基于AVR真空断路器灭弧室真空度在线监测装置

1 引言

真空断路器在电力系统中具有保护和控制双重功能，是电力系统一次设备中维护工作量最大的设备之一。据相关资料证实，开关的维修费用占用变电站总维修费用的50%以上，而且大部分用于断路器的定期检修上［1-4］。真空断路器的主要性能参数是真空度，真空度的优劣直接影响到真空开关的寿命，使用期间的耐压水平和开断能力。目前，真空开关在我国中低压领域得到了广泛的应用，灭弧室的真空度在线监测已成为工程领域的一个热门话题。

真空断路器真空度的测试方法从大的方面说，包括离线检测和在线检测两大类。离线检测的方法较多，而且发展相对成熟，磁控放电法是其中一种重复性较好、灵敏度高的定量测量方法［5-7］。除了磁控放电法，还包括工频耐压法、吸气挤膜法、德斯拉线圈法等。在线检测由于要在不改动开关主体结构及运行状态的前提下，随时监测真空度的变化，目前国内外还无法实现真空度的直接测量。用于真空度的间接测量方法有耦合电容方法和电光变化方法［8-12］。耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的，若被测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩的耐压强度由于真空度降低而下降，则当工频电压从零点升至某一值时，带电触头和屏蔽罩之间的等值电容发生放电，该局部放电信号可通过位于屏蔽罩与接地箱之间的两个局部放电探头进行在线监测［13-15］。这种监测方法的主要问题是其测量的灵敏度有待于进一步验证。

结合国内外对真空度在线监测的研究成果，文献［8］研究了真空断路器屏蔽罩的电位与灭弧室内真空度关系，本文通过测量屏蔽罩的电位相对正常值和其他两相电位的变化，从而抵消了由于环境变化带来的测量误差，利用高阶数字滤波器提取工频信号和高次谐波。采用Atmel公司集成AD采集模块AVR单片机，实现了数据采集、数据分析、报警和通信等功能，实现了真空度的在线监测低成本、高灵敏度。

2 真空度在线监测原理

灭弧室内真空度正常时，仅需几百伏的电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩之间由场致发射引起的电子电流。屏蔽罩积累的负电荷使其负电压电位几乎能达到电极电压峰值;真空断路器灭弧室真空度劣化时，灭弧室内气体密度变大，场致发射电子被气体分子吸附后成为负离子。由于负离子质量大，漂移速度慢，使得上述电子电流减小，屏蔽罩电位降低［8］。灭弧室真空度持续劣化时，金属导杆和触头与屏蔽罩之间产生了局部放电，最后发展成电晕现象。此时屏蔽罩上的电位增加，同时伴有高次谐波信号。检测方法［7，8］就是通过监测屏蔽罩上交流电位来判断真空度的变化情况，只是受现场工频干扰的影响较大，本文通过数字滤波器提取工频信号和高频信号，消除周围噪声干扰。

搭建一套模拟真空断路器运行环境和控制真空度实验系统，设计一个简单实用的电场传感器，传感器外壳是由绝缘材料制成并且呈柱状接口，不会改变屏蔽罩和接地网之间的电场分布，其整体电气隔离特性和良好的绝缘性能满足在线监测系统可靠性与安全性，并且对真空断路器的工作性能无任何影响。该传感器探头除了包括电容部分还包括信号放大器、供电、信号传输等部分。原理如图1所示，当屏蔽罩电位绝对值降低，将引起屏蔽罩附近的电场的改变，上述过程引起电容C2和C3上电荷重新分布，通过检测信号输出端U o的变化即可跟踪屏蔽罩U c的变化过程，从而实现真空度的状态监测。

