基于AVR真空斷路器滅弧室真空度在線監(jiān)測裝置

孫 熠，張 闊，仇英輝

(華北電力大學電氣工程學院，北京102206)

1 引言

真空斷路器在電力系統(tǒng)中具有保護和控制雙重功能，是電力系統(tǒng)一次設備中維護工作量最大的設備之一。據(jù)相關資料證實，開關的維修費用占用變電站總維修費用的50%以上，而且大部分用于斷路器的定期檢修上［1-4］。真空斷路器的主要性能參數(shù)是真空度，真空度的優(yōu)劣直接影響到真空開關的壽命，使用期間的耐壓水平和開斷能力。目前，真空開關在我國中低壓領域得到了廣泛的應用，滅弧室的真空度在線監(jiān)測已成為工程領域的一個熱門話題。

真空斷路器真空度的測試方法從大的方面說，包括離線檢測和在線檢測兩大類。離線檢測的方法較多，而且發(fā)展相對成熟，磁控放電法是其中一種重復性較好、靈敏度高的定量測量方法［5-7］。除了磁控放電法，還包括工頻耐壓法、吸氣擠膜法、德斯拉線圈法等。在線檢測由于要在不改動開關主體結構及運行狀態(tài)的前提下，隨時監(jiān)測真空度的變化，目前國內外還無法實現(xiàn)真空度的直接測量。用于真空度的間接測量方法有耦合電容方法和電光變化方法［8-12］。耦合電容法是根據(jù)局部放電測量原理提出來的，若被測真空滅弧室的帶電觸頭至中間屏蔽罩的耐壓強度由于真空度降低而下降，則當工頻電壓從零點升至某一值時，帶電觸頭和屏蔽罩之間的等值電容發(fā)生放電，該局部放電信號可通過位于屏蔽罩與接地箱之間的兩個局部放電探頭進行在線監(jiān)測［13-15］。這種監(jiān)測方法的主要問題是其測量的靈敏度有待于進一步驗證。

結合國內外對真空度在線監(jiān)測的研究成果，文獻［8］研究了真空斷路器屏蔽罩的電位與滅弧室內真空度關系，本文通過測量屏蔽罩的電位相對正常值和其他兩相電位的變化，從而抵消了由于環(huán)境變化帶來的測量誤差，利用高階數(shù)字濾波器提取工頻信號和高次諧波。采用Atmel公司集成AD采集模塊AVR單片機，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、報警和通信等功能，實現(xiàn)了真空度的在線監(jiān)測低成本、高靈敏度。

2 真空度在線監(jiān)測原理

滅弧室內真空度正常時，僅需幾百伏的電壓就可維持帶電觸頭與中間屏蔽罩之間由場致發(fā)射引起的電子電流。屏蔽罩積累的負電荷使其負電壓電位幾乎能達到電極電壓峰值;真空斷路器滅弧室真空度劣化時，滅弧室內氣體密度變大，場致發(fā)射電子被氣體分子吸附后成為負離子。由于負離子質量大，漂移速度慢，使得上述電子電流減小，屏蔽罩電位降低［8］。滅弧室真空度持續(xù)劣化時，金屬導桿和觸頭與屏蔽罩之間產生了局部放電，最后發(fā)展成電暈現(xiàn)象。此時屏蔽罩上的電位增加，同時伴有高次諧波信號。檢測方法［7，8］就是通過監(jiān)測屏蔽罩上交流電位來判斷真空度的變化情況，只是受現(xiàn)場工頻干擾的影響較大，本文通過數(shù)字濾波器提取工頻信號和高頻信號，消除周圍噪聲干擾。

搭建一套模擬真空斷路器運行環(huán)境和控制真空度實驗系統(tǒng)，設計一個簡單實用的電場傳感器，傳感器外殼是由絕緣材料制成并且呈柱狀接口，不會改變屏蔽罩和接地網(wǎng)之間的電場分布，其整體電氣隔離特性和良好的絕緣性能滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)可靠性與安全性，并且對真空斷路器的工作性能無任何影響。該傳感器探頭除了包括電容部分還包括信號放大器、供電、信號傳輸?shù)炔糠?。原理如圖1所示，當屏蔽罩電位絕對值降低，將引起屏蔽罩附近的電場的改變，上述過程引起電容C2和C3上電荷重新分布，通過檢測信號輸出端Uo的變化即可跟蹤屏蔽罩Uc的變化過程，從而實現(xiàn)真空度的狀態(tài)監(jiān)測。

