專利名稱：高壓配電裝置真空管真空度在線監(jiān)測裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于真空管真空度的在線監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法，尤其是一種高
壓配電裝置內(nèi)真空管真空度的監(jiān)測裝置及其方法。
背景技術(shù)：
長期以來高壓配電裝置內(nèi)真空管由于真空度劣化而引發(fā)的爆炸事故時有發(fā)生，為
此采用脈沖磁控放電法對高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度進行檢測，該方法重復(fù)性較好，但
在檢測時需要開關(guān)斷電，不能連續(xù)監(jiān)測真空度的變化情況；交流耐壓法也是目前電力開關(guān)
行業(yè)的一種常用方法，該方法能夠作為判定真空開關(guān)能否投入電網(wǎng)運行的直接判據(jù)，但只
能提供一個粗略判定，不能判斷真空度變化趨勢，是一種定性的判斷方法；采用基于冷陰極
磁控放電法的監(jiān)測裝置對真空管真空度進行檢測，可以連續(xù)地對真空度變化情況實現(xiàn)在線
監(jiān)測，但需要在真空滅弧室靜觸頭端密封蓋板上加裝一個微型的真空度傳感器，需要對滅
弧室結(jié)構(gòu)進行改造，因此該裝置不能夠?qū)ΜF(xiàn)場使用的真空管的真空度進行在線監(jiān)測。 真空開關(guān)真空度在線監(jiān)測是要在開關(guān)帶電狀態(tài)和不改動開關(guān)主體結(jié)構(gòu)的前提下，
無論開關(guān)處在合閘或分斷狀態(tài)下都能夠?qū)崟r監(jiān)測其真空度變化。光電變換法是能夠滿足這
種要求的一種監(jiān)測方法。該方法采用BSO等晶體制作的Pockels電場探頭將屏蔽罩周圍的
電場信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸，然后對光信號進行處理，從而間接達到對真空管真空度監(jiān)測
的目的，但構(gòu)成其光電探頭的光電晶體傳感元件有其致命的弱點就是溫度穩(wěn)定性低，難以
適應(yīng)配電裝置內(nèi)溫升變化，同時，與探頭配套的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，難于大面積推廣。 還有公開號為01272070. 4的一種"一種電容分壓式電場探頭"，該發(fā)明由探頭電
極、電容分壓器、低通濾波器、壓頻轉(zhuǎn)換器、接地金屬板構(gòu)成，由電容分壓器分壓得到的電場
信號直接進入低通濾波器，濾波信號進行壓頻轉(zhuǎn)換后得到與屏蔽罩電位大小呈正比的頻率
信號，通過對頻率信號的測量來間接監(jiān)測電場的大小。但是通過試驗可以很容易發(fā)現(xiàn)通過
普通的信號測量電路從高容抗的電容分壓器中取樣出來的交流電壓信號是一個零點不斷
發(fā)生漂移的不穩(wěn)定信號，不經(jīng)過特殊的信號拾取電路無法將其無失真地拾取，針對此在本
專利中設(shè)計了高輸入阻抗的信號拾取電路；另外由于從電容分壓器取樣出來的信號是工頻
的交流電壓信號，而壓頻轉(zhuǎn)換芯片一般是將單極性的直流信號轉(zhuǎn)換為頻率信號的，無法將
工頻交流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖形式的頻率信號，針對此本專利在壓頻轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計了精
密整流濾波電路。該專利最大的不足就是沒有與現(xiàn)有高端CPU芯片結(jié)合做進一步的深入研
究，無法以一種裝置的形式安裝在高壓配電裝置內(nèi)真空管處實現(xiàn)真空管真空度現(xiàn)場在線監(jiān)
測，所以仍然不能夠?qū)崿F(xiàn)真空管真空度在線監(jiān)測的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對高壓配電裝置內(nèi)發(fā)熱元件比較多，其自身是一個比較大的熱源體，配 電裝置內(nèi)部溫度要比周圍環(huán)境溫度高出很多，而現(xiàn)有能滿足高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度 在線監(jiān)測要求的監(jiān)測裝置存在溫度穩(wěn)定性差，測量不準(zhǔn)確等問題。本發(fā)明提供一種穩(wěn)定性高、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度在線監(jiān)測裝置及其方法。
