為滿足對(duì)真空度斷路器實(shí)時(shí)檢測的需求，利用電磁波檢測法實(shí)現(xiàn)了真空斷路器真空度在線監(jiān)測裝置。文章首先分析真空滅弧室局部放電機(jī)理，局放電磁波信號(hào)特征為裝置設(shè)計(jì)提供初始參考依據(jù)。其次介紹了信號(hào)調(diào)理電路，通訊接口電路等主要硬件設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行了工程實(shí)際驗(yàn)證，裝置實(shí)現(xiàn)在不改動(dòng)真空開關(guān)主體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)的前提下的真空度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

　　真空斷路器以其斷弧能力強(qiáng)、耐壓高、結(jié)構(gòu)簡單及無污染的特點(diǎn)在中壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用。真空滅弧室是真空斷路器的核心部件，其真空度的下降會(huì)導(dǎo)致絕緣性能的下降，斷路器喪失斷弧能力，給電網(wǎng)帶來危害，由于真空度下降是一個(gè)持續(xù)而緩慢的過程，因而在線監(jiān)測斷路器的真空度具有重要的工程實(shí)踐意義。國內(nèi)外在這方面做出了不少研究，已提出的監(jiān)測方法有放電發(fā)聲法、電光變換法、耦合電容法、旋轉(zhuǎn)式電場探頭法等，但這些方法大多仍處于實(shí)驗(yàn)室研究和初步應(yīng)用階段，尚未大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)真空度下降到一定程度，滅弧室內(nèi)部電極與屏蔽罩間發(fā)生局部放電， 并伴隨有放熱、發(fā)聲、電磁輻射等信號(hào)產(chǎn)生。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)設(shè)計(jì)了一種利用非接觸式傳感器捕捉局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)在線監(jiān)測裝置。

1、檢測原理

　　真空滅弧室內(nèi)真空度下降， 導(dǎo)致真空絕緣水平降低，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致?lián)Q流失敗，造成重大損失。圖1 為帕邢曲線，描述了氣體起始放電電壓(擊穿電壓)與間隙距離及真空度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由帕邢曲線可以看出，在間隙距離不變的條件下，當(dāng)滅弧室內(nèi)壓力升高到達(dá)拐點(diǎn)，放電電壓急劇下降，直到到達(dá)帕邢曲線最低點(diǎn);而后隨著壓力升高，起始放電電壓逐漸回升直到正常絕緣水平。

圖1 電壓等級(jí)和起始放電壓力的關(guān)系(帕邢曲線)

　　真空滅弧室根據(jù)適用的電壓等級(jí)不同，構(gòu)造不同，間隙距離也不相同。對(duì)適用于各場合的真空度最大允許值，根據(jù)我國部標(biāo)中的規(guī)定， 對(duì)于3.6～40.5 kV 電壓等級(jí)的真空斷路器，真空度允許的最大值約為1.33×10^-2 Pa。當(dāng)真空泄露開始，其持續(xù)過程十分緩慢，在到達(dá)真空度嚴(yán)重惡化并引發(fā)換流失敗之前，經(jīng)歷時(shí)間從幾小時(shí)到幾個(gè)月不等。因此，真空泄露往往不易察覺。在這一持續(xù)過程中，當(dāng)真空度下降到約10^-2～10 Pa時(shí)滅弧室進(jìn)入亞真空狀態(tài)，在額定工頻電壓下，滅弧室內(nèi)部存在電離現(xiàn)象，并伴有各種物理、電磁信號(hào)的產(chǎn)生。在線監(jiān)測的目標(biāo)就是采取一種有效的檢測手段，能夠在真空度下降初期及時(shí)檢測到有關(guān)信息，提前排除故障設(shè)備，消除安全隱患。因此我們關(guān)心帕邢曲線10^-2～10 Pa 真空壓力范圍下滅弧室內(nèi)放電情況。