图1 测量原理等效电路
Fig．1 Equivalent circuit ofmeasurement

文献［10］对真空度在线监测时，首先进行离线实验，标定出不同型号的真空度断路器屏蔽罩的电位与真空度的关系，这种方法需要对各种断路器做离线标定实验，同时容易受到现场环境的干扰。本文叙述的在线监测装置，不需要事先标定真空断路器屏蔽罩电位与真空度的关系，对真空断路器的状态进行定性判断。安装在线监测装置后，把断路器A、B、C三相屏蔽罩电位测量值通过软件增益系数调节，调试到三相传感器信号平衡。然后根据三相屏蔽罩的电位的相互差值判断故障相，同时也记录不同时段的有效值，作为趋势比较参考。

3 在线监测系统结构

真空度在线监测系统以断路器A、B、C三相耦合电容传感器的输出信号为输入，处理器采用Atmel公司生产的AVR芯片atmega32，其内部集成了8路为10位的A/D、定时器、异步串行通信接口和看门狗定时器，极大地简化了硬件结构，提高了整个系统的可靠性。监测系统能够同时监测多套开关柜，最高达到256套。计算机可实时观察到各个检测节点的动作情况，一旦有节点丢失可马上报警，保证了系统的可靠性。

3.1 监测系统的基本组成

监测系统包括智能监测单元、485网络通信单元、计算机等设备。每个开关柜需配备一个智能监测单元、三个传感器监测A、B、C三相真空开关。其中智能监测单元实现传感器数据采集、处理、故障识别诊断等功能，通过485总线方式上传数据到计算机。

智能监测单元利用AVR单片机的AD和定时器实现等间隔采样，数据采样率为3.2kHz，每次采样间隔时间为0.3125ms，利用采样间隔完成数字滤波器计算，实现了实时采样实时滤波功能，极大增加了抗干扰能力，消除了周围环境带来的脉冲干扰、噪音干扰等。连续采集10个周期后，计算采样数据工频信号的有效值和谐波含量，作为后面故障诊断依据。依次完成A、B、C三相数据的采集和滤波，软件体系流程如图2所示。

图2 监测系统体系结构
Fig．2 Monitoring system structure

3.2 智能监测的软件设计

根据相关文献所述断路器工作环境干扰较大，如果采用普通的运算放大器或者RC组成的滤波器，元件较多，参数调节复杂，并且杂散电容会大大影响滤波器特性。利用MCU自身的资源，实现数据的数字滤波，能够准确地提取信号的工频分量。常用的数字滤波器FIR滤波器和IIR滤波器，其中IIR数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用较低的阶数实现较好的选频特性等特点，得到广泛应用。这样就避免了周围环境带来的干扰，同时也降低了硬件的复杂度，可有效减小电路体积，提高电路性能。

本文根据要求设计一个10阶的切比雪夫I性带通滤波器和一个7阶高通滤波器分离工频和高频信号，其采样率3.2kHz，带通通带频率为30～70Hz，通带衰减1dB，阻带衰减40dB。高通滤波器，其阻带频率60Hz，通带频率90Hz。设计的数字滤波器幅频特性仿真结果如图3(a)和图3(b)所示。从图中可以得出，该数字滤波器具有良好的滤波功能，提高了抗干扰能力。

图3 IIR幅频响应曲线
Fig．3 IIR amplitude frequency response curves

为了快速实现IIR数字滤波器，把浮点型系数转换成Q16整型格式，可以大大提高MCU的计算速度，同时把滤波器系数存到SRAM区，方便计算时提取系数数据，利用采样时间间隔完成IIR数字滤波器计算，实现了实时在线分离传感器探头的工频和高频信号，提高了在线监测接地电流的灵敏度和可靠性。根据滤波后工频信号，计算工频信号和高次谐波的有效值，作为诊断真空断路器真空度的判断依据。

4 真空度故障诊断

真空断路器真空度降低时，测量电场的绝对值需要准确的校准曲线，容易受到现场的干扰。本文通过测量电场的绝对值，分析出电场的相对值，采用三相不对称算法、趋势判断法、高次谐波法来判断真空度的变化情况。

