基于DSP2812開關(guān)柜真空管真空度在線監(jiān)測(cè)裝置的研究

張國(guó)棟 宋建成

（1晉城供電分公司，山西 晉城 048000，2太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

一直以來(lái)，變電站高壓配電室中的高壓開關(guān)柜內(nèi)真空開關(guān)由于真空管真空度劣化導(dǎo)致絕緣水平下降而引發(fā)的開關(guān)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，不僅造成電網(wǎng)的事故停電而且對(duì)變電站巡檢人員構(gòu)成生命威脅，為此采用交流耐壓法對(duì)真空開關(guān)真空管真空度進(jìn)行檢測(cè)，該方法可作為真空開關(guān)真空度是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直接判據(jù)，但只能提供一個(gè)粗略判定，不能判斷真空度變化趨勢(shì),更無(wú)法對(duì)帶電狀態(tài)下的真空開關(guān)設(shè)備進(jìn)行真空度在線監(jiān)測(cè)。脈沖磁控放電法是目前真空開關(guān)真空度檢測(cè)儀中普遍采用的方法，該方法精度高、重復(fù)性較好，但是該方法是一種離線檢測(cè)方法，檢測(cè)時(shí)需要開關(guān)退出運(yùn)行轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)時(shí)才能實(shí)施。采用基于冷陰極磁控放電法的監(jiān)測(cè)裝置對(duì)真空管真空度進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)真空度變化情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，但實(shí)施監(jiān)測(cè)時(shí)需要在滅弧室靜觸頭端密封蓋板上加裝一個(gè)微型的真空度傳感器，對(duì)真空開關(guān)滅弧室重新進(jìn)行改造，因此，該裝置不能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)投入運(yùn)行的高壓開關(guān)柜內(nèi)真空開關(guān)真空度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

真空開關(guān)真空度在線監(jiān)測(cè)前提是在開關(guān)帶電狀態(tài)且不改動(dòng)開關(guān)主體結(jié)構(gòu)的情況下，無(wú)論其處在運(yùn)行或熱備用狀態(tài)都能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其真空度變化情況。光電變換法是能夠滿足這種要求的一種監(jiān)測(cè)方法，但構(gòu)成其光電探頭的光電晶體傳感元件熱穩(wěn)定性較低，難以適應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)溫升變化，同時(shí)，與該電場(chǎng)探頭配套光電信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備成本較高，難于大面積推廣。

本文針對(duì)電流熱效應(yīng)等原因引起的高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度比較高的情況，尤其是在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)段，開關(guān)柜內(nèi)部溫度要比變電站高壓配電室室內(nèi)溫度高出很多，現(xiàn)有能滿足高壓開關(guān)柜內(nèi)真空開關(guān)真空度在線監(jiān)測(cè)要求的監(jiān)測(cè)設(shè)備存在熱穩(wěn)定性差，成本費(fèi)用高等問(wèn)題，提供一種了溫度穩(wěn)定性高、造價(jià)較低的在線監(jiān)測(cè)裝置。

1 真空度測(cè)量原理模擬實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)了一套模擬高壓開關(guān)柜內(nèi)真空管運(yùn)行環(huán)境的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 真空度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)可以控制模擬真空管內(nèi)真空度的變化，主要包括真空校準(zhǔn)系統(tǒng)、真空管運(yùn)行環(huán)境、真空計(jì)、調(diào)壓系統(tǒng)。真空校準(zhǔn)系統(tǒng)采用兩級(jí)真空泵構(gòu)成，利用真空泵可以將滅弧室抽到正常運(yùn)行時(shí)的真空度，此外，真空腔內(nèi)的真空度可通過(guò)調(diào)節(jié)閥微量地調(diào)節(jié)；調(diào)壓系統(tǒng)可以改變加在真空管動(dòng)靜觸頭之間的電壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)將本真空監(jiān)測(cè)裝置直接貼在真空管的外壁上，調(diào)節(jié)并保持真空管動(dòng)靜觸頭兩端電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)閥改變真空管真空度的同時(shí)，利用本真空度在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)真空管真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2 監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)裝置組成及工作原理