本發(fā)明中高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度在線監(jiān)測裝置，包括電容耦合器、電容分 壓器、信號拾取電路、精密整流濾波電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、微處理器單元、聲光報警單元和通 訊單元，其特征在于電容耦合器是由金屬板I和接地金屬板II構(gòu)成，其間由電容分壓器連 接，交流電場信號由電容分壓器低壓臂引出至信號拾取電路，拾取信號通過精密整流濾波 處理后，由壓頻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成頻率信號，頻率信號經(jīng)光耦隔離后送至微處理器的捕 獲單元，微處理器通過I/O 口與聲光報警單元相連接，通過控制總線與通訊單元相連接。
在上述裝置的方案中，所述的電容耦合器的金屬板I和金屬板II之間由絕緣子連 接，屏蔽殼與金屬板II聯(lián)結(jié)，與金屬板I間由絕緣粘合劑聯(lián)結(jié)；所述的電容分壓器是由三個 同種介質(zhì)的電容串聯(lián)構(gòu)成， 一個高壓臂電容和兩個低壓臂電容，高壓臂電容與金屬板I有 電氣連接，兩個低壓臂電容與高壓臂電容串聯(lián)后與金屬板II有電氣連接，經(jīng)電容分壓器分 壓后的交流電場信號由兩低壓臂電容引出，引出信號連接至信號拾取電路；所述的信號拾 取電路是由兩個靜電計級高輸入阻抗運算放大器U1、 U2和一個集成差分運算放大器U3構(gòu) 成三運放測量電路，在差分運算放大器U3的輸出端設(shè)置有運算放大器U4構(gòu)成的同比例運 算電路，運算放大器U4的輸出信號進入精密整流濾波電路；所述的精密整流濾波電路由運 算放大器U5、運算放大器U6、開關(guān)二級管D1、開關(guān)二級管D2和電阻電容構(gòu)成，其輸出信號進 入壓頻轉(zhuǎn)換電路；所述的壓頻轉(zhuǎn)換電路是由壓頻轉(zhuǎn)換芯片U7和電阻電容構(gòu)成，其轉(zhuǎn)換后的 頻率信號經(jīng)過光耦隔離后送至微處理器的捕獲單元；所述的微處理器單元是由處理器芯片 U15及其外圍電路構(gòu)成，微處理器芯片通過I/O 口與聲光報警單元連接，通過控制總線與通 訊單元連接。 本發(fā)明中一種用于上述的高壓配電裝置真空管真空度在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，
該方法是通過監(jiān)測真空管屏蔽罩交流電位的變化來監(jiān)測真空度的變化的，其實施監(jiān)測時金
屬板I緊靠真空管壁，金屬板II與信號調(diào)理電路的電源地相連接后通過配電裝置的金屬外
殼接地；兩塊金屬板構(gòu)成的電容耦合器實現(xiàn)交流電場信號的耦合作用，耦合電場信號由電
容分壓器分壓后，得到一個與屏蔽罩交流靜電電位大小呈正比的交流電壓信號，該信號由
電容分壓器兩低壓臂電容引出，經(jīng)高輸入阻抗的信號拾取電路拾取，拾取信號通過精密整
流濾波電路處理后進入壓頻轉(zhuǎn)換電路，壓頻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為頻率信號，由此得到與屏
蔽罩電位大小呈正比的頻率信號，頻率信號經(jīng)光耦隔離后進入微處理器的捕獲單元，微處
理器利用其存儲器內(nèi)部固化的程序完成信號的頻率計算及其對應(yīng)真空度的關(guān)系處理，裝置
中的微處理器通過對頻率信號的軟件處理后，實現(xiàn)分辨率為10—2的真空度在線監(jiān)測。 本發(fā)明監(jiān)測裝置不僅消除了其它監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度穩(wěn)定性差的缺點，而且
消除了高壓配電裝置通過大電流時所產(chǎn)生的強電磁波干擾。其主要特點是無失真地得到了 與真空管屏蔽罩交流靜電電位大小呈正比得頻率信號，且與現(xiàn)有高端CPU結(jié)合構(gòu)成了具有 真空管真空度現(xiàn)場在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、真空度劣化預(yù)報警和數(shù)據(jù)通訊功能的監(jiān)測裝置。該 裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計上緊湊小巧，對高壓配電裝置配套實施監(jiān)測時，原裝置結(jié)構(gòu)無需變動，只需 在相應(yīng)處打上安裝孔即可，不影響高壓配電裝置的各種性能，特別是其絕緣性不被影響。該 裝置采用常規(guī)元件和材料，成本低，工業(yè)實現(xiàn)方便，是一種工業(yè)上較為實用的功能比較完備 的真空管真空度在線監(jiān)測裝置，從而避免了人工巡檢，實現(xiàn)了運行管理自動化作業(yè)，提高了 高壓配電裝置乃至電力系統(tǒng)運行的可靠性。


