zhì)量，再驗(yàn)證輻射電壓和真空度符合且精度可以達(dá)到10-5Pa。