高壓開關(guān)柜內(nèi)真空管真空度在線監(jiān)測(cè)裝置，包括電容耦合器、電容分壓器、信號(hào)拾取電路、精密整流濾波電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、微處理器單元、聲光報(bào)警單元和通訊單元。電容耦合器是由兩塊高磁導(dǎo)率相同金屬的金屬板構(gòu)成，其間由同種介質(zhì)電容構(gòu)成的電容分壓器連接，交流電場(chǎng)信號(hào)由電容分壓器低壓臂通過(guò)雙絞線引出至信號(hào)拾取電路，拾取信號(hào)經(jīng)信號(hào)線傳輸至精密整流濾波電路，經(jīng)整流濾波處理后傳送至壓頻轉(zhuǎn)換電路，由壓頻轉(zhuǎn)換電路將整流濾波后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，頻率信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送至微處理器的捕獲單元，微處理器通過(guò)I/O口與聲光報(bào)警單元相連接，通過(guò)控制總線與通訊單元相連接。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置高壓端模塊框圖

在上述裝置中，電容耦合器的兩塊金屬板之間由絕緣子支撐固定，其距離長(zhǎng)短可根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)具體空間大小而定，電容耦合器的作用是耦合高壓開關(guān)屏蔽罩空間靜電感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)，電容分壓器是由3個(gè)同種介質(zhì)的高容抗電容串聯(lián)構(gòu)成，包括1個(gè)高壓臂電容和2個(gè)低壓臂電容，靠近真空管管壁的為高壓臂電容，高壓臂電容與金屬板之間有電氣連接，兩個(gè)低壓臂電容與高壓臂電容串聯(lián)后與另1塊金屬板之間有電氣連接，經(jīng)電容分壓器分壓后的交流電場(chǎng)信號(hào)與屏蔽罩交流靜電電位大小呈正比，該信號(hào)由兩低壓臂電容經(jīng)雙絞線引出，引出信號(hào)連接至信號(hào)拾取電路，信號(hào)拾取電路經(jīng)整流濾波和壓頻轉(zhuǎn)換后連接至微處理器，該裝置微處理器采用了DSP2812來(lái)完成信號(hào)的處理分析。

2.2 信號(hào)拾取電路設(shè)計(jì)

本裝置中信號(hào)拾取電路的主要作用是拾取電容分壓器的取樣電壓信號(hào)，將電容分壓器分壓保持的耦合電壓信號(hào)無(wú)失真性地獲取，并完成分壓耦合電壓信號(hào)與后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路之間銜接。一般情況下，信號(hào)測(cè)量電路從高容抗的電容分壓器中取樣出來(lái)的交流電壓信號(hào)是一個(gè)零點(diǎn)不斷發(fā)生漂移的不穩(wěn)定信號(hào)，不經(jīng)過(guò)特殊的信號(hào)拾取電路無(wú)法將其無(wú)失真地拾取，針對(duì)此，在研究電容分壓器低壓臂信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了高輸入阻抗的信號(hào)拾取電路；該電路的特點(diǎn)是輸入阻抗大，可抑制共模干擾信號(hào)，從而有效防止輸出信號(hào)發(fā)生信號(hào)漂移現(xiàn)象，其電路計(jì)如圖3所示。U1、U2、U3構(gòu)成了1個(gè)三運(yùn)放信號(hào)測(cè)量放大電路；設(shè)計(jì)中為增大電路的交流輸入阻抗、加快其交流響應(yīng)速度、濾除拾取信號(hào)中的直流分量，在一級(jí)運(yùn)放前端和二級(jí)運(yùn)放前端加入了高容抗的交流耦合隔直電容C1、C2、C3、C4，電容取值應(yīng)與低壓臂電容取值相匹配。另外，為了使得差分運(yùn)算放大器U3的輸出信號(hào)達(dá)到微處理芯片的最佳處理狀態(tài)，電路中還加入了由運(yùn)算放大器U4構(gòu)成的同比例運(yùn)算放大電路。

圖3 信號(hào)拾取電路

圖中運(yùn)算放大器 U1、U2選取高輸入阻抗芯片OPA128，放大器 U3選擇芯片 IN105，放大器 U4選取芯片CA3140來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，其中芯片IN105具有差分放大功能，其內(nèi)部集成了4個(gè)等值的精密電阻，從而保證了差分放大時(shí)差模干共信號(hào)地有效濾除，IN105內(nèi)部電路圖如圖4所示。

圖4 IN105內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中，將5管腳與6管腳相連，構(gòu)成一個(gè)減法運(yùn)算的差分電路。設(shè)Uout為6管腳輸出電壓，u2為2管腳輸入電壓，u3為3管腳輸入電壓，四個(gè)電阻阻值相等，分別記為R6、R7、R8、R9可得Uout為