圖1是本發(fā)明監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明監(jiān)測裝置的探頭結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明信號拾取電路原理圖； 圖4是本發(fā)明精密整流濾波電路原理圖； 圖5是本發(fā)明壓頻轉(zhuǎn)換電路原理圖； 圖6是本發(fā)明聲光報警單元原理圖； 圖7是本發(fā)明通訊單元原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖由實施例對本發(fā)明的監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法作出進一步的詳細說 明。 實施例1 實施本發(fā)明所稱的一種用于高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度的在線監(jiān)測裝置如 下 如圖1為監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖2_圖7為監(jiān)測裝置各單元電路原理圖。該裝置包 括電容器耦合器、電容分壓器、信號拾取電路、精密整流濾波電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、微處理器 單元、聲光報警單元和通訊單元。其中 電容耦合器的兩金屬板之間由三個同種介質(zhì)電容串聯(lián)構(gòu)成的電容分壓器連接，感 應(yīng)到的交流電場信號由電容分壓器低壓臂取樣并引出，引出的取樣信號直接連接到信號拾 取電路上，拾取信號通過精密整流濾波電路處理，由壓頻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成頻率信號，頻 率信號經(jīng)光耦隔離后送至微處理器單元，微處理器單元通過I/O 口與聲光報警單元相連 接，通過控制總線與通訊單元相接連。 對所述的電容耦合器其作用是耦合屏蔽罩外的交流電場信號，耦合器的兩塊金 屬板之間通過絕緣子(4)支撐并連接，另外為了防止金屬探頭周邊環(huán)境中電磁波信號的干 擾，結(jié)合電力系統(tǒng)電磁干擾的具體特點(工頻為主)，其外圍用高磁導(dǎo)率的硅鋼材料做成的 屏蔽殼(3)包裹，屏蔽殼與接地金屬板(5)聯(lián)結(jié)，與另一金屬板(1)用環(huán)氧樹脂(2)等具有 絕緣粘合作用的材料聯(lián)結(jié)。使用時接地金屬板通過配套金屬底座固定在配電裝置的金屬外 殼上接地；另外為保證整個裝置在同一參考電位下工作，接地金屬板還要與信號電路的電 源地相連。 對所述的電容分壓器其作用主要是將金屬板電極獲取的交流靜電電壓信號保持 取樣，以便信號拾取電路拾取其取樣信號。其中與金屬板(1)相連的電容構(gòu)成分壓器的高 壓臂，另兩個電容構(gòu)成分壓器的低壓臂，且與接地金屬板(5)連接的低壓臂電容取值為另 外兩個電容取值的10-20倍，裝置中三個電容的典型取值從低壓臂到高壓臂依次是1UF、 0. 1UF、0. 1UF，取樣電壓信號從低壓臂兩端引出。 對所述的信號拾取電路主要作用是拾取電容分壓器的取樣電壓信號，完成金屬 探頭與后續(xù)信號調(diào)理電路之間的信號無失真性銜接。其中Ul、 U2采用了靜電計級高輸入 阻抗運算放大器，U3采用了集成差分運算放大器，U1、U2、U3構(gòu)成了一個輸入阻抗為1015Q的三運放測量電路；為了增大信號拾取電路的輸入阻抗、加快其響應(yīng)速度、抑制其信號輸出 漂移現(xiàn)象發(fā)生，在一級運放前端和二級運放前端加入了高容抗的交流耦合隔直電容C1、C2、 C3、 C4，其取值應(yīng)與低壓臂電容取值相匹配。另外為了使得差分運算放大器U3的輸出信號 達到微處理芯片U15的最佳處理狀態(tài)，電路中還加入了由運算放大器U4構(gòu)成的同比例運算 放大電路。 對所述的精密整流濾波電路主要將拾取的工頻交流信號整流成直流信號，以便 符合壓頻轉(zhuǎn)換器件輸入信號的要求，主要由運算放大器U5、運算放大器U6和開關(guān)二極管 Dl、開關(guān)二極管D2組成，其中開關(guān)二極管Dl、開關(guān)二極管D2選用反向漏電流較小的鍺開關(guān) 二極管，運算放大器U5、運算放大器U6選用具有高輸入阻抗和低輸入失調(diào)電壓、噪聲小、轉(zhuǎn) 換速率高，適合對小信號條件下電壓/電流信號進行精密整形和放大的運算放大器。該電 路的特點是測量和轉(zhuǎn)換的窗口比較寬，當(dāng)輸入交流信號幅值較小時可以精確地將其轉(zhuǎn)換成 直流信號，當(dāng)輸入交流信號的幅值不超過運放工作電壓的5/6時仍能正常工作。
