真空滅弧室周邊電場信號采集系統(tǒng)設(shè)計

曹文彬，李衛(wèi)國，王同閣，張 帥

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 101407）

真空滅弧室周邊電場信號采集系統(tǒng)設(shè)計

曹文彬1，李衛(wèi)國1，王同閣2，張 帥1

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 101407）

為實現(xiàn)真空滅弧室真空度在線監(jiān)測，設(shè)計一種真空滅弧室周邊電場信號采集系統(tǒng)，詳細(xì)說明容性耦合傳感器及其信號調(diào)理電路的設(shè)計思路，并編制適用于STM32F103C8T6單片機的數(shù)據(jù)處理程序和LabVIEW上位機界面。試驗表明：該系統(tǒng)能夠有效采集不同工況下滅弧室周邊的電場信號，可用于滅弧室真空度在線監(jiān)測。

真空滅弧室；容性耦合傳感器；電場信號；STM32F103C8T6單片機；LabVIEW上位機

0 引 言

真空滅弧室是真空斷路器的核心部件，其真空度（氣體壓力水平）決定了整個真空斷路器的工作性能，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定真空滅弧室出廠時的內(nèi)部氣體壓力應(yīng)在1.33×10-2Pa[1-2]以下。當(dāng)滅弧室內(nèi)部的氣體壓力超過1.33×10-1Pa時，真空滅弧室處在臨界狀態(tài)，很容易失去電絕緣性能[3-5]。因此真空度的在線監(jiān)測是真空斷路器運行維護(hù)中一項極其重要的內(nèi)容。為此國內(nèi)外都進(jìn)行了一定程度的研究，國外方面主要是針對真空滅弧室中的放電現(xiàn)象以及放電機理的研究[6-7]；而國內(nèi)則主要集中在真空滅弧室屏蔽罩上電位的研究[8-10]。本文從電場的角度出發(fā)，設(shè)計一種滅弧室周邊電場信號采集系統(tǒng)，并通過試驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 原理及系統(tǒng)功能概述

當(dāng)滅弧室的真空度下降時，將引起屏蔽罩的電位發(fā)生變化，滅弧室周邊電場也隨著發(fā)生改變，因此可以通過滅弧室周邊電場信號的變化去推斷其內(nèi)部真空度。為此，本文設(shè)計了一套真空滅弧室周邊電場信號采集系統(tǒng)。采用基于局部放電原理的容性耦合傳感器，采集真空斷路器滅弧室周邊電場信號；此信號經(jīng)過單片機轉(zhuǎn)換處理之后以波形的形式顯示在LabVIEW上位機界面上。

圖1是整個采集系統(tǒng)的功能框圖，可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大模塊。硬件系統(tǒng)用于獲取滅弧室周邊的電場信號，主要包括容性耦合傳感器、信號調(diào)理電路、電源、STM32F103C8T6單片機、485通信電路等；軟件系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)換和處理數(shù)據(jù)，包括LabVIEW上位機界面和單片機系統(tǒng)軟件兩部分，兩者通過RS-485與RS-232轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)互聯(lián)，以便觀察數(shù)據(jù)處理結(jié)果并對整個采集系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 容性耦合傳感器

傳感器組件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電場耦合元件即金屬圓片（感應(yīng)電極）、高壓電容器，以及對應(yīng)的前置處理電路即信號抽取與調(diào)理電路。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

金屬圓片和高壓電容器感應(yīng)變化的電場信號經(jīng)由信號抽取與調(diào)理電路進(jìn)一步處理，最終輸入單片機內(nèi)置AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信號抽取與調(diào)理電路如圖3所示。

信號從J1輸入，幅值在200～600mV（有效值）。U1A為信號跟隨器，用于將信號源與放大器隔離，由于信號源的內(nèi)阻很大，如不隔離，放大器的輸入阻抗將對信號產(chǎn)生影響。R5的作用是泄放掉C1上的殘余電荷；C6、C2、C7、C3是電源去耦電容；R2、R6、R3、R4、U1B組成同極性放大器，將信號放大到2～6 V（有效值）。無信號時U1B的7腳輸出為0V，R1為光電耦合器提供偏置電流。光電耦合器的輸出接通道信號調(diào)理電路，形成電流環(huán)，電流約為2.5mA。J2的管腳4為信號地，管腳5為信號線。

光電耦合器的作用是隔離高壓傳感器和單片機數(shù)據(jù)采集電路。因為實際應(yīng)用中傳感器需要裝在真空滅弧室的附近，而實際試驗電壓達(dá)10 kV，光電耦合器可以避免故障時燒壞數(shù)據(jù)采集電路，起到保護(hù)的作用。

