高精度電子真空計(jì)的研制

田秀先 王海偉 楊玉青 徐潤(rùn)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(jì)的研制

田秀先 王海偉 楊玉青 徐潤(rùn)宸 崔艷麗

(合肥供電公司變電檢修室,安徽合肥 230021)

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展,GIS設(shè)備在變電站中的使用越來越廣泛。真空計(jì)在GIS設(shè)備檢修工作中使用越來越頻繁,傳統(tǒng)廣泛使用的麥?zhǔn)险婵沼?jì)不僅測(cè)量速度慢,測(cè)量精度低,水銀存在毒性,最重要的是操作不當(dāng)會(huì)使水銀倒灌入設(shè)備[1],給GIS設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行埋下安全隱患。因此,現(xiàn)行的《十八項(xiàng)重大反事故措施》[2]GIS抽真空時(shí),禁止使用麥?zhǔn)险婵沼?jì)。本文旨在研制高精度電子真空計(jì),以解決這些問題。

高精度 電子真空計(jì) 研制

隨著電網(wǎng)的發(fā)展,GIS設(shè)備數(shù)量逐漸增多,GIS故障次數(shù)也隨之增加。GIS抽真空時(shí)以及抽真空后的保壓檢測(cè)都需要頻繁使用真空計(jì),以確保檢修的氣室內(nèi)水分等雜質(zhì)含量達(dá)到要求,并且氣室無漏氣現(xiàn)象。傳統(tǒng)使用的麥?zhǔn)险婵沼?jì),操作步驟復(fù)雜,讀數(shù)精度低,水銀毒性較強(qiáng)。GIS氣室抽真空過程中,如果發(fā)生停電或者麥?zhǔn)险婵沼?jì)操作錯(cuò)誤,都可能使水銀倒灌進(jìn)設(shè)備中。水銀進(jìn)入GIS氣室會(huì)嚴(yán)重降低氣室的絕緣性能,而且難以去除。因此國(guó)家電網(wǎng)現(xiàn)行《國(guó)家電網(wǎng)十八項(xiàng)重大反事故措施》[2]12．1．2．2條規(guī)定:為防止真空度計(jì)水銀倒灌進(jìn)設(shè)備中,禁止使用麥?zhǔn)险婵沼?jì)。為此,本文研制一種高精度電子真空計(jì),以滿足GIS設(shè)備檢修需求。

1 皮拉尼電阻真空傳感器原理

根據(jù)變電檢修規(guī)范的要求,SF6氣室抽真空過程中,真空測(cè)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(cè)量要求,并且成本低、測(cè)量速度快。故本文采用皮拉尼真空傳感器。

假設(shè)氣體導(dǎo)熱模型由兩個(gè)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(jù)傅立葉定律,熱量正比于氣體的熱導(dǎo)率:

式中, As為平行板的面積大??； k為氣體熱導(dǎo)率；d為冷熱板之間的距離。

式中,L是冷、熱板系統(tǒng)的特征長(zhǎng)度, λ是氣體分子的平均自由程,其表達(dá)式為:

其中,k為玻耳茲曼常數(shù),d為氣體分子直徑,T、P分別為氣體溫度和壓強(qiáng)。根據(jù) Kn值,可以將氣體的導(dǎo)熱劃分為3個(gè)區(qū)域:連續(xù)介質(zhì)區(qū)( Kn＜0．01)、轉(zhuǎn)換區(qū)(0．01＜ Kn＜1)和分子區(qū)( Kn＞1)。

當(dāng)氣體的導(dǎo)熱發(fā)生于分子區(qū)( Kn＞1)時(shí),氣體導(dǎo)熱量正比于氣體壓強(qiáng):

式中, α為碰撞的適應(yīng)系數(shù), Tg是氣體溫度,是氣體分子的平均速度。

當(dāng)氣體導(dǎo)熱發(fā)生于連續(xù)區(qū)( Kn＜0．01)時(shí),氣體的導(dǎo)熱量為:

圖1 高精度電子真空計(jì)系統(tǒng)圖

m是單個(gè)氣體分子質(zhì)量,n是分子數(shù)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(zhuǎn)換氣壓tP定義為為:

λ 是氣壓為1Pa時(shí)氣體的平均自由程。

在整個(gè)氣壓范圍內(nèi),氣體的導(dǎo)熱量可以表示為:

ref在整個(gè)氣壓范圍內(nèi),氣體熱導(dǎo)率可表示為:

式中, Q0和k0是1Pa時(shí)的氣體導(dǎo)熱量和氣體熱導(dǎo)率。

由此可知:當(dāng)氣壓小于轉(zhuǎn)折氣壓時(shí),導(dǎo)熱量及熱導(dǎo)率與氣壓成正比,皮拉尼傳感器正是利用這一原理,方便、準(zhǔn)確的計(jì)算出氣壓,從而計(jì)算出真空度。

2 電子真空計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(圖1)

功能實(shí)現(xiàn)過程是:第一部分是模擬電路,皮拉尼真空傳感器及其驅(qū)動(dòng)電路將物理量氣壓轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。第二部分是數(shù)字處理電路,模擬信號(hào)通過AD變換后,CPU將通過數(shù)字控制、接口電路接收到的數(shù)字信號(hào),與EPROM中的數(shù)據(jù)表進(jìn)行對(duì)比,從而得到真空度值,并定時(shí)在液晶屏上刷新顯示。

硬件實(shí)現(xiàn)時(shí),電源穩(wěn)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(zhǔn)芯片選用385B12基準(zhǔn)IC,電壓比較芯片選用1013D,存儲(chǔ)芯片選用4L08EPROM。工作時(shí)通過VSP841型真空度傳感器獲得真空度電信號(hào),經(jīng)處理后由電壓比較芯片與基準(zhǔn)電壓芯片電壓值比較,獲得的結(jié)果送入CPU分析,加入溫度補(bǔ)償及氣體修正因子等參數(shù)計(jì)算獲得真空度值,并在液晶屏上顯示出來。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)的麥?zhǔn)险婵沼?jì)相比,本文設(shè)計(jì)的高精度電子真空計(jì)克服了麥?zhǔn)险婵沼?jì)測(cè)量速度慢、測(cè)量精度低、水銀存在毒性以及操作不當(dāng)會(huì)使水銀倒灌入GIS設(shè)備中的隱患,并且提高了測(cè)量速度和測(cè)量精度,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和社會(huì)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(shí)代》,2009年第12期,88-89.

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)重大反事故措施.中國(guó)電力出版社,155123.1190.

田秀先(1988一),男,山東臨沂人,大學(xué)本科,高級(jí)工,研究方向:電氣工程及其自動(dòng)化;

王海偉(1986—),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,中級(jí)工,研究方向:電氣工程;

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

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

崔艷麗(1981—),女,安徽合肥人,技師。