從而可以得到圖3運(yùn)算放大器U3輸出電壓，設(shè)圖 3中運(yùn)算放大器 U1輸入電壓為 U1、輸出電壓為Uo1，運(yùn)算放大器U2輸入電壓為U2、輸出電壓為Uo2，運(yùn)算放大器U3輸出電壓為U3，運(yùn)算放大器U4輸出電壓為即整個(gè)電路的輸出為Uo。在第一級(jí)電路中，輸入電壓U1、U2分別加到運(yùn)算放大器U1和U2的同相端，R1、R2和R3組成的反饋網(wǎng)絡(luò)引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個(gè)運(yùn)算放大器U1、U2的輸入端形成虛短和虛斷，因而有

根據(jù)式（1）的關(guān)系可得

圖3中U4構(gòu)成同比例運(yùn)算電路，由“虛短”和“虛斷”的概念得集成運(yùn)放U4的輸出電壓為

調(diào)節(jié)R5的阻值可以實(shí)現(xiàn)不同的輸出電壓。

2.3 精密整流濾波電路設(shè)計(jì)

由于從電容分壓器取樣出來(lái)的信號(hào)是工頻的交流電壓信號(hào)，而壓頻轉(zhuǎn)換芯片一般是將單極性的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的，無(wú)法將工頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖形式的頻率信號(hào)，針對(duì)此在壓頻轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)了精密整流濾波電路，其作用主要將拾取的工頻交流信號(hào)整流成直流信號(hào)，以便符合壓頻轉(zhuǎn)換器件輸入信號(hào)的要求，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 精密整流濾波電路

圖中D1、D2選用反向漏電流較小的鍺開關(guān)二極管， U5、U6選用具有高輸入阻抗和低輸入失調(diào)電壓、噪聲小、轉(zhuǎn)換速率高，適合對(duì)小信號(hào)條件下電壓/電流信號(hào)進(jìn)行精密整形和放大的運(yùn)算放大器。

2.4 壓頻轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜內(nèi)，空間較小，電磁干擾嚴(yán)重，加上本方法中從電容分壓器拾取的屏蔽罩電位信號(hào)較為微弱，為了增強(qiáng)監(jiān)測(cè)裝置的抗干擾性，特將整流濾波后的直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)的脈沖頻率式數(shù)字信號(hào)，其壓頻轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)如圖 6所示。其中 U7采用LM331，該芯片輸出滿量程頻率范圍為：1Hz～100kHz，而且其輸出脈沖與所有邏輯形式兼容。

圖6 壓頻轉(zhuǎn)化電路

2.5 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

利用低壓端微處理器DSP的GPIOD0給聲光報(bào)警器提供一個(gè)低電平可使聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。報(bào)警電流可在真空開關(guān)真空度不滿足設(shè)置要求時(shí)進(jìn)行報(bào)警，從而為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供信號(hào)提示，便于變電站巡視人員在真空開關(guān)真空度劣化前發(fā)現(xiàn)其缺陷。

圖7 報(bào)警電路

DSP的I/O管腳輸出電平是3.3V，蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電壓是5V，因此，在用DSP的I/O管腳對(duì)蜂鳴器進(jìn)行控制之前應(yīng)該先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，另外為了滿足蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流，在電路設(shè)計(jì)中加入了NPN的三極管來(lái)作為蜂鳴器的功率驅(qū)動(dòng)。

3 監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由初始化程序、頻率信號(hào)采集程序、信號(hào)頻率與真空度變化對(duì)應(yīng)關(guān)系處理程序、聲光報(bào)警程序和通信程序組成。頻率信號(hào)采集程序完成了信號(hào)的頻率采集計(jì)算，信號(hào)頻率與真空度變化對(duì)應(yīng)關(guān)系處理程序完成了頻率信號(hào)大小與其對(duì)應(yīng)真空度變化關(guān)系的處理，聲光報(bào)警程序能夠?qū)崿F(xiàn)真空度劣化預(yù)報(bào)警功能，485通信程序完成了本監(jiān)測(cè)裝置與其他監(jiān)測(cè)裝置的并網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)共享，微處理器通過(guò)對(duì)頻率信號(hào)的軟件處理后，可實(shí)現(xiàn)分辨率為 10-2的真空度在線監(jiān)測(cè)。