2.2 通道信號調(diào)理電路

經(jīng)過前置處理電路處理過的信號，即圖3中J2管腳5輸出的信號（SIGA），將輸入到通道信號調(diào)理電路進(jìn)行進(jìn)一步處理。通道信號調(diào)理電路如圖4所示，共有3個通道，和真空斷路器的A、B、C三相滅弧室相對應(yīng)，3個通道的電路完全相同，圖中只示意了A通道。信號經(jīng)C400隔出直流后輸送到R401、R405、C404、U400A組成的反向運算放大器。C404是防止高頻振蕩(高頻自激)的反饋電容：由于運算放大器不是理想器件，以及外電路的分布電容和導(dǎo)線電感的存在，很可能產(chǎn)生正反饋，從而產(chǎn)生自激；增加電容C404的目的是破壞自激條件，其具體數(shù)值需要由現(xiàn)場試驗條件決定。R409和R413組成分壓器，實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，使得輸出電壓的最大值限制在3 V左右。

2.3 電源電路

采用AC/DC電源模塊HAT10-05V12-WFCI獲取工作電源，其輸入電壓為交流市電，輸出電壓為直流±12V和5V，分別向容性耦合傳感器和單片機電路板供電。

2.4 STM32F103C8T6單片機電路

圖3 信號抽取與調(diào)理電路

圖4 通道信號調(diào)理電路

單片機電路的主要功能有兩個：1）利用單片機內(nèi)置的AD模塊，采集通道信號調(diào)理電路處理過后的信號，如圖4中的ADCA；2）通過單片機的外設(shè)串口，和上位機進(jìn)行通信。另外，還利用單片機的I/O口對電路板上的繼電器進(jìn)行測試。

2.5 485通信電路

通信電路主要由MAX485芯片及其附屬電路構(gòu)成。MAX485利用差動的方式進(jìn)行發(fā)送和接收，以提高抗干擾能力；其發(fā)送和接收由單片機的管腳PD6控制：當(dāng)PD6置1時發(fā)送，置零時接收。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 RS485通信協(xié)議設(shè)計

通信系統(tǒng)是實現(xiàn)單片機和上位機數(shù)據(jù)交換的中心環(huán)節(jié)。系統(tǒng)基于RS485串口通信協(xié)議建立與下位機通信系統(tǒng)。

通信系統(tǒng)波特率設(shè)置為115200，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗，通過串口中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和寫入。系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式為結(jié)構(gòu)體，即每次通信下位機從上位機接收一組或者多組結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，或下位機往上位機上傳一組或多組結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)。通信格式幀如表1所示。

表1 通信格式幀

為了防止數(shù)據(jù)區(qū)與起始字符和結(jié)束字符發(fā)生沖突，對數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行移位處理。假設(shè)數(shù)據(jù)區(qū)有3個字節(jié)a、b、c，不夠3個字節(jié)補空字節(jié)，各個字節(jié)格式見表2。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)移位前數(shù)據(jù)格式

對a、b、c進(jìn)行如下移位處理：

按照以上方式移位后存儲為4個字節(jié)，排列如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)區(qū)移位后數(shù)據(jù)存儲格式

3.2 LabVIEW上位機界面設(shè)計

如圖5所示為對應(yīng)于該系統(tǒng)的界面圖，包括波形圖顯示、波形統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及波形存儲路徑的設(shè)置。波形圖有原始波形（即濾波前的波形）、基波波形和諧波波形，每一種波形都對應(yīng)A、B、C三相，分別用黃、綠、紅區(qū)分；為了加強真空度良好和真空度劣化時的波形對比效果，在基波波形圖里添加了一條三相和波形，用白色實線區(qū)分。

圖5 上位機界面

3.3 單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用C語言編制單片機程序進(jìn)行A/D采樣和處理。主要程序模塊分為：A/D采樣程序、數(shù)字濾波程序、通信程序。

利用STM32F103C8T6的雙ADC模式進(jìn)行采樣，兩個ADC同步工作，第一個ADC按照A相、B相、C相的順序采樣，第二個ADC則按照C相、B相、A相的順序采樣，然后取兩個ADC對應(yīng)的同一個通道采樣值的平均值作為最終的采樣結(jié)果；AD采樣由定時器T2觸發(fā)，觸發(fā)間隔約為313 μs，即每個工頻周期（20ms）采樣64點。AD采樣結(jié)果通過DMA的方式自動存取在緩沖區(qū)，并開啟DMA中斷，在中斷程序里讀出存儲在DMA緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

采樣到的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過FIR帶通濾波器濾波得到基波分量，而由IIR高通濾波器得到高頻分量（諧波）。FIR帶通濾波器的階數(shù)為10階，通帶為30～70Hz，IIR高通濾波器的階數(shù)為7階，其低邊截止頻率為90Hz。兩種濾波器的采樣率都為3.2kHz，通帶衰減1dB，阻帶衰減40dB。

原始波形及濾波之后的基波波形和諧波波形，通過串口傳輸至上位機界面顯示。另外，通信程序還將傳送上位機控制指令至單片機，如參數(shù)和狀態(tài)信息的讀取等。

