專利名稱：一種反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力系統信息化、自動化領域中反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置。
背景技術：
目前，真空開關在電力系統和其他領域都具有廣泛的應用，其滅弧室(圖1)內部 真空度是保證其操作性能的重要條件。目前對真空滅弧室內部真空度的測量主要還只限于 離線測量，離線測量操作復雜，且測量后需重新調整開關的某些機械參數，故工作量較大， 因此近年來，人們一直在探索真空開關真空度在線監測的實現方法，并且已經提出了一些 具體的技術方案，主要有采用旋轉式電場探頭的屏蔽罩電位法、光電變換法、耦合電容法和 冷陰極磁控放電法等，但是由于每種方案都存在一些固有的缺陷，使得對真空開關的真空 度進行在線監測的技術目前還尚未達到實際應用的程度。屏蔽罩電位法采用一種硅酸鉍(BSO)晶體元件測量滅弧室屏蔽罩電位由于真空 度降低而產生的變化。由于滅弧室屏蔽罩電位只有當真空度下降到接近IPa時才有明顯的 變化，所以該方法存在量程不足的問題(滅弧室開斷能力在KT1 10_2Pa已開始有明顯下 降)。此外，晶體元件的溫度穩定性差、造價高以及三相滅弧室電場不均勻對測量的干擾等 原因也增加了此種測量方法應用難度。波紋管位移法是在真空滅弧室的靜端加焊一只波紋管連通滅弧室內腔，利用真空 度降低引起波紋管自閉力的變化推得管內真空度。此種方法的測量范圍(IOOOPa以上才有 明顯指示)遠在真空開關管的安全運行范圍(0. IPa以下壓強)以外，且其測量精度易受大 氣壓力的影響，使其并不適用于真空開關真空度的在線測量。現有冷陰極磁控放電法利用單相對地電壓作為測量時放電所需的高壓電源，故僅 能用于IOkV電壓等級的真空開關，并且存在絕緣隱患。另外，真空開關運行期間一直存在 放電過程也會使放電部分過熱損壞從而影響測量結果，因此此種方法實際上并不具有實用 價值。
實用新型內容本實用新型的目的是發明一種反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測 裝置，其具有檢測方便、量程范圍廣，并具有實用推廣價值。一種反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其中其包括用于分 別對應集成在真空開關三個真空滅弧室靜導電桿末端的三個放電規管、真空度傳感單元、 數據接收單元，其中，各放電規管放電空間通過真空開關對應真空滅弧室靜導電桿內的排 氣管連通相應真空滅弧室內腔；所述真空度傳感單元包括微處理器、脈沖高壓發生電路、信 號處理電路和通訊接口電路，其中，脈沖高壓發生電路的高壓脈沖輸出端兩端子分別用于 連接真空開關中各真空滅弧室靜導電桿相應放電規管的陽極、陰極，信號處理電路的信號 輸入端用于接收放電規管陰極、陽極之間的放電電流信號，信號處理電路的信號輸出端連接所述微處理器的信號輸入端，微處理器的信號輸出端分別對應連接脈沖高壓發生電路的 信號輸入端、通訊接口電路的輸入端，通訊接口電路的輸出端通過光纖連接數據接收單元 的信號輸入端。所述的反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其中所述的真空 度傳感單元還包括有喚醒電路，該喚醒電路的信號輸出端連接所述微處理器的信號輸入端。所述的反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其中所述的脈沖 高壓發生電路包括D/A轉換器、集成脈寬調制控制器、兩個功率管、變壓器，所述微處理器 的信號輸出端連接D/A轉換器的數字信號輸入端，D/A轉換器的模擬信號輸出端連接集成 脈寬調制控制器的誤差比較同相信號輸入端，集成脈寬調制控制器的誤差比較器的反相信 號輸入端接地，集成脈寬調制控制器的信號輸出端分別連接兩個功率管的柵極，兩個功率 管的集電極與變壓器的初級繞組接成推挽工作方式，所述變壓器的次級繞組輸出端通過倍 壓整流電路連接所述放電規管的陽、陰極。本實用新型采用上述技術方案將達到如下的技術效果本實用新型中的真空度傳感單元中的脈沖高壓發生電路輸出的高壓脈沖信號輸 送到位于真空滅弧室靜導電桿末端的反磁控冷陰極放電規管的陽極、陰極，通過信號處理 電路來檢測所述放電規管的電流信號，信號處理電路將檢測到的放電電流信號處理后輸送 到微處理器的一個輸入端進行A/D轉換；真空度傳感單元的電路中還設置有喚醒電路，在 設定時間到達時，對微處理器輸送一個低電平喚醒信號，再由微處理器控制脈沖高壓發生 電路對放電規管的放電電極輸送高壓脈沖；所述的真空度傳感單元還設置有通訊接口，通 過通訊接口使微處理器的數據傳送至數據接收單元。本實用新型的反磁控冷陰極脈沖放電 真空開關真空度在線監測裝置，進行實際應用后，對任何一個電壓等級的真空開關都能夠 準確檢測，檢測過程簡便、快捷，具有很強的實用推廣性。