對所述的壓頻轉(zhuǎn)化電路主要將整流濾波后的模擬信號轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強的 脈沖頻率式數(shù)字信號，其中壓頻轉(zhuǎn)換器采用通用壓頻轉(zhuǎn)換芯片U8及其通用的電阻、電容組 成；其中U8使用了新的溫度補償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4V的電源 電壓下都有極高的轉(zhuǎn)換精度，其頻率轉(zhuǎn)換的最大線性度為0. 01%，輸出滿量程頻率范圍為 1Hz lOOkHz，而且其輸出脈沖與所有邏輯形式兼容。 對所述的聲光報警單元主要包括發(fā)光管D3、喇叭U8和三極管Ql、三極管Q2。聲 光報警單元控制線與微控制器GPI0A1、GPI0A2 口相連。本監(jiān)測裝置設(shè)置在兩種情況下發(fā)出 聲光報警一是真空管真空度超過預(yù)設(shè)值時進行報警，二是真空管真空度在一定時間內(nèi)超 過一定值時進行報警。 對所述的通訊單元RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片Ull經(jīng)過光耦隔離器件U12、 U13、 U14 后，與微控制器U15相連。RS-485接口采用了平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，所以抗共模 干擾能力較強，其最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實際可達3000米，另外RS-485接口在 總線上允許連接多達128個收發(fā)器，即具有多站能力，這樣便可以利用單一的RS-485接口 方便地建立起多臺高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度監(jiān)測設(shè)備網(wǎng)絡(luò)；因RS-485接口具有良好 的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為本監(jiān)測裝置中首選的串 行接口。 對所述的微處理器單元固化了一個真空度監(jiān)測程序，包括初始化程序、頻率信號 采集程序、信號頻率與真空度變化對應(yīng)關(guān)系處理程序、聲光報警程序和通訊程序。頻率信號 采集程序完成了信號的頻率采集計算，信號頻率與真空度變化對應(yīng)關(guān)系處理程序完成了頻 率信號大小與其對應(yīng)真空度變化關(guān)系的處理，聲光報警程序能夠?qū)崿F(xiàn)真空度劣化預(yù)報警功 能，485通訊程序完成了本監(jiān)測裝置與其它監(jiān)測裝置的并網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)共享，微處理器通過 對頻率信號的軟件處理后，可實現(xiàn)分辨率為10—2的真空度在線監(jiān)測。另外為了消除信號調(diào) 理電路所受的隨機性干擾，微處理器在軟件設(shè)計上采取了消除干擾的軟件濾波措施。
權(quán)利要求
一種高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度在線監(jiān)測裝置，包括電容耦合器、電容分壓器、信號拾取電路、精密整流濾波電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、微處理器單元、聲光報警單元和通訊單元，其特征在于電容耦合器是由金屬板I(1)和接地金屬板II(5)構(gòu)成，其間由電容分壓器連接，交流電場信號由電容分壓器低壓臂引出至信號拾取電路，拾取信號通過精密整流濾波處理后，由壓頻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成頻率信號，頻率信號經(jīng)光耦隔離后送至微處理器的捕獲單元，微處理器通過I/O口與聲光報警單元相連接，通過控制總線與通訊單元相連接。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其電容耦合器的金屬板I(l)和金屬板I1(5)間由絕緣子 (4)連接，屏蔽殼與金屬板I1(5)聯(lián)結(jié)，與金屬板I(l)間由絕緣粘合劑聯(lián)結(jié)。
3. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其電容分壓器是由三個同種介質(zhì)的電容串聯(lián)構(gòu)成，一個 高壓臂電容和兩個低壓臂電容，高壓臂電容與金屬板I (1)有電氣連接，兩個低壓臂電容與 高壓臂電容串聯(lián)后與金屬板I1(5)有電氣連接，經(jīng)電容分壓器分壓后的交流電場信號由兩 低壓臂電容引出，引出信號連接至信號拾取電路。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其信號拾取電路是由兩個靜電計級高輸入阻抗運算放大 器Ul、 U2和一個集成差分運算放大器U3構(gòu)成三運放測量電路，在差分運算放大器U3的輸 出端設(shè)置有運算放大器U4構(gòu)成的同比例運算電路，運算放大器U4的輸出信號進入精密整 流濾波電路。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其精密整流濾波電路由運算放大器U5、運算放大器U6、開 關(guān)二級管D1、開關(guān)二級管D2和電阻電容構(gòu)成，其輸出信號進入壓頻轉(zhuǎn)換電路。
6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其壓頻轉(zhuǎn)換電路是由壓頻轉(zhuǎn)換芯片U7和電阻電容構(gòu)成， 其轉(zhuǎn)換后的頻率信號經(jīng)過光耦隔離后送至微處理器的捕獲單元。
7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其微處理器單元是由處理器芯片U15及其外圍電路構(gòu)成， 微處理器芯片通過I/O 口與聲光報警單元連接，通過控制總線與通訊單元連接。
8. —種用于權(quán)利要求1所述的高壓配電裝置真空管真空度在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法， 該方法是通過監(jiān)測真空管屏蔽罩交流電位的變化來監(jiān)測真空度的變化的。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其實施監(jiān)測時金屬板I(1)緊靠真空管壁，金屬板I1(5) 與信號調(diào)理電路的電源地相連接后通過配電裝置的金屬外殼接地；兩塊金屬板構(gòu)成的電容 耦合器實現(xiàn)交流電場信號的耦合作用，耦合電場信號由電容分壓器分壓后，得到一個與屏 蔽罩交流靜電電位大小呈正比的交流電壓信號，該信號由電容分壓器兩低壓臂電容引出， 經(jīng)高輸入阻抗的信號拾取電路拾取，拾取信號通過精密整流濾波電路處理后進入壓頻轉(zhuǎn)換 電路，壓頻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為頻率信號，由此得到與屏蔽罩電位大小呈正比的頻率信號， 頻率信號經(jīng)光耦隔離后進入微處理器的捕獲單元，微處理器利用其存儲器內(nèi)部固化的程序 完成信號的頻率計算及其對應(yīng)真空度的關(guān)系處理，裝置中的微處理器通過對頻率信號的軟 件處理后，實現(xiàn)分辨率為10—2的真空度在線監(jiān)測。
全文摘要
一種高壓配電裝置內(nèi)真空管真空度在線監(jiān)測裝置及其方法，裝置中電容耦合器完成交流電場信號的耦合，耦合電場信號由電容分壓器低壓臂引出至信號拾取電路，拾取信號整流濾波處理后，通過壓頻轉(zhuǎn)換電路變成頻率信號，頻率信號經(jīng)光耦隔離后傳送至微處理器單元。微處理器對采集到的信號進行軟件處理和分析，從而實現(xiàn)分辨率為10-2的真空度在線監(jiān)測功能，聲光報警單元實現(xiàn)真空度劣化預(yù)報警功能，通訊單元支持本監(jiān)測系統(tǒng)與其它監(jiān)測系統(tǒng)并網(wǎng)集成連接，方便數(shù)據(jù)的集中處理、分析和共享。該裝置通過監(jiān)測真空管屏蔽罩交流電位的變化來監(jiān)測真空度的變化，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，克服了pockels等光電探頭的晶體元件溫度不穩(wěn)定的不足，測量可靠、便于安裝，是一種功能比較完備的實時監(jiān)測裝置。
文檔編號G01L21/00GK101762355SQ20091026397
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者孫范園, 宋建成, 張國棟, 田慕琴, 許春雨, 郭安林 申請人:太原理工大學(xué)