4 系統(tǒng)在線監(jiān)測試驗

4.1 試驗系統(tǒng)及試驗流程

試驗系統(tǒng)如圖6所示，整個試驗系統(tǒng)包括三相試驗變壓器一臺，額定電壓0.4/45kV，容量25kVA；A、B、C三相滅弧室及其對應(yīng)的傳感器3個，1個抽真空泵（ZJ-150型羅茨泵），1個金屬油擴(kuò)散泵及其附屬冷卻水系統(tǒng)，1個DL-90型復(fù)合真空計，1個DL-3型真空計，1個DL-10型真空計。

圖6 試驗系統(tǒng)示意圖

金屬油擴(kuò)散泵及其冷卻水系統(tǒng)和抽真空泵配合使用，有助于將滅弧室內(nèi)的氣體抽到需要的范圍之內(nèi)，這個范圍由DL-90型復(fù)合真空計確定：當(dāng)其示數(shù)在10-3數(shù)量級及以下時即可；兩個真空計的精度不一樣，需要根據(jù)不同的氣壓范圍讀取真空計的示數(shù)：滅弧室內(nèi)氣體壓力在10Pa及以下時，讀取DL-3型真空計的示數(shù)，而氣體壓力在10Pa以上時，讀取DL-10型真空計的示數(shù)。

為了模擬不同工況下的電場情況，對三相滅弧室做如下處理：整個試驗過程中A、C兩相滅弧室真空度良好并保持不變，其內(nèi)部氣體壓力在1.33×10-2Pa以下，而B相滅弧室則在靜導(dǎo)電桿的位置裝一個控制閥，接抽真空泵和真空計，以改變并實時測量其真空度。試驗時，首先利用抽真空泵將B相滅弧室的真空度抽到1.33×10-2Pa以下，然后關(guān)閉真空泵，調(diào)節(jié)控制閥，使得B相緩慢漏氣，此時滅弧室內(nèi)的氣體壓力水平逐漸上升，直到大氣狀態(tài)；加10 kV線電壓，同時記錄整個漏氣過程中3個傳感器的輸出波形及對應(yīng)的真空度。

4.2 試驗結(jié)果及分析

4.2.1 真空度良好時的波形圖

開始時B相滅弧室和A、C相一樣處于真空度良好狀況（氣體壓強＜1.33×10-2Pa），如圖7所示是真空度為0.01Pa時的波形圖。

圖7 真空度為0.01Pa時的波形圖

圖中實線黃、綠、紅分別代表A、B、C相傳感器的輸出波形，而基波波形圖中的白色線則代表三相基波求和的結(jié)果。真空度良好時A、B、C三相原始波形無畸變，基波波形基本對稱、三相和接近零，并且諧波含量基本一致。這是因為真空度良好時，滅弧室內(nèi)無放電發(fā)生，其周邊電場完全由工頻電源電壓形成，因而無畸變（或畸變甚微）。

4.2.2 真空度劣化時的波形圖

當(dāng)B相滅弧室緩慢漏氣，其內(nèi)的氣壓逐漸上升時，由于氣體密度和壓強的增加，B相滅弧室內(nèi)將發(fā)生不同程度的放電，從而改變其周圍的電場分布情況，圖8是真空度為12Pa時的波形圖。

由圖8可知，相比于真空度良好的情況，當(dāng)真空度劣化時，滅弧室周圍的電場將產(chǎn)生畸變，反應(yīng)到波形上就是原始波形發(fā)生不同程度的畸變，A、B、C三相基波出現(xiàn)嚴(yán)重不對稱，基波三相和明顯增大，同時將產(chǎn)生很大幅度的諧波。原因是B相滅弧室真空度發(fā)生劣化，因此B相的電場畸變最嚴(yán)重，同時由于耦合作用，也將會使得A、C兩相電場發(fā)生不同程度的畸變，但較B相程度要輕許多，這都可以從波形（特別是諧波）的幅度上得到驗證。

Design of acquisition system for electric field signal surrounding vacuum interrupters

CAO Wen-bin1，LI Wei-guo1，WANG Tong-ge2，ZHANG Shuai1
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Beijing Creative Distribution Automation Co.，Ltd.，Beijing 101407，China）

In order to monitor the vacuum degree of vacuum interrupter on line，an acquisition system to collect electric field signal surrounding the vacuum interrupter was designed.The design ideas of capacitive coupling sensor and signal conditioning circuit were illustrated in detail.The data processing program for STM32F103C8T6 MCU and LabVIEW interactive interface was made. Experiments suggested that the acquisition system is able to effectively collect electric field signal surrounding the vacuum interrupter in different working conditions and can be used to monitor vacuum degree on line.

vacuum interrupter；capacitive coupling sensor；electric filed signal；STM32F103C8T6 MCU；LabVIEW interactive interface

TM561.5；TM937.1；TP274；TB771

：A

：1674-5124（2014）05-0104-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.027

2013-11-26；

：2014-01-14

曹文彬（1989-），男，湖南郴州市人，碩士研究生，專業(yè)研究方向為電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷。