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

張國棟 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，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)的事故停電而且對變電站巡檢人員構(gòu)成生命威脅，為此采用交流耐壓法對真空開關(guān)真空管真空度進(jìn)行檢測，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,更無法對帶電狀態(tài)下的真空開關(guān)設(shè)備進(jìn)行真空度在線監(jiān)測。脈沖磁控放電法是目前真空開關(guān)真空度檢測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方法，檢測時(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)測裝置對真空管真空度進(jìn)行檢測，可以對真空度變化情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，但實(shí)施監(jiān)測時(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。

真空開關(guān)真空度在線監(jiān)測前提是在開關(guān)帶電狀態(tài)且不改動(dòng)開關(guān)主體結(jié)構(gòu)的情況下，無論其處在運(yùn)行或熱備用狀態(tài)都能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測其真空度變化情況。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)，與該電場探頭配套光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備成本較高，難于大面積推廣。

本文針對電流熱效應(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)測要求的監(jiān)測設(shè)備存在熱穩(wěn)定性差，成本費(fèi)用高等問題，提供一種了溫度穩(wěn)定性高、造價(jià)較低的在線監(jiān)測裝置。

1 真空度測量原理模擬實(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)測裝置對真空管真空度進(jìn)行監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

2 監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測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)測裝置，包括電容耦合器、電容分壓器、信號拾取電路、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，交流電場信號由電容分壓器低壓臂通過雙絞線引出至信號拾取電路，拾取信號經(jīng)信號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轉(zhuǎn)換成頻率信號，頻率信號經(jīng)光耦隔離后送至微處理器的捕獲單元，微處理器通過I/O口與聲光報(bào)警單元相連接，通過控制總線與通訊單元相連接。

圖2 監(jiān)測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)電場信號，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信號與屏蔽罩交流靜電電位大小呈正比，該信號由兩低壓臂電容經(jīng)雙絞線引出，引出信號連接至信號拾取電路，信號拾取電路經(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來完成信號的處理分析。

2.2 信號拾取電路設(shè)計(jì)

本裝置中信號拾取電路的主要作用是拾取電容分壓器的取樣電壓信號，將電容分壓器分壓保持的耦合電壓信號無失真性地獲取，并完成分壓耦合電壓信號與后續(xù)信號調(diào)理電路之間銜接。一般情況下，信號測量電路從高容抗的電容分壓器中取樣出來的交流電壓信號是一個(gè)零點(diǎn)不斷發(fā)生漂移的不穩(wěn)定信號，不經(jīng)過特殊的信號拾取電路無法將其無失真地拾取，針對此，在研究電容分壓器低壓臂信號特點(diǎn)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了高輸入阻抗的信號拾取電路；該電路的特點(diǎn)是輸入阻抗大，可抑制共模干擾信號，從而有效防止輸出信號發(fā)生信號漂移現(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)放信號測量放大電路；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、濾除拾取信號中的直流分量，在一級運(yùn)放前端和二級運(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的信號是工頻的交流電壓信號，而壓頻轉(zhuǎn)換芯片一般是將單極性的直流信號轉(zhuǎn)換為頻率信號的，無法將工頻交流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖形式的頻率信號，針對此在壓頻轉(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整流成直流信號，以便符合壓頻轉(zhuǎn)換器件輸入信號的要求，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，適合對小信號條件下電壓/電流信號進(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較為微弱，為了增強(qiáng)監(jiān)測裝置的抗干擾性，特將整流濾波后的直流模擬信號轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)的脈沖頻率式數(shù)字信號，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)場工作人員提供信號提示，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的三極管來作為蜂鳴器的功率驅(qū)動(dòng)。

3 監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由初始化程序、頻率信號采集程序、信號頻率與真空度變化對應(yīng)關(guān)系處理程序、聲光報(bào)警程序和通信程序組成。頻率信號采集程序完成了信號的頻率采集計(jì)算，信號頻率與真空度變化對應(yīng)關(guān)系處理程序完成了頻率信號大小與其對應(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)測裝置與其他監(jiān)測裝置的并網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)共享，微處理器通過對頻率信號的軟件處理后，可實(shí)現(xiàn)分辨率為 10-2的真空度在線監(jiān)測。

頻率信號的采集采用DSP2812捕獲口CAP2來實(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)測裝置實(shí)驗(yàn)主要完成了信號拾取電路、精密整流濾波電路及不同真空度時(shí)，真空度傳感器信號采集情況的調(diào)試。

圖8為電容分壓器低壓臂的原始信號，該信號是一個(gè)頻率為 50Hz的不規(guī)則波形；圖9為信號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而且具有濾除干擾信號的功能，電路經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行證明信號拾取電路的輸出穩(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信號的變化情況；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)了信號的抗干擾能力。

圖8 電容分壓器低壓臂原始信號

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

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)測對象，進(jìn)行了對比實(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探頭來監(jiān)測真空管內(nèi)屏蔽罩上交流電位，很好地解決了現(xiàn)有監(jiān)測裝置熱穩(wěn)定性差的問題。裝置結(jié)構(gòu)簡單小巧、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的真空開關(guān)，具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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