真空開關(guān)的真空度在發(fā)生變化時會引起屏蔽罩發(fā)生一系列變化，利用傳感器檢測屏蔽罩的電信號，再經(jīng)過濾波、放大后送往CC430 進(jìn)行處理、分析和比較來確定滅弧室真空度的值，最終得出屏蔽罩電位與真空度之間的關(guān)系曲線。通過這種曲線關(guān)系可以在不關(guān)斷真空開關(guān)的狀態(tài)下判斷其真空度的大小，進(jìn)而實現(xiàn)真空開關(guān)真空度的實時在線監(jiān)測。CC430 通過自身集成的無線射頻模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶，實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

　　隨著我國電力系統(tǒng)、無油化改造以及電力設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，真空開關(guān)的使用也就更加普及和推廣。真空開關(guān)以其體積小、環(huán)境污染小、滅弧性能好、運行維護(hù)簡便、可靠性高、機械和電壽命長等優(yōu)點在國內(nèi)礦山、大中型水電站、變電所等供電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。真空開關(guān)是以真空作為絕緣和滅弧手段的斷路器，真空度直接影響真空開關(guān)的性能, 如果不能及時掌控真空開關(guān)的真空度，可能帶來不可想象的后果。資料顯示由沒有及時掌控真空開關(guān)的真空度而引起的事故已經(jīng)造成了很大的損失。國內(nèi)統(tǒng)計資料表明，真空開關(guān)事故絕大多數(shù)因真空泄漏引起。所以，運用科學(xué)的手段對真空開關(guān)進(jìn)行定期或不定期真空度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障先兆對真空開關(guān)乃至整個電力系統(tǒng)的安全和可靠運行都有十分重要的意義。

　　本文研究的內(nèi)容涉及到對真空開關(guān)真空度進(jìn)行在線監(jiān)測和無線發(fā)送，在不關(guān)斷電源的情況下，對真空開關(guān)滅弧室內(nèi)的真空度進(jìn)行監(jiān)測。運行中的真空開關(guān)滅弧室內(nèi)的真空度在發(fā)生變化時，動靜觸頭之間會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電會發(fā)射出電磁波脈沖，導(dǎo)致屏蔽罩電位發(fā)生變化，它與滅弧室的真空度之間存在一定的關(guān)系，通過這種關(guān)系就可以判斷真空度的大小。在此原理上，本文利用傳感器來檢測屏蔽罩電位信號，經(jīng)過濾波、放大器后，然后由CC430 對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和比較來確定滅弧室內(nèi)真空度的值，并通過其自帶的射頻模塊將信息通過無線發(fā)送到PC 或遠(yuǎn)程用戶，實現(xiàn)真空度的實時監(jiān)測。

1、真空開關(guān)和CC430 簡介

　　1.1、真空開關(guān)

　　真空開關(guān)由真空滅弧室、電磁或彈簧操動機構(gòu)、支架及其他部件構(gòu)成，是控制管路或某封閉空間的真空度的開關(guān)，為純機械形變導(dǎo)致微動開關(guān)動作。真空開關(guān)是框架式斷路器的通俗稱呼，實際上就是斷路器，主要作用是切斷大電流的電器元件。真空開關(guān)是以真空作為絕緣和滅弧手段的斷路器，因此，真空度直接影響真空開關(guān)的性能�，F(xiàn)對真空開關(guān)真空度的測試方法有離線監(jiān)測和在線監(jiān)測。在線監(jiān)測的方法主要有電光變換法、耦合電容法、磁控線圈法等。在不同的使用場合，真空滅弧室有種形式，總體來說，真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)

　　真空開關(guān)采用真空阻止電弧重燃的方法實現(xiàn)熄滅電弧。真空滅弧室是用密封在真空中的一對動、靜觸頭來實現(xiàn)電力電路的接通與分?jǐn)喙δ艿囊环N電真空器件，獨特之處是利用高真空做絕緣介質(zhì)。真空滅弧室的真空度應(yīng)在1.33×10^-5 Pa ～ 1.33×10^-2 Pa 范圍內(nèi)，在這樣高真空度狀態(tài)下，氣體的密度很低，氣體分子的自由行程很大，不易產(chǎn)生碰撞游離，因此，觸頭間具有很高的絕緣強度和很強的開斷能力。國標(biāo)(GB)中規(guī)定，真空滅弧室內(nèi)的真空度臨界值為6.6×10-2Pa。表1 就說明了真空度在不同范圍時的真空滅弧室運行情況。

表1　真空度在不同范圍時的真空滅弧室運行情況

　　1.2、CC430 簡介

　　CC430 是TI 在2008 年末發(fā)布的MSP430 家族的一個新的RF Soc 系列，CC430 集成了MSP430 當(dāng)時最新5 系列的核以及低功耗無線收發(fā)器CC1101 的核，并且集成了5 系列豐富的外設(shè)等。CC430 不但延續(xù)了其前輩超低功耗、高性能的傳統(tǒng)，而且集成了業(yè)界領(lǐng)先的1GHz 以下頻段的CC1101RF 收發(fā)器，是真正的業(yè)界最低功耗的單芯片射頻(RF) 解決方案。使用CC430 平臺既可降低系統(tǒng)復(fù)雜性、將封裝與印刷電路板尺寸縮小50%，又可簡化RF 設(shè)計，從而將包括RF 網(wǎng)絡(luò)、能量采集、工業(yè)監(jiān)控與篡改檢測、個人無線網(wǎng)絡(luò)以及自動抄表基礎(chǔ)設(shè)施等在內(nèi)的應(yīng)用推向前所未有的水平。本文中選用的是