4.1 三相不对称分析方法

电场传感器测量屏蔽罩上的电位，容易受到距离、环境等多方面的干扰，给每相带来不可避免的系统误差，智能监测单元通过软件增益来平衡抵消系统带来的干扰误差，使断路器三相传感器具有相同的指标参数。测量过程中，如果某相真空度降低，导致屏蔽罩电位下降或者发生局部放电导致屏蔽罩电位上升，传感器测量信号如图4(a)所示，此时该相经过上述的高阶数字滤波器提取的工频信号有效值将明显降低或者升高，三相滤波后基波有效值两两做差，得到三相之间相对差值|V Arms-V Brms|、|V Arms-V Crms|、|V Crms-V Brms|，假设A相故障，A相断路器传感器测量数值明显变化，则|V Arms-V Brms|、|V Arms-V Crms|相对差值较大，可以诊断出A相真空度发生了劣化。

图4 真空及大气状态下实测波形
Fig．4 Waveformsmeasured in vacuum and atmospheric conditions

4.2 趋势判断法

三相不对称分析方法采用了横向比较三相数据，而趋势判断法利用每相传感器不同时间段测量数据为依据，以此计算真空断路器真空度的变化趋势，如果一段时间内相对于另一段时间内的平均值相差较大，可以判定该相真空度发生劣化。

4.3 高次谐波方法

真空断路器真空度发生劣化，压强在0.5～200Pa，会伴有局部放电的产生，此时局部放电信号会改变屏蔽罩对地的电场变化，传感器测量信号中会含有高次谐波，通过计算高次谐波含量，也可以作为真空度劣化程度的依据。该监测方法具有较高的灵敏度和抗干扰能力。

真空断路器漏气故障时一个漫长的过程，不是瞬间发生和消失的，监测系统利用上述真空度劣化过程出现的局部放电现象，提取传感器测量信号的高频信号作为诊断断路器的真空度，由于电力系统自身会出现偶然过电压，虽然不是真空断路器故障，容易误诊断断路器故障，本监测系统通过连续采集20个周期内，对20个周期数据分析处理来综合判断断路器真空度状况，防止系统自身干扰发生误报，大幅度地降低了电磁和系统过电压干扰的影响。

5 试验测试结果及分析

为了验证真空度在线监测系统的可行性，利用搭建的试验模拟平台，通过真空泵将真空断路器灭弧室抽到真空10～3Pa，此时电场探头测量的波形如图4(a)所示，该压强下灭弧室电子的平均自由程较大，不易产生气体电离，高阶数字滤波器分离的工频信号恰好达到设定参考值。随着压强的降低，灭弧室内发生局部放电，电场探头测量的波形如图5所示，此时所测量的电场由于受到放电的影响，与图4(a)所示波形相比，有大量的高次谐波成分。随着灭弧室的压强持续增加，气体放电现象终止，此时电场探头测量的波形如图4(b)所示，所测量的数据又恢复到正弦波，但是包含的工频信号的有效值明显降低，没有达到设定的参考值。通过上述的多种方法可以诊断出真空断路器灭弧室的真空度。

图5 灭弧室内局部放电下实测波形
Fig．5 Arc extinguish chamber partial discharge waveforms

6 结论

(1)搭建了模拟真空断路器运行的平台，测量真空度控制系统测量断路器在不同压强的屏蔽罩电位的变化。

(2)采用高阶数字滤波器，从电容传感器中分离出工频信号和高次谐波信号，作为诊断灭弧室真空度的依据。

(3)利用电场探头测试灭弧室屏蔽罩附近的电场变化，由单片机同时采集三相灭弧室屏蔽罩的电场变化情况，通过三相不对称分析方法、趋势判断法、高次谐波方法，综合诊断灭弧室内真空度的优劣，抵消了由于环境温度变化带来的测量误差，提高了系统的测量灵敏度。

(4)灭弧室真空度在线监测装置可以实现对设备的实时监测，对于设备出现的隐患及损坏趋势可以及时检测到，避免事故时断路器跳不开。