圖1 測量原理等效電路Fig．1 Equivalent circuit ofmeasurement

文獻［10］對真空度在線監(jiān)測時，首先進行離線實驗，標定出不同型號的真空度斷路器屏蔽罩的電位與真空度的關系，這種方法需要對各種斷路器做離線標定實驗，同時容易受到現(xiàn)場環(huán)境的干擾。本文敘述的在線監(jiān)測裝置，不需要事先標定真空斷路器屏蔽罩電位與真空度的關系，對真空斷路器的狀態(tài)進行定性判斷。安裝在線監(jiān)測裝置后，把斷路器A、B、C三相屏蔽罩電位測量值通過軟件增益系數(shù)調節(jié)，調試到三相傳感器信號平衡。然后根據(jù)三相屏蔽罩的電位的相互差值判斷故障相，同時也記錄不同時段的有效值，作為趨勢比較參考。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)結構

真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)以斷路器A、B、C三相耦合電容傳感器的輸出信號為輸入，處理器采用Atmel公司生產的AVR芯片atmega32，其內部集成了8路為10位的A/D、定時器、異步串行通信接口和看門狗定時器，極大地簡化了硬件結構，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)測系統(tǒng)能夠同時監(jiān)測多套開關柜，最高達到256套。計算機可實時觀察到各個檢測節(jié)點的動作情況，一旦有節(jié)點丟失可馬上報警，保證了系統(tǒng)的可靠性。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成

監(jiān)測系統(tǒng)包括智能監(jiān)測單元、485網(wǎng)絡通信單元、計算機等設備。每個開關柜需配備一個智能監(jiān)測單元、三個傳感器監(jiān)測A、B、C三相真空開關。其中智能監(jiān)測單元實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、故障識別診斷等功能，通過485總線方式上傳數(shù)據(jù)到計算機。

智能監(jiān)測單元利用AVR單片機的AD和定時器實現(xiàn)等間隔采樣，數(shù)據(jù)采樣率為3.2kHz，每次采樣間隔時間為0.3125ms，利用采樣間隔完成數(shù)字濾波器計算，實現(xiàn)了實時采樣實時濾波功能，極大增加了抗干擾能力，消除了周圍環(huán)境帶來的脈沖干擾、噪音干擾等。連續(xù)采集10個周期后，計算采樣數(shù)據(jù)工頻信號的有效值和諧波含量，作為后面故障診斷依據(jù)。依次完成A、B、C三相數(shù)據(jù)的采集和濾波，軟件體系流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)體系結構Fig．2 Monitoring system structure

3.2 智能監(jiān)測的軟件設計

根據(jù)相關文獻所述斷路器工作環(huán)境干擾較大，如果采用普通的運算放大器或者RC組成的濾波器，元件較多，參數(shù)調節(jié)復雜，并且雜散電容會大大影響濾波器特性。利用MCU自身的資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波，能夠準確地提取信號的工頻分量。常用的數(shù)字濾波器FIR濾波器和IIR濾波器，其中IIR數(shù)字濾波器因具有結構簡單、占用存儲空間少、運算速度快、較高的計算精度和能夠用較低的階數(shù)實現(xiàn)較好的選頻特性等特點，得到廣泛應用。這樣就避免了周圍環(huán)境帶來的干擾，同時也降低了硬件的復雜度，可有效減小電路體積，提高電路性能。

本文根據(jù)要求設計一個10階的切比雪夫I性帶通濾波器和一個7階高通濾波器分離工頻和高頻信號，其采樣率3.2kHz，帶通通帶頻率為30～70Hz，通帶衰減1dB，阻帶衰減40dB。高通濾波器，其阻帶頻率60Hz，通帶頻率90Hz。設計的數(shù)字濾波器幅頻特性仿真結果如圖3(a)和圖3(b)所示。從圖中可以得出，該數(shù)字濾波器具有良好的濾波功能，提高了抗干擾能力。

圖3 IIR幅頻響應曲線Fig．3 IIR amplitude frequency response curves

為了快速實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，把浮點型系數(shù)轉換成Q16整型格式，可以大大提高MCU的計算速度，同時把濾波器系數(shù)存到SRAM區(qū)，方便計算時提取系數(shù)數(shù)據(jù)，利用采樣時間間隔完成IIR數(shù)字濾波器計算，實現(xiàn)了實時在線分離傳感器探頭的工頻和高頻信號，提高了在線監(jiān)測接地電流的靈敏度和可靠性。根據(jù)濾波后工頻信號，計算工頻信號和高次諧波的有效值，作為診斷真空斷路器真空度的判斷依據(jù)。

4 真空度故障診斷

真空斷路器真空度降低時，測量電場的絕對值需要準確的校準曲線，容易受到現(xiàn)場的干擾。本文通過測量電場的絕對值，分析出電場的相對值，采用三相不對稱算法、趨勢判斷法、高次諧波法來判斷真空度的變化情況。