　　在額定工頻電壓下，真空滅弧室內(nèi)主觸頭與屏蔽罩間存在局部放電現(xiàn)象。下面從穩(wěn)恒態(tài)工頻電壓下的真空擊穿機(jī)制方面說明放電過程。依據(jù)放電機(jī)理不同可將放電過程分為兩個(gè)階段。第一階段，當(dāng)滅弧室內(nèi)真空度處于正常范圍時(shí)，電極與屏蔽罩間電子平均自由行程遠(yuǎn)大于二者間距離，碰撞電離幾乎不可能發(fā)生。屏蔽罩與導(dǎo)桿間存在的電荷電流完全由表面發(fā)射構(gòu)成。放電周期性出現(xiàn)在正弦電壓峰值附近，電流幅值在數(shù)十微安到數(shù)毫安范圍之內(nèi)。

　　第二階段，當(dāng)滅弧室內(nèi)真空度下降到一定程度，此時(shí)電子平均自由行程接近甚至小于電極與屏蔽罩之間的距離，滅弧室絕緣水平下降，碰撞電離發(fā)生的幾率增大，此時(shí)電子與氣體分子發(fā)生碰撞電離的幾率增大， 碰撞電離占據(jù)主要地位，即出現(xiàn)湯森放電現(xiàn)象。放電還引起屏蔽罩上電位幅值的變化。隨著放電過程持續(xù)，電極和屏蔽罩間的電壓逐漸降低，放電隨之減小，同時(shí)氣體的絕緣性能逐漸恢復(fù)，一段時(shí)間后放電暫時(shí)停止。整個(gè)放電過程表現(xiàn)為不斷的重復(fù)充電—放電過程，該過程一直持續(xù)直到外加的交流電壓小于此時(shí)的擊穿電壓。

　　滅弧室在真空度下降到10^-2 Pa 附近時(shí)，屏蔽罩電平開始出現(xiàn)變化， 金屬導(dǎo)桿和觸頭及屏蔽罩之間出現(xiàn)微弱的放電，并朝電暈及輝光放電現(xiàn)象過渡， 同時(shí)向空間輻射電磁波信號(hào)。斷路器局部放電電磁波的特性，決定了真空度檢測能否實(shí)現(xiàn)。局部放電信號(hào)具有如下特點(diǎn)：1)電極對(duì)屏蔽罩從非自持放電過渡到自持放電。當(dāng)真空度下降到一定程度，出現(xiàn)放電現(xiàn)象，并伴隨有電磁波輻射;2)輻射電磁波主頻段一般在2~200 kHz，出現(xiàn)次數(shù)頻繁，持續(xù)時(shí)間較長;3)低頻電磁波在空氣中傳播衰減較小，天線傳感器可安裝在真空滅弧室安全距離之外。

　　安裝在真空斷路器外側(cè)的接收天線傳感器耦合局部放電電磁波信號(hào)， 將捕捉到的電磁波信號(hào)送入在線監(jiān)測裝置，經(jīng)過相應(yīng)的濾波，放大環(huán)節(jié)將相關(guān)數(shù)據(jù)送達(dá)中央程序處理器CPU 進(jìn)行判斷處理， 實(shí)現(xiàn)在不改動(dòng)真空開關(guān)主體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)的前提下真空度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2、總體設(shè)計(jì)方案

　　真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制開關(guān)量輸出、通訊接口等部分。A、B、C 三相天線傳感器分別安裝在真空斷路器三相滅弧室附近接收三相放電信號(hào)， 信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜由三相BNC 接口送入裝置。電磁波信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大采集到CPU 進(jìn)行比較測定并控制繼電器作出相應(yīng)告警動(dòng)作。配置RS485 接口電路與上位機(jī)進(jìn)行傳輸。真空度在線監(jiān)測裝置如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件核心控制器MCU 選用Silicon Labs 公司的C8051f340 芯片，它具有CIP-51 內(nèi)核，功能強(qiáng)大，指令運(yùn)算速度快，集成了強(qiáng)大的模擬量及數(shù)字量處理功能，是真正的混合信號(hào)片上系統(tǒng)。硬件電路主要包括信號(hào)調(diào)理單元、控制器接口電路、控制量開關(guān)量輸出單元、RS-485 通信接口單元等部分，本文采用精密電阻，NPO 級(jí)電容，高速光耦構(gòu)成隔離單元，以及高帶寬、高速的運(yùn)算放大器來構(gòu)成通濾波、放大回路，有效濾除各種干擾。本文主要介紹信號(hào)調(diào)理電路及RS-485 接口電路設(shè)計(jì)。

