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)的安全運行。常見的真空度檢測方法有：耐壓檢測法、光學(xué)檢測法、真空直接檢測法等，適用于離線檢測[1]。電力斷路器工作在高溫、強磁等惡劣環(huán)境中，常用的離線檢測手段無法適用。因此如何在線檢測真空度，成為智能電網(wǎng)的一個重要發(fā)展方向。本文提出采用間接檢測電磁波輻射的方法[2]，設(shè)計一套采集模擬信號、抗干擾能力強的真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 脈沖電磁波檢測原理

脈沖電磁波在線檢測不影響電力系統(tǒng)的運行，電網(wǎng)信號在斷路器中會產(chǎn)生高頻電磁波，電信號可以轉(zhuǎn)化為真空度[3]，具體檢測原理如圖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，電流信號在機械碰撞瞬間會產(chǎn)生20～100 MHz輻射，產(chǎn)生的輻射脈沖經(jīng)過真空滅弧室內(nèi)時，不同的真空度脈沖的傳輸路徑不同，真空度越高輻射信號能量會越低。因此可以用該方法在不影響電力系統(tǒng)運行狀態(tài)下完成檢測，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

脈沖檢測原理的最終形式是要把電荷信號轉(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分布非常微弱，為減少干擾信號對電場變化的影響，在正對滅弧室的位置連接一個覆銅板，覆銅板可以檢測電荷信號并傳輸?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分布都是準確的。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離子量相關(guān)，由于真空度與負離子數(shù)成指數(shù)關(guān)系，還需要用等離子理論推導(dǎo)負離子數(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，即負離子和中性粒子的密度比。

室溫下的壓強和離子密度成正比：

n0=C1P

(2)

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

(3)

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

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

在真空度的實際環(huán)境中，壓強越大電子的勢能越大，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遠小于1，只適用真空度比較好的環(huán)境。

2 真空度在線檢測硬件系統(tǒng)

真空度在線檢測硬件需要采集穩(wěn)定的高頻脈沖電磁波。檢測硬件主要有3部分：電源模塊、信號調(diào)理電路和MCU數(shù)據(jù)采集電路。其中電源模塊從整個系統(tǒng)考慮采用噪聲比較小的線性電源[4]，信號調(diào)理電路主要功能是放大脈沖電磁波信號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，信號采集芯片A/D的供電電壓為+1.8 V，具體電路設(shè)計如圖4所示。芯片MAX1644的電壓輸出精度為1%，芯片具有過熱保護功能，可以很好地保護整個系統(tǒng)，其中外圍配置電路按照芯片手冊完成設(shè)計，芯片TPS76318的電壓輸出精度比較低，為保證電源信號穩(wěn)定，在輸入接口部分連接68 μF和0.1 μF2個濾波電容，同理輸出部分也連接2個濾波電容。

圖4 電源模塊電路

2.2 脈沖電磁波檢測電路

脈沖電磁波信號檢測電路是整個檢測系統(tǒng)的入口，脈沖電磁波檢測電路接收最原始的電磁輻射信號，輸入電感和電容要確保信號的穩(wěn)定性[6]，為了進一步保證采集信號穩(wěn)定性，電路接收信號后需要進一步調(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起到反饋作用，通過匹配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 信號放大電路

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

圖6 信號調(diào)理電路

3 真空度在線檢測軟件系統(tǒng)

采集完脈沖電磁波信號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ADC采樣配置的過程[9]，真空度轉(zhuǎn)化是電壓信號標定為真空度壓力的過程。

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的有效性，主要功能是配置硬件工作過程，完成信號采樣和輸出傳輸[10]，具體程序設(shè)計如圖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ADC采樣量程不合適時，DSP會自動調(diào)整通道放大倍數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集后開始計算真空度并通過串口發(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，芯片的時序響應(yīng)時間見表1。

圖8 A/D控制時序

表1 A/D時序響應(yīng)要求

3.2 真空度轉(zhuǎn)化程序

真空度檢測的硬件和軟件系統(tǒng)采集到電壓信號后，需要對真空度進行標定并擬合真空度曲線，具體轉(zhuǎn)化程序見圖9。按照真空度在線采集程序讀取的數(shù)據(jù)，由于硬件電路會濾除掉很多外部脈沖干擾，但是對于強磁噪聲還需要數(shù)字濾波器濾除[11]，截取2個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)波形并對比擬合出最優(yōu)電壓曲線，由于電磁波檢測電路已經(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)強度的計算模型如圖10所示，其中包括動桿即電流流入端，靜桿為電流流出端，觸頭為閉合開關(guān)，真空密封室等幾個部分，計算模型主要用于評估電力斷路器周圍的電磁強度，具體計算公式如下：

(4)

圖10 磁感應(yīng)計算模型

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為斷路器中流過的電流有效值；γ為真空室到磁場中心的距離；θ2為磁場中心和真空室的轉(zhuǎn)動角度；θ1為磁場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)率會影響周圍的磁場強度。

4 真空度試驗驗證

驗證在線檢測系統(tǒng)，需要一個真空度標定設(shè)備，根據(jù)標定設(shè)備抽成不同的真空度來確定在線檢測系統(tǒng)是否滿足性能要求，搭建的試驗系統(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調(diào)節(jié)，通過泵粗調(diào)真空度，利用放氣閥和微調(diào)閥精確調(diào)節(jié)真空度，在真空閥打開時，真空室可以保持和真空腔體一致的真空度，以此檢驗在線檢測系統(tǒng)的精度。由于薄膜計為10-6～2 Pa，采用真空腔的極限壓力也在10-6Pa左右，因此整個真空標定系統(tǒng)的有效量程為10-6～1 Pa。

圖11 真空標定及檢測平臺

為驗證真空度在線檢測系統(tǒng)的精度，全量程范圍內(nèi)多次測量不同信號值，每隔10倍數(shù)量級就需要采集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以下量程時實際數(shù)據(jù)偏離真空壓強比較多，隨著電力斷路器內(nèi)部真空壓強越來越大，系統(tǒng)檢測精度也隨之提高。

圖12 擬合真空壓強標定曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種電力斷路器的真空度在線檢測系統(tǒng)，首先分析電弧的輻射原理，然后設(shè)計輸出電壓精度為1%的電源電路、檢測100 MHz脈沖電磁波檢測電路和信號調(diào)理電路，設(shè)計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現(xiàn)場確保傳輸信號的檢測質(zhì)量，再驗證輻射電壓和真空度符合且精度可以達到10-5Pa。