高精度電子真空計的研制

田秀先 王海偉 楊玉青 徐潤宸 崔艷麗

(合肥供電公司變電檢修室,安徽合肥 230021)

高精度電子真空計的研制

田秀先 王海偉 楊玉青 徐潤宸 崔艷麗

(合肥供電公司變電檢修室,安徽合肥 230021)

隨著電網的迅速發展,GIS設備在變電站中的使用越來越廣泛。真空計在GIS設備檢修工作中使用越來越頻繁,傳統廣泛使用的麥氏真空計不僅測量速度慢,測量精度低,水銀存在毒性,最重要的是操作不當會使水銀倒灌入設備[1],給GIS設備的安全、穩定運行埋下安全隱患。因此,現行的《十八項重大反事故措施》[2]GIS抽真空時,禁止使用麥氏真空計。本文旨在研制高精度電子真空計,以解決這些問題。

高精度 電子真空計 研制

隨著電網的發展,GIS設備數量逐漸增多,GIS故障次數也隨之增加。GIS抽真空時以及抽真空后的保壓檢測都需要頻繁使用真空計,以確保檢修的氣室內水分等雜質含量達到要求,并且氣室無漏氣現象。傳統使用的麥氏真空計,操作步驟復雜,讀數精度低,水銀毒性較強。GIS氣室抽真空過程中,如果發生停電或者麥氏真空計操作錯誤,都可能使水銀倒灌進設備中。水銀進入GIS氣室會嚴重降低氣室的絕緣性能,而且難以去除。因此國家電網現行《國家電網十八項重大反事故措施》[2]12．1．2．2條規定:為防止真空度計水銀倒灌進設備中,禁止使用麥氏真空計。為此,本文研制一種高精度電子真空計,以滿足GIS設備檢修需求。

1 皮拉尼電阻真空傳感器原理

根據變電檢修規范的要求,SF6氣室抽真空過程中,真空測量范圍要求在1～200 Pa,精度要求1Pa。皮拉尼真空傳感器能夠滿足測量要求,并且成本低、測量速度快。故本文采用皮拉尼真空傳感器。

假設氣體導熱模型由兩個相互分離的熱板和冷板組成,熱板的溫度高于冷板的溫度,即 Tr＞1T。根據傅立葉定律,熱量正比于氣體的熱導率:

式中, As為平行板的面積大小； k為氣體熱導率；d為冷熱板之間的距離。

式中,L是冷、熱板系統的特征長度, λ是氣體分子的平均自由程,其表達式為:

其中,k為玻耳茲曼常數,d為氣體分子直徑,T、P分別為氣體溫度和壓強。根據 Kn值,可以將氣體的導熱劃分為3個區域:連續介質區( Kn＜0．01)、轉換區(0．01＜ Kn＜1)和分子區( Kn＞1)。

當氣體的導熱發生于分子區( Kn＞1)時,氣體導熱量正比于氣體壓強:

式中, α為碰撞的適應系數, Tg是氣體溫度,是氣體分子的平均速度。

當氣體導熱發生于連續區( Kn＜0．01)時,氣體的導熱量為:

圖1 高精度電子真空計系統圖

m是單個氣體分子質量,n是分子數密度, CV是氣體的定容比熱, γ是氣體的定壓比熱與定容比熱的比值。

轉換氣壓tP定義為為:

λ 是氣壓為1Pa時氣體的平均自由程。

在整個氣壓范圍內,氣體的導熱量可以表示為:

ref在整個氣壓范圍內,氣體熱導率可表示為:

式中, Q0和k0是1Pa時的氣體導熱量和氣體熱導率。

由此可知:當氣壓小于轉折氣壓時,導熱量及熱導率與氣壓成正比,皮拉尼傳感器正是利用這一原理,方便、準確的計算出氣壓,從而計算出真空度。

2 電子真空計系統設計(圖1)

功能實現過程是:第一部分是模擬電路,皮拉尼真空傳感器及其驅動電路將物理量氣壓轉化為模擬信號。第二部分是數字處理電路,模擬信號通過AD變換后,CPU將通過數字控制、接口電路接收到的數字信號,與EPROM中的數據表進行對比,從而得到真空度值,并定時在液晶屏上刷新顯示。

硬件實現時,電源穩壓電路選擇78L10A,與電腦通信的USB芯片選用TUSB3410,CPU選用德州儀器的M430F 427 16位高精度微處理器,電壓基準芯片選用385B12基準IC,電壓比較芯片選用1013D,存儲芯片選用4L08EPROM。工作時通過VSP841型真空度傳感器獲得真空度電信號,經處理后由電壓比較芯片與基準電壓芯片電壓值比較,獲得的結果送入CPU分析,加入溫度補償及氣體修正因子等參數計算獲得真空度值,并在液晶屏上顯示出來。

3 結語

與傳統的麥氏真空計相比,本文設計的高精度電子真空計克服了麥氏真空計測量速度慢、測量精度低、水銀存在毒性以及操作不當會使水銀倒灌入GIS設備中的隱患,并且提高了測量速度和測量精度,獲得了良好的經濟效益、安全效益和社會效益。

[1]張志芳.一起真空泵油及真空表水銀倒吸事件的分析及防范措施.《電氣時代》,2009年第12期,88-89.

[2]國家電網公司十八項重大反事故措施.中國電力出版社,155123.1190.

田秀先(1988一),男,山東臨沂人,大學本科,高級工,研究方向:電氣工程及其自動化;

王海偉(1986—),男,河南新鄉人,碩士研究生,中級工,研究方向:電氣工程;

楊玉青(1978—),男,安徽合肥人,大學本科,高級工,研究方向:電氣工程;

徐潤宸(1988—),男,江蘇連云港人,大學本科,技師,研究方向:電氣工程;

崔艷麗(1981—),女,安徽合肥人,技師。