摘 要：一定的真空度是保证高压真空断路器在操作时熄灭电弧的前提，而真空度在工作中会因为一些原因下降，因而需要时常检测，传统的离线检测方法需要停电具有诸多不便，在线监测技术解决了这些问题。本文设计了一套真空度在线监测装置，计算机仿真结果显示该系统能够准确完成真空度的在线监测报警显示。
关键词：高压真空断路器；耦合电容法；真空度；在线监测
1 引言
高压真空断路器以其优良的灭弧特性在电网中得到了广泛应用。但是真空断路器在运行过程中会因为制作工艺、元件老化、机械受损等原因导致真空度下降，当真空度下降到0.133Pa附近，断路器在操作时就无法满足开断电流和消灭电弧的要求，在开关分合的过程中，如果不能保证及时熄灭电弧会导致断路器爆炸，给电网运行造成危害。因此需要经常对断路器的真空度进行检查[1]。现有的检测方法一般分为离线检测和在线监测，离线检测需要输电线路断电，检测人员到现场检测，十分不便，相比之下，在线监测有效避免了这些困难，是一项有效的即时检测措施[2]。本文设计了一套真空度在线监测装置，仿真结果显示该装置能准确地测试出真空度的大小完成监测任务。
2 在线监测原理
2.1 耦合电容法原理
目前，真空度的在线监测的方法有很多，其中耦合电容法使用较多[3-5]。如图1(a)所示，断路器在带电运行期间，中间动静触头具有很高的工作电压，因而屏蔽罩上也会出现感应电压。当室内气体发生泄漏时，屏蔽罩表面上的带电情况也随之改变，因此屏蔽罩上的带电情况和室内的气体压强具有一定关系[6]。如图1所示，断路器动静触头、中间屏蔽罩、探头极板之间形成电容C1、C2，传感器内部设置电容C3，由其等效电路由电容C1、C2、C3构成，通过测量耦合电容C3的两端电压Uo大小可以判断电容C2分压大小，即可由对应关系求出真空度的大小[7]。这就是真空度监测的基本原理。
图1 断路器及其等效电路图
2.2 总体设计思路
根据监测原理分析，真空度的在线测量转化为测量电容C3的分压大小。电容C3两端的电压信号可由信号采集电路测得，采集到的信号需要经过放大电路、滤波电路、模数转换送到中央处理器，在处理器中进行数据处理，计算出此时的真空度大小，结果由显示电路输出，并且判断是否进行报警操作。因此该在线监测系统设计了电源、测量、输出、告警系统，硬件框图如图2所示。
图2 硬件框图
3 硬件系统设计
3.1 最小系统设计
最小系统是处理器工作的必须条件，由晶振电路、复位电路和中央处理器组成，如图3所示。晶振电路采用了经典的设计方案，由X1和X2引脚外接晶振芯片和谐振电容组成。复位电路为系统的重启电路，可以使系统恢复到初始状态。如图中所示，共设计了上电复位和开关复位两种复位方式。当系统通电后电容器充电，RES端获得高电平，单片机复位；当按键按下时，RES端与+5V电源接通为高电平，单片机复位。这样设计是为了方便使用。
图3 单片机最小系统
3.2 电源电路设计
系统直流稳压电源是基于集成稳压器件LM7805、LM7812和LM7912进行设计，并使用了2个滤波电容，使用滤波电容主要目的是为了消除电源波动对系统的干扰，提高系统的抗干扰能力。为防止电源之间的相互干扰，需对模拟电路和数字电路进行独立供电，因此电源电路设计输出两路+5V的稳压电源[8]。为了给OP-07放大器供电，本次又分别设计了+12V和-12V电源，共计设计了四路电源，可以保证给系统稳点供电。数模两路+5V供电电路如图4所示。
3.3 信号采集电路设计
由于采集的电压信号较弱，大约幅值在几百毫伏左右，所以它需要先经过放大以后才能进行后续的信号处理。放大电路既可以放大信号，还可以充当输入缓冲级，提高输入阻抗，实现阻抗匹配[9]。如图5所示，信号放大电路选择OP-07放大器，其由±12V电源供电，具有稳定的性能，这样能得到稳定的输出信号，放大倍数等于R2/R1的值。
图4 电源电路图
图5 放大电路图
由于传感器会受到输电线路高次谐波影响，所以测得的信号包括高频谐波信号，因此需要对放大后的信号进行滤波处理。本次选用OP-07放大器设计了一个低通滤波器，其该滤波器性能稳定，滤波效果好，其电路图如图6所示。
图6 滤波电路图
数模转换电路如图7所示，先由整流电路把信号转化为稳定的直流信号，然后由数模转换芯片送入到单片机中处理。由于晶闸管存在电阻，信号经过桥式整流电路后的会有衰减，因为这种压降数值固定，可以在程序中进行微调。模数转换器采用TLC2543芯片，其简单的3线SPI串行接口可以非常容易地与微处理器进行通信，而且具有12位精度，可采集11路模拟信号。TLC2543芯片可以直接读取电压信号，而无法直接读取电流信号，可以通过外接电阻实现电流信号与电压信号的转化。同时A/D转换电路也把数模信号分开，防止了它们相互干扰。
图7 数模转换电路图
3.4 显示和报警电路设计
显示电路的设计师为了对系统测得的真空度进行实时显示。单片机端口对外输出时需要外接阻值2-10kΩ的上拉电阻，电路中又增加了ULN2003反相器，用它来驱动数码管，单片机的驱动能力可以有很大的改善。报警电路由两个颜色不同的指示灯和一个蜂鸣器组成，通过显示它们的不同的工作状态来显示监测结果，以此来提示工作人员。
4 控制系统的软件设计
基于Keil 51平台，采用了C语言设计了控制系统的软件程序。软件采用模块化设计，先对每个子模块进行分别编写调试，然后由主程序统一调用，这样利于程序调试。具体模块如下：
(1)自检模块，系统通电后先进入自检模块，主要测试硬件电路是否能正常工作；
(2)初始化模块，主要包括对硬件芯片的初始化和软件变量的设置；
(3)数据采集和处理模块，包括电压信号的采集和处理，对于采样得到的数据，计算出相应的参数并与正常的数值进行比较；
(4)显示模块，该模块对真空度大小进行编码，然后驱动显示电路显示，可以让工作人员清楚地看到此刻的真空度状态；
(5)报警模块，该模块的主要任务是区分真空度是否良好，对工作人员有提醒作用。
图8 程序流程图
通电后先对硬件进行检查，检查硬件电路能正常工作后开始进入初始化模块，初始化完成后进入主循环，进行数据采集和处理，根据实验数据判断此时的真空度大小，交由显示程序进行显示，同时决定是否驱动报警电路，然后进行下一次循环。图8为程序流程图。
5 结论
利用计算机软件对软硬件进行了仿真。硬件仿真结果显示：稳压电路能提供稳定电源，电压波动范围小于千分之一；信号放大滤波电路能完成对信号的放大和对干扰信号的过滤；数模转换结果准确；显示和报警电路能正常工作。同时，进行了软硬件联合调试，调试结果显示：处理器能正确读取采集到的信号，和对信号进行处理，计算出真空度大小，并且输出到人机交互界面显示。系统能迅速侦测到电容的微小变化，当电容大小一旦超过预设值，就会触发报警电路动作，具有很高的灵敏性。仿真结果说明该套监测系统软硬件设计合理，可以准确完成对真空度的监测。