圖1為真空開關中真空滅弧室的結構圖；圖2為位于真空滅弧室靜導電桿末端的反磁控放電規管電極和永久磁鐵安配示 意圖；圖3為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置的整體 結構圖圖4為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置中真空 度傳感單元的結構原理圖；圖5為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置的真空 度傳感單元中脈沖高壓發生電路的電路原理圖；圖6為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置的真空 度傳感單元中信號處理電路的電路原理圖；圖7為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置中喚醒 電路的結構圖。
具體實施方式
本實用新型提供了一種反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，主要由分別對應集成在真空開關三個真空滅弧室靜導電桿末端的三個放電規管、真空度傳感 單元、數據接收單元組成。圖1為真空滅弧室的結構圖，其中標號1為靜導電桿，標號2為滅弧室外殼，標號 3為開關觸頭，標號4為波紋管，標號5為主屏蔽罩，標號6為支撐屏蔽罩的瓷柱，標號7為 波紋管屏蔽罩，標號8為排氣管，標號9為動導電桿，標號10為排氣管密封帽，真空滅弧室 結構為現有公知技術，這里不再贅述。圖2為放電規管的結構圖，放電規管利用真空滅弧室靜導電桿1內部的排氣管8， 在排氣管8末端部分的軸線上放置一放電電極11，末端以陶瓷密封12密封，且放電電極11 從陶瓷密封12中引出作為放電規管陽極，靜導電桿1本體作為放電規管的陰極，排氣管8 的末端部分外套一環形釹鐵硼永久磁鐵13，構成一個反磁控冷陰極放電規管。由于各電壓 等級真空滅弧室均具有上述的排氣管結構，因此此放電規管均可按圖2結構與各電壓等級 真空滅弧室集成，故本實用新型的反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置適 用于各電壓等級真空開關。本實用新型中的真空度測量所依據的基本原理是利用放電產生的離子電流來測 量真空滅弧室內部的真空度。放電過程在放電規管內部軸向磁場(由圖2中釹鐵硼永久磁 鐵提供)和徑向電場(由真空度傳感單元的脈沖高壓電路部分提供)作用下進行，由于放 電空間通過排氣管連通滅弧室內腔，因此放電空間的壓強與滅弧室內部壓強相同，故測得 的壓強即為真空滅弧室內部壓強。真空度傳感單元是一個獨立工作單元，主要功能是控制上述冷陰極放電規管 (IMG)的放電過程，測量放電電流，計算真空開關管內部真空度，并將測量結果經光纖通訊 接口傳送至接收單元進行顯示。圖3為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度 在線監測裝置的總體結構圖，真空開關的三個真空滅弧室Sa、Sb、Sc分別由真空度傳感單 元16、17、18進行監測，真空度傳感單元16、17、18的輸出數據分別通過各自的通訊接口電 路傳輸給數據接收單元。