　　CC430F5137, 具有以下特點：

　　1)工作電壓低：2.0 ～ 3.6V；

　　2)I/O 口電平：0 ～ VCC；

　　3)工作頻段：433 ± 10MHz；

　　4)發(fā)射功率：-30dBm ～ 10 ± 1dBm；

　　5)高接收靈敏度：-106 ± 1dBm(@433MHz，2400bps)；

　　6)2-FSK、GFSK、ASK/OOK 調(diào)制方式，提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾能力；

　　7)低功耗：發(fā)射電流≤ 40mA，接收電流≤ 25mA，睡眠電流≤ 2μA；

　　8)自帶多通道12 位AD 轉(zhuǎn)換

　　9)集成無線射頻模塊

2、真空開關(guān)真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1、真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　本文系統(tǒng)主要是通過監(jiān)測屏蔽罩的直流電位信號來分析其與真空度的關(guān)系來判斷滅弧室內(nèi)真空度的變化情況，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。傳感器探頭分別接在真空開關(guān)A、B、C 三相的三個真空滅弧室內(nèi)，其對真空滅弧室的屏蔽罩電信號進(jìn)行采集并輸出，信號經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換處理后進(jìn)行濾波、放大預(yù)處理，CC430 對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析以及比較，來評估滅弧室內(nèi)的真空狀況并顯示。當(dāng)真空度低于標(biāo)準(zhǔn)真空度值時發(fā)出報警，并通過無線將報警信息發(fā)送給遠(yuǎn)程的工作人員以提醒。CC430 的最小系統(tǒng)如圖3 所示。

圖2　系統(tǒng)總體框圖

圖3　CC430 最小系統(tǒng)

　　2.2、真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測原理

　　在真空開關(guān)工作時，真空滅弧室屏蔽罩上的電位是由高壓部分—屏蔽罩、屏蔽罩—接地電極之間分別所具有的靜電電容的分壓決定。真空滅弧室只有在正常的工作電壓和標(biāo)準(zhǔn)的真空狀態(tài)下正常運行時，滅弧室屏蔽罩上才不會帶有靜電荷；然而當(dāng)真空滅弧室真空度降低到臨界壓強(10-2Pa 左右) 時, 不僅電氣參量有變化, 而且非電氣參量也有一定變化。在電氣參量的變化中，會導(dǎo)致真空滅弧室觸頭與屏蔽罩之間產(chǎn)生電流信號，滅弧室的屏蔽罩上也會因此產(chǎn)生一定的靜電荷，從而形成直流電位。屏蔽罩的直流電位會隨著真空度的降低而發(fā)生相應(yīng)地變化。本系統(tǒng)是通過檢測屏蔽罩的直流電位來監(jiān)測滅弧室內(nèi)真空度。

圖4　真空度與屏蔽罩電位關(guān)系

　　圖4 表示的是真空滅弧室內(nèi)真空度與屏蔽罩上直流電位的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)真空滅弧室內(nèi)的真空度在臨界真空度以上時，真空滅弧室屏蔽罩的電位幾乎沒有多大的變化。隨著真空度的惡化，屏蔽罩上的電位會相應(yīng)地下降。因此，由他們之間的關(guān)系曲線可知，只要測量出屏蔽罩的直流電位，就可以得出此時相應(yīng)的真空度。因此，通過檢測屏蔽罩上的電信號即可在線監(jiān)測真空滅弧室內(nèi)的真空度狀況。

　　2.3、監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集處理

　　由于真空開關(guān)處于的環(huán)境是在高壓狀態(tài)下，傳感器探頭監(jiān)測到屏蔽罩的電位信號，并經(jīng)過一系列的信號處理和A/D 轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。在高壓的環(huán)境下，為了采集到幾乎不失真的電信號，要求設(shè)計的采集系統(tǒng)也具有非常強的抗干擾能力。所以我們在對輸入的模擬信號進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換以后采用隔離放大器，實現(xiàn)輸入/ 輸出的信號隔離和增益控制信號的隔離，增強其抗干擾能力。圖5 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

圖5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

　　隔離放大器具備兩大功能，即前置功能和放大功能。其對采集到的電信號進(jìn)行處理并將輸出信號調(diào)整至A/D 能夠采樣的范圍內(nèi)以及將輸入級與后級完全隔離，因此，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)通過對屏蔽罩的直流電信號進(jìn)行信號的放大、濾波、采集、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)來判斷真空滅弧室內(nèi)真空度的狀況。本文采用Matlab7.0 軟件和C 語言來實現(xiàn)軟件的設(shè)計。利用C 語言執(zhí)行速度快的特點開發(fā)軟件程序，可保證系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。Matlab7.0 的人機互動式畫面和可視化功能，使數(shù)據(jù)處理更加簡單。圖6 為CC430 的軟件工作流程。

圖6　CC430 的工作流程

4、結(jié) 論

　　真空開關(guān)作為我國電力行業(yè)日趨普及的高壓電器, 真空度的在線監(jiān)測對于真空開關(guān)的安全運行有著極其重要的意義。本文設(shè)計的系統(tǒng)采用CC430 來對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和比較來得出其中的關(guān)系曲線，并將報警信息發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶，達(dá)到在線監(jiān)測的目的。使用CC430，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、分析、比較和顯示等處理，還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。本文系統(tǒng)不僅方法簡單而且系統(tǒng)更具有實用性。