3.1、信號(hào)調(diào)理電路

　　真空度檢測信號(hào)為微小信號(hào)電磁波信號(hào)經(jīng)反射、散射及傳播中衰減， 到達(dá)距真空滅弧室一定距離的傳感器已十分微弱。真空斷路器運(yùn)行現(xiàn)場電磁環(huán)境異常復(fù)雜，高壓系統(tǒng)開關(guān)柜中表現(xiàn)得更為嚴(yán)酷，包括電力設(shè)備中各次諧波、斷路器正常開斷電弧及雷擊干擾等。為防止有效檢測信號(hào)被淹沒在干擾信號(hào)中， 根據(jù)信號(hào)頻譜特性提取帶寬2~200 kHz的有效信號(hào)，并在硬件上采取濾波、放大的信號(hào)處理手段，達(dá)到消除干擾，識(shí)別有效信號(hào)的目的。本文設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路包含基于MCP602 與MAX9613 的濾波及放大電路， 電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

3.2、RS-485 電路

　　下位機(jī)處理得到信號(hào)及動(dòng)作情況可通過RS-485 總線穿至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總便于查詢。RS-485 串行接口具有良好的噪聲抑制性能，傳輸距離長，總線收發(fā)器靈敏度高。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485 接口電路如圖4 所示，電路采用MAX485CSA 低功耗收發(fā)器， 最高可達(dá)2.5 Mbps 的傳輸速率。為防高壓沖擊，電源采用MC34063AD 直流電源變換器降壓供電，為從通信線路引入干擾，采用高速光耦PS2701 實(shí)現(xiàn)隔離，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。RS-485 通信接口電路如圖4 所示。

圖4 RS-485 接口電路

4、現(xiàn)場裝置連接

　　安裝在真空斷路器現(xiàn)場的天線傳感器檢測到屏蔽罩周圍的反饋信號(hào)電場的變化， 通過信號(hào)輸送通道和相應(yīng)的濾波，放大以及轉(zhuǎn)換器件將相關(guān)數(shù)據(jù)送達(dá)中央程序處理器CPU進(jìn)行判斷處理。由于真空斷路器發(fā)出有效檢測信號(hào)和周邊的電場與真空斷路器現(xiàn)場的干擾噪聲信號(hào)處于同一數(shù)量級(jí)的電場環(huán)境之中， 為保證系統(tǒng)獲得有效可靠的故障真實(shí)信號(hào)，天線傳感器發(fā)射、采集元件必須盡可能安放在屏蔽罩的附近。在線監(jiān)測裝置安裝在開關(guān)柜二次室內(nèi)，天線傳感器安裝在靠近真空斷路器的位置，可借助斷路器自身安裝孔進(jìn)行安裝，實(shí)現(xiàn)簡便。天線傳感器與真空滅弧室距離在安全距離之外，其安裝不影響真空斷路器的絕緣性能。

5、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁波檢測的真空度在線監(jiān)測裝置。該裝置通過非接觸式傳感器實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)行狀態(tài)中的真空斷路器在真空度下降時(shí)發(fā)生的放電信號(hào)變化，在真空斷路器發(fā)生真空泄漏初期及時(shí)告警，提醒運(yùn)行人員及時(shí)處理，杜絕因真空泄漏導(dǎo)致的開關(guān)爆炸。無需對(duì)真空斷路器進(jìn)行任何改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方便。在線監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)了由定期檢修到狀態(tài)檢修改變，將大大減少真空斷路器停電檢修的時(shí)間和次數(shù)，帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益。