圖4為本實用新型反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置中真空 度傳感單元的結構原理圖，所述真空度傳感單元包括微處理器(本實施例中選用帶有A/ D轉換功能的數據處理芯片PIC16F873)、脈沖高壓發生電路、信號處理電路、喚醒電路，其 中，脈沖高壓發生電路的脈沖高壓信號輸出端兩端子分別用于連接反磁控冷陰極脈沖放電 規管的陽極、陰極，信號處理電路的信號輸入端用于連接所述反磁控冷陰極放電規管放電 電流的取樣電阻(取樣電阻用于電連接相應放電規管所連接的真空滅弧室中靜導電桿的 外壁)，信號處理電路的信號輸出端連接所述微處理器的信號輸入端，微處理器的信號輸出 端連接脈沖高壓發生電路的信號輸入端；喚醒電路的信號輸出端連接微處理器的信號輸入 端；如圖7所示的喚醒電路結構圖，喚醒電路由集成定時電路(可選X1205)和手動喚醒按 鈕ST組成，手動喚醒按鈕連接定時集成電路芯片的輸出端IRQ上，定時時間到后自動發出 (也可以由手動按鈕手動發出)喚醒信號給微處理器；微處理器的輸出端還連接通訊接口 電路輸入端，本實施例中通訊接口電路采用光纖通訊模塊，可將測量結果經光纖傳送至數 據接收單元，數據接收單元接收到測量數據后進行就地顯示，同時也可將數據再經數據接收單元的網絡接口上傳至變電站的主機。數據接收單元的實現方式為常規技術，不再累述。所述的脈沖高壓發生電路如圖5所示，包括D/A轉換器、集成脈寬調制控制器U2、 兩個MOS功率管M0S1、M0S2、變壓器Tl，所述微處理器CPU的信號輸出端連接D/A轉換器的 數字信號輸入端，D/A轉換器的模擬信號輸出端連接集成脈寬調制控制器U2的誤差比較同 相信號輸入端，集成脈寬調制控制器U2的誤差比較器的反相信號輸入端接地，集成脈寬調 制控制器U2的信號輸出端分別連接兩個MOS功率管M0S1、M0S2的柵極，兩個MOS功率管 MOSU M0S2的集電極與變壓器Tl的初級繞組接成推挽工作方式，所述變壓器Tl的次級繞 組輸出端輸出信號經高壓硅堆Dl、D2、電容Cl、C2構成的倍壓整流電路倍壓整流處理后加 載在所述放電規管的陽、陰極。平時真空度傳感單元處于睡眠模式，各部分均不工作，當定時電路芯片發出喚醒 信號(定時電路X1205發出一低電平脈沖信號)給微處理器(芯片PIC16F873的1腳) 時，微處理器被喚醒，從其11腳輸出一個高電平激活脈沖高壓發生電路產生一脈沖直流 高壓加在放電規管的電極使其產生放電，該脈沖直流高壓的大小可由微處理器(芯片 PIC16F873的21腳)控制D/A轉換器(D/A轉換器可選AD5300)進行調整。放電電流由2k 的電阻R取樣后送入信號處理電路進行放大，放大倍數可由微處理器在1、10、100和1000 之間進行選擇，倍數放大電路分別由90K、9K、900、100 Ω的電阻Rl 1、Rl2、Rl3、R14連接在信 號放大電路中的運算放大器ICl的輸出端與其反相輸入端之間，電阻R11、R12、R13、R14分 別與常開接點K1、K2、K3、K4 一一對應串聯，四個串聯電路相并聯后連接在信號放大電路中 的運算放大器ICl的輸出端與其反相輸入端之間，如圖6所示，常開接點ΚΙ、Κ2、Κ3、Κ4的 通斷由微處理器控制，分別接于微處理器PIC16F873的25、26、27、28引腳上，放大以后的信 號再送入微處理器(芯片PIC16F873的輸入引腳2腳)進行測量。脈沖高壓發生電路輸出 的高壓由電阻Rl和R2(見圖6所示)分壓后也送入微處理器(芯片PIC16F873的輸入引 腳3腳)進行測量。上述測量結果最后由微處理器(芯片PIC16F873的輸出引腳17腳) 送到光纖接口電路通過光纖傳輸給數據接收單元。接收單元把接收數據進行處理后進行顯 示或通過網絡傳輸到上位計算機，此部分功能的實現為常規技術，不再累述。真空度傳感單元的電路部分采用高能電池(鋰亞硫酰氯電池)作為電源，由微處 理器控制上述脈沖高壓發生電路將電池電壓經過升壓變換獲得冷陰極放電規管放電所需 的脈沖高壓電源，脈沖高壓發生電路的主要功能是把電池電壓(5 7. 2V)利用DC/DC變換 電路變換成2 5Kv(千伏)的可調脈沖高壓作為反磁控放電規管的工作電源。圖5中微 處理器通過D/A轉換器(可選AD5300)控制集成脈寬調制控制器U2 (可選SG3525)的誤差 比較器同相輸入端的電壓來改變其輸出脈沖的占空比從而控制高壓輸出Vo的幅度。圖5 中對高頻變壓器的輸出采用二倍壓整流。電路中集成脈寬調制控制器U2的工作電源(不 低于12V)由電池電壓經一可關斷變換電路Ul (可選TPS6734)得到，測量過程結束后，此電 路被關閉(由微處理器即圖中的CPU的輸出引腳把圖4中的端子Kl置成低電平可關閉變 換電路Ul)，集成脈寬調制控制器U2的工作電源被切斷，以減少整個電路的功耗。放電電流經過信號處理電路(如圖6)轉換為電壓信號送入微處理器(芯片 PIC16F873第2腳)進行A/D轉換。