頻率信號(hào)的采集采用DSP2812捕獲口CAP2來(lái)實(shí)現(xiàn)，上升沿捕獲。設(shè)置EVA的T1為連續(xù)增計(jì)數(shù)方式，二分頻，寫0xFFFF到周期寄存器TIPR以使兩次捕獲的計(jì)數(shù)值之差盡可能大。其捕獲中斷程序代碼設(shè)計(jì)如下。

進(jìn)入捕獲中斷子程序后，首先清 CAP2中斷標(biāo)志位，從 2級(jí)深度 FIFO中依次讀出兩次捕獲的計(jì)數(shù)值num 1和num2。進(jìn)而可得在被測(cè)頻率的一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)器T1的周期數(shù)數(shù)N，則被測(cè)頻率為fx=fs/N。（fs為DSP主頻150MHz經(jīng)高速預(yù)分頻后為75MHz，再經(jīng)T1預(yù)設(shè)分頻，選2分頻，75M/2=37500000）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

真空度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)主要完成了信號(hào)拾取電路、精密整流濾波電路及不同真空度時(shí)，真空度傳感器信號(hào)采集情況的調(diào)試。

圖8為電容分壓器低壓臂的原始信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)頻率為 50Hz的不規(guī)則波形；圖9為信號(hào)拾取電路的輸出波形，由波形圖可知，該電路不但可以較好地拾取分壓電容器低壓臂電壓波形信號(hào)而且具有濾除干擾信號(hào)的功能，電路經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行證明信號(hào)拾取電路的輸出穩(wěn)定，能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確的反映電容分壓器低壓臂交流電場(chǎng)信號(hào)的變化情況；圖10為精密整流濾波電路的輸出波形，由實(shí)驗(yàn)波形可知，精密整流濾波電路的輸出能夠較準(zhǔn)確地反映信號(hào)拾取電路輸出波形的峰值，圖11為壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出波形，以數(shù)字脈沖形式傳輸增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力。

圖8 電容分壓器低壓臂原始信號(hào)

圖9 精密整流濾波電路輸出波形

圖10 精密整流濾波電路輸出波形

圖11 DSP的輸入信號(hào)

另外為檢驗(yàn)傳感器性能和分辨率，實(shí)驗(yàn)室利用真空度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬同一管型同一電壓情況下不同真空度的真空管，將之作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了真空度為1.1×10-1Pa及6.1×10-1Pa時(shí)的實(shí)驗(yàn)。圖12的（a）和（b）為在這2種真空度情況得到的實(shí)驗(yàn)波形，由圖 12的（a）中輸出的脈沖波頻率為 1.031kHz，（b）輸出的脈沖頻率為1.429kHz，得知該真空度在線監(jiān)測(cè)裝置可分辨的真空度變化量為10-1Pa。

圖12 不同真空度時(shí)DSP的輸入波形

5 結(jié)論

本裝置采用電容分壓器式電場(chǎng)探頭來(lái)監(jiān)測(cè)真空管內(nèi)屏蔽罩上交流電位，很好地解決了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)裝置熱穩(wěn)定性差的問(wèn)題。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、安裝方便、成本較低、有較好的抗干擾能力。基于DSP2812的真空度在線監(jiān)測(cè)裝置不僅適用于變電站高壓配電室結(jié)構(gòu)緊湊的10kV或35kV高壓開關(guān)柜，也可應(yīng)用于其它高電壓等級(jí)的真空開關(guān)，具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[1]羅日成,袁松貴.真空開關(guān)真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào),2005,20(3):1-4.

[2]趙子玉,吉曉波,等.用旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)探頭在線檢測(cè)滅弧室真空度[J]. 高電壓技術(shù), 2003,29(10):29-31.

[3]葉曉東,趙學(xué)文,等.一種真空斷路器真空度檢測(cè)新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(11):49-105.

[4]段雄英,趙子玉,鄒積巖. 真空滅弧室真空度在線檢測(cè)的試驗(yàn)研究[J].高壓電器,2000,(4):30-32.

[5]李衛(wèi)國(guó),吳軍等. 滅弧室內(nèi)屏蔽罩上電位與真空度的關(guān)系[J]. 高電壓技術(shù),2007,33(6):133-136.

[6]蘇奎峰,呂強(qiáng),耿慶鋒,等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社.

[7]DDAMSTRAG C, KEMA N V. Pressure estimation in vacuum circuit breakers[J]. IEEE' Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2(2):198-201.

[8]鄒積巖,何俊佳,程禮椿.真空滅弧室的真空度測(cè)試與在線監(jiān)測(cè)[J].高壓電器,1993,29(5):13-17.