摘 要：为实现真空灭弧室真空度在线监测，设计一种真空灭弧室周边电场信号采集系统，详细说明容性耦合传感器及其信号调理电路的设计思路，并编制适用于STM32F103C8T6单片机的数据处理程序和LabVIEW上位机界面。试验表明：该系统能够有效采集不同工况下灭弧室周边的电场信号，可用于灭弧室真空度在线监测。
关键词：真空灭弧室；容性耦合传感器；电场信号；STM32F103C8T6单片机；LabVIEW上位机
0 引 言
真空灭弧室是真空断路器的核心部件，其真空度（气体压力水平）决定了整个真空断路器的工作性能，标准规定真空灭弧室出厂时的内部气体压力应在1.33×10-2Pa[1-2]以下。当灭弧室内部的气体压力超过1.33×10-1Pa时，真空灭弧室处在临界状态，很容易失去电绝缘性能[3-5]。因此真空度的在线监测是真空断路器运行维护中一项极其重要的内容。为此国内外都进行了一定程度的研究，国外方面主要是针对真空灭弧室中的放电现象以及放电机理的研究[6-7]；而国内则主要集中在真空灭弧室屏蔽罩上电位的研究[8-10]。本文从电场的角度出发，设计一种灭弧室周边电场信号采集系统，并通过试验验证了该系统的可行性。
1 原理及系统功能概述
当灭弧室的真空度下降时，将引起屏蔽罩的电位发生变化，灭弧室周边电场也随着发生改变，因此可以通过灭弧室周边电场信号的变化去推断其内部真空度。为此，本文设计了一套真空灭弧室周边电场信号采集系统。采用基于局部放电原理的容性耦合传感器，采集真空断路器灭弧室周边电场信号；此信号经过单片机转换处理之后以波形的形式显示在LabVIEW上位机界面上。
图1是整个采集系统的功能框图，可分为硬件系统和软件系统两大模块。硬件系统用于获取灭弧室周边的电场信号，主要包括容性耦合传感器、信号调理电路、电源、STM32F103C8T6单片机、485通信电路等；软件系统用于转换和处理数据，包括LabVIEW上位机界面和单片机系统软件两部分，两者通过RS-485与RS-232转换接口实现互联，以便观察数据处理结果并对整个采集系统进行管理和控制。
图1 系统总体功能框图
2 系统硬件设计
2.1 容性耦合传感器
传感器组件的结构如图2所示，包括电场耦合元件即金属圆片（感应电极）、高压电容器，以及对应的前置处理电路即信号抽取与调理电路。
图2 传感器结构示意图
金属圆片和高压电容器感应变化的电场信号经由信号抽取与调理电路进一步处理，最终输入单片机内置AD模块进行模数转换。信号抽取与调理电路如图3所示。
信号从J1输入，幅值在200～600mV（有效值）。U1A为信号跟随器，用于将信号源与放大器隔离，由于信号源的内阻很大，如不隔离，放大器的输入阻抗将对信号产生影响。R5的作用是泄放掉C1上的残余电荷；C6、C2、C7、C3是电源去耦电容；R2、R6、R3、R4、U1B组成同极性放大器，将信号放大到2～6 V（有效值）。无信号时U1B的7脚输出为0V，R1为光电耦合器提供偏置电流。光电耦合器的输出接通道信号调理电路，形成电流环，电流约为2.5mA。J2的管脚4为信号地，管脚5为信号线。
光电耦合器的作用是隔离高压传感器和单片机数据采集电路。因为实际应用中传感器需要装在真空灭弧室的附近，而实际试验电压达10 kV，光电耦合器可以避免故障时烧坏数据采集电路，起到保护的作用。
2.2 通道信号调理电路
经过前置处理电路处理过的信号，即图3中J2管脚5输出的信号（SIGA），将输入到通道信号调理电路进行进一步处理。通道信号调理电路如图4所示，共有3个通道，和真空断路器的A、B、C三相灭弧室相对应，3个通道的电路完全相同，图中只示意了A通道。信号经C400隔出直流后输送到R401、R405、C404、U400A组成的反向运算放大器。C404是防止高频振荡(高频自激)的反馈电容：由于运算放大器不是理想器件，以及外电路的分布电容和导线电感的存在，很可能产生正反馈，从而产生自激；增加电容C404的目的是破坏自激条件，其具体数值需要由现场试验条件决定。R409和R413组成分压器，实现电平转换，使得输出电压的最大值限制在3 V左右。
2.3 电源电路
采用AC/DC电源模块HAT10-05V12-WFCI获取工作电源，其输入电压为交流市电，输出电压为直流±12V和5V，分别向容性耦合传感器和单片机电路板供电。
2.4 STM32F103C8T6单片机电路
图3 信号抽取与调理电路
图4 通道信号调理电路
单片机电路的主要功能有两个：1）利用单片机内置的AD模块，采集通道信号调理电路处理过后的信号，如图4中的ADCA；2）通过单片机的外设串口，和上位机进行通信。另外，还利用单片机的I/O口对电路板上的继电器进行测试。
2.5 485通信电路
通信电路主要由MAX485芯片及其附属电路构成。MAX485利用差动的方式进行发送和接收，以提高抗干扰能力；其发送和接收由单片机的管脚PD6控制：当PD6置1时发送，置零时接收。
3 系统软件设计
3.1 RS485通信协议设计
通信系统是实现单片机和上位机数据交换的中心环节。系统基于RS485串口通信协议建立与下位机通信系统。
通信系统波特率设置为115200，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验，通过串口中断实现数据的读出和写入。系统发送和接收的数据格式为结构体，即每次通信下位机从上位机接收一组或者多组结构体数据，或下位机往上位机上传一组或多组结构体数据。通信格式帧如表1所示。
表1 通信格式帧
为了防止数据区与起始字符和结束字符发生冲突，对数据区进行移位处理。假设数据区有3个字节a、b、c，不够3个字节补空字节，各个字节格式见表2。
表2 数据区移位前数据格式
对a、b、c进行如下移位处理：
按照以上方式移位后存储为4个字节，排列如表3所示。
表3 数据区移位后数据存储格式
3.2 LabVIEW上位机界面设计
如图5所示为对应于该系统的界面图，包括波形图显示、波形统计数据以及波形存储路径的设置。波形图有原始波形（即滤波前的波形）、基波波形和谐波波形，每一种波形都对应A、B、C三相，分别用黄、绿、红区分；为了加强真空度良好和真空度劣化时的波形对比效果，在基波波形图里添加了一条三相和波形，用白色实线区分。
图5 上位机界面
3.3 单片机系统软件设计
采用C语言编制单片机程序进行A/D采样和处理。主要程序模块分为：A/D采样程序、数字滤波程序、通信程序。
利用STM32F103C8T6的双ADC模式进行采样，两个ADC同步工作，第一个ADC按照A相、B相、C相的顺序采样，第二个ADC则按照C相、B相、A相的顺序采样，然后取两个ADC对应的同一个通道采样值的平均值作为最终的采样结果；AD采样由定时器T2触发，触发间隔约为313 μs，即每个工频周期（20ms）采样64点。AD采样结果通过DMA的方式自动存取在缓冲区，并开启DMA中断，在中断程序里读出存储在DMA缓冲区的数据。
采样到的数据作为原始数据，经过FIR带通滤波器滤波得到基波分量，而由IIR高通滤波器得到高频分量（谐波）。FIR带通滤波器的阶数为10阶，通带为30～70Hz，IIR高通滤波器的阶数为7阶，其低边截止频率为90Hz。两种滤波器的采样率都为3.2kHz，通带衰减1dB，阻带衰减40dB。
原始波形及滤波之后的基波波形和谐波波形，通过串口传输至上位机界面显示。另外，通信程序还将传送上位机控制指令至单片机，如参数和状态信息的读取等。
4 系统在线监测试验
4.1 试验系统及试验流程
三农问题直接关系到国计民生。若无法实现农业农村的现代化，也就无法实现国家的现代化，现如今，我国乡村发展不平衡问题十分明显。实施乡村振兴战略能够解决人民生活需求，解决发展不平衡的矛盾，其也有利于实现共同富裕。在社会主义建设与发展的过程中，我党存在着政治优势和制度优势，且物质保障十分充分，市场需求较为旺盛，这也为实现乡村振兴战略提供了良好的条件。因此我们应结合农业发展的基本情况不断推动农业发展，促进农村改革，从而完善乡村发展的整体水平。
图6 试验系统示意图
金属油扩散泵及其冷却水系统和抽真空泵配合使用，有助于将灭弧室内的气体抽到需要的范围之内，这个范围由DL-90型复合真空计确定：当其示数在10-3数量级及以下时即可；两个真空计的精度不一样，需要根据不同的气压范围读取真空计的示数：灭弧室内气体压力在10Pa及以下时，读取DL-3型真空计的示数，而气体压力在10Pa以上时，读取DL-10型真空计的示数。
为了模拟不同工况下的电场情况，对三相灭弧室做如下处理：整个试验过程中A、C两相灭弧室真空度良好并保持不变，其内部气体压力在1.33×10-2Pa以下，而B相灭弧室则在静导电杆的位置装一个控制阀，接抽真空泵和真空计，以改变并实时测量其真空度。试验时，首先利用抽真空泵将B相灭弧室的真空度抽到1.33×10-2Pa以下，然后关闭真空泵，调节控制阀，使得B相缓慢漏气，此时灭弧室内的气体压力水平逐渐上升，直到大气状态；加10 kV线电压，同时记录整个漏气过程中3个传感器的输出波形及对应的真空度。
4.2 试验结果及分析
4.2.1 真空度良好时的波形图
开始时B相灭弧室和A、C相一样处于真空度良好状况（气体压强＜1.33×10-2Pa），如图7所示是真空度为0.01Pa时的波形图。
图7 真空度为0.01Pa时的波形图
图中实线黄、绿、红分别代表A、B、C相传感器的输出波形，而基波波形图中的白色线则代表三相基波求和的结果。真空度良好时A、B、C三相原始波形无畸变，基波波形基本对称、三相和接近零，并且谐波含量基本一致。这是因为真空度良好时，灭弧室内无放电发生，其周边电场完全由工频电源电压形成，因而无畸变（或畸变甚微）。
4.2.2 真空度劣化时的波形图
当B相灭弧室缓慢漏气，其内的气压逐渐上升时，由于气体密度和压强的增加，B相灭弧室内将发生不同程度的放电，从而改变其周围的电场分布情况，图8是真空度为12Pa时的波形图。
由图8可知，相比于真空度良好的情况，当真空度劣化时，灭弧室周围的电场将产生畸变，反应到波形上就是原始波形发生不同程度的畸变，A、B、C三相基波出现严重不对称，基波三相和明显增大，同时将产生很大幅度的谐波。原因是B相灭弧室真空度发生劣化，因此B相的电场畸变最严重，同时由于耦合作用，也将会使得A、C两相电场发生不同程度的畸变，但较B相程度要轻许多，这都可以从波形（特别是谐波）的幅度上得到验证。