4.1 三相不對稱分析方法

電場傳感器測量屏蔽罩上的電位，容易受到距離、環(huán)境等多方面的干擾，給每相帶來不可避免的系統(tǒng)誤差，智能監(jiān)測單元通過軟件增益來平衡抵消系統(tǒng)帶來的干擾誤差，使斷路器三相傳感器具有相同的指標參數(shù)。測量過程中，如果某相真空度降低，導致屏蔽罩電位下降或者發(fā)生局部放電導致屏蔽罩電位上升，傳感器測量信號如圖4(a)所示，此時該相經過上述的高階數(shù)字濾波器提取的工頻信號有效值將明顯降低或者升高，三相濾波后基波有效值兩兩做差，得到三相之間相對差值|VArms-VBrms|、|VArms-VCrms|、|VCrms-VBrms|，假設A相故障，A相斷路器傳感器測量數(shù)值明顯變化，則|VArms-VBrms|、|VArms-VCrms|相對差值較大，可以診斷出A相真空度發(fā)生了劣化。

圖4 真空及大氣狀態(tài)下實測波形Fig．4 Waveformsmeasured in vacuum and atmospheric conditions

4.2 趨勢判斷法

三相不對稱分析方法采用了橫向比較三相數(shù)據(jù)，而趨勢判斷法利用每相傳感器不同時間段測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，以此計算真空斷路器真空度的變化趨勢，如果一段時間內相對于另一段時間內的平均值相差較大，可以判定該相真空度發(fā)生劣化。

4.3 高次諧波方法

真空斷路器真空度發(fā)生劣化，壓強在0.5～200Pa，會伴有局部放電的產生，此時局部放電信號會改變屏蔽罩對地的電場變化，傳感器測量信號中會含有高次諧波，通過計算高次諧波含量，也可以作為真空度劣化程度的依據(jù)。該監(jiān)測方法具有較高的靈敏度和抗干擾能力。

真空斷路器漏氣故障時一個漫長的過程，不是瞬間發(fā)生和消失的，監(jiān)測系統(tǒng)利用上述真空度劣化過程出現(xiàn)的局部放電現(xiàn)象，提取傳感器測量信號的高頻信號作為診斷斷路器的真空度，由于電力系統(tǒng)自身會出現(xiàn)偶然過電壓，雖然不是真空斷路器故障，容易誤診斷斷路器故障，本監(jiān)測系統(tǒng)通過連續(xù)采集20個周期內，對20個周期數(shù)據(jù)分析處理來綜合判斷斷路器真空度狀況，防止系統(tǒng)自身干擾發(fā)生誤報，大幅度地降低了電磁和系統(tǒng)過電壓干擾的影響。

5 試驗測試結果及分析

為了驗證真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，利用搭建的試驗模擬平臺，通過真空泵將真空斷路器滅弧室抽到真空10～3Pa，此時電場探頭測量的波形如圖4(a)所示，該壓強下滅弧室電子的平均自由程較大，不易產生氣體電離，高階數(shù)字濾波器分離的工頻信號恰好達到設定參考值。隨著壓強的降低，滅弧室內發(fā)生局部放電，電場探頭測量的波形如圖5所示，此時所測量的電場由于受到放電的影響，與圖4(a)所示波形相比，有大量的高次諧波成分。隨著滅弧室的壓強持續(xù)增加，氣體放電現(xiàn)象終止，此時電場探頭測量的波形如圖4(b)所示，所測量的數(shù)據(jù)又恢復到正弦波，但是包含的工頻信號的有效值明顯降低，沒有達到設定的參考值。通過上述的多種方法可以診斷出真空斷路器滅弧室的真空度。

圖5 滅弧室內局部放電下實測波形Fig．5 Arc extinguish chamber partial discharge waveforms

6 結論

(1)搭建了模擬真空斷路器運行的平臺，測量真空度控制系統(tǒng)測量斷路器在不同壓強的屏蔽罩電位的變化。

(2)采用高階數(shù)字濾波器，從電容傳感器中分離出工頻信號和高次諧波信號，作為診斷滅弧室真空度的依據(jù)。

(3)利用電場探頭測試滅弧室屏蔽罩附近的電場變化，由單片機同時采集三相滅弧室屏蔽罩的電場變化情況，通過三相不對稱分析方法、趨勢判斷法、高次諧波方法，綜合診斷滅弧室內真空度的優(yōu)劣，抵消了由于環(huán)境溫度變化帶來的測量誤差，提高了系統(tǒng)的測量靈敏度。

(4)滅弧室真空度在線監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)測，對于設備出現(xiàn)的隱患及損壞趨勢可以及時檢測到，避免事故時斷路器跳不開。

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