其中電阻R為放電電流的取樣電阻，阻值2k，取樣后得 到的電壓信號送入信號處理電路的放大器ICl (可選放大器0PA334)同相端進行放大，放大 倍數由微處理器輸出引腳(PIC16F873第25、26、27、28引腳引腳分別對應K1、K2、K3、K4)控制(根據信號大小在1、10、100和1000進行選擇)，放大后送入微處理器輸入引腳進行測量。所說的脈沖放電測量模式的工作如下為減少功耗，整個真空度傳感單元的電路部分平時處于睡眠模式，其喚醒可以通 過內部的定時電路或按下喚醒按鈕(圖7中的ST，此按鈕主要用于在離線狀態下測量滅弧 室真空度)來實現。電路被喚醒以后微處理器將根據有無歷史數據進行不同的操作。若沒 有歷史數據，則傳感器為首次運行，此時傳感器中的微處理器將首先控制脈沖高壓發生電 路產生一個2000V電壓加在反磁控管的陽極，然后檢測放電電流，若放電電流大于0. 2mA, 則進入恒流放電模式(放電電流恒定在0. 2mA)，反之則進入恒壓模式(恒定電壓值為 2000V)。若恒壓模式中在指定時間內未測到放電電流，則增大放電電壓，直到測到放電電 流。若有歷史數據，則直接根據歷史數據進入不同的放電模式。在正常的測量過程中，微處 理器還可以根據實際放電電流的變化使反磁控放電規管工作在合適的放電模式，并在各放 電模式之間進行必要的切換。最后把測量的結果通過光纖傳送給接收單元。數據接收單元還可具有485等網絡接口，該單元對接收到的真空度數據加以整 理，可就地顯示或經485接口傳送到變電站主機。項目產品主要應用范圍為各種電壓等級的真空開關。該監測系統安裝調試非常方便，且不影響系統絕緣，其測量范圍完全覆蓋了真空 滅弧室的臨界真空度KT1Pa,能夠滿足真空開關真空度在線監測的需要。該系統對真空開 關的正常操作沒有任何不利影響，采用該系統能夠使真空開關真空度的在線監測達到實用 化。目前尚未見過此類報到，在國際上處于領先水平。使上述冷陰極放電規管工作在脈沖放電模式，對真空滅弧室內的真空度進行在線 測量，此種反磁控真空規的脈沖放電模式的真空度測量范圍完全能夠滿足真空開關真空度 在線監測的需要。由于整個傳感器電路工作于低功耗狀態，一次更換電池就可以使其具有 將近十年的工作壽命。從而能夠在真空開關的運行中實現管內真空度的在線監測，并且對 真空開關的正常運行無任何不良影響。
權利要求一種反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其特征在于其包括用于分別對應集成在真空開關三個真空滅弧室靜導電桿末端的三個放電規管、真空度傳感單元、數據接收單元，其中，各放電規管放電空間通過真空開關對應真空滅弧室靜導電桿內的排氣管連通相應真空滅弧室內腔；所述真空度傳感單元包括微處理器、脈沖高壓發生電路、信號處理電路和通訊接口電路，其中，脈沖高壓發生電路的高壓脈沖輸出端兩端子分別用于連接真空開關中各真空滅弧室靜導電桿相應放電規管的陽極、陰極，信號處理電路的信號輸入端用于接收放電規管陰極、陽極之間的放電電流，信號處理電路的信號輸出端連接所述微處理器的信號輸入端，微處理器的信號輸出端分別對應連接脈沖高壓發生電路的信號輸入端、通訊接口電路的輸入端，通訊接口電路的輸出端連接數據接收單元的信號輸入端。
2 如權利要求1所述的反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其特征 在于所述的真空度傳感單元還包括有喚醒電路，該喚醒電路的信號輸出端連接所述微處 理器的信號輸入端。
3.如權利要求1或2所述的反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其 特征在于所述的脈沖高壓發生電路包括D/A轉換器、集成脈寬調制控制器、兩個功率管、 變壓器，所述微處理器的信號輸出端連接D/A轉換器的數字信號輸入端，D/A轉換器的模擬 信號輸出端連接集成脈寬調制控制器的誤差比較同相信號輸入端，集成脈寬調制控制器的 誤差比較器的反相信號輸入端接地，集成脈寬調制控制器的信號輸出端分別連接兩個功率 管的柵極，兩個功率管的集電極與變壓器的初級繞組接成推挽工作方式，所述變壓器的次 級繞組輸出端通過倍壓整流電路連接所述放電規管的陽、陰極。
專利摘要一種反磁控冷陰極脈沖放電真空開關真空度在線監測裝置，其包括放電規管、真空度傳感單元、數據接收單元，其中，放電規管放電空間通過真空開關對應真空滅弧室靜導電桿內的排氣管連通相應真空滅弧室內腔；真空度傳感單元包括微處理器、脈沖高壓發生電路、信號處理電路和通訊接口電路，脈沖高壓發生電路的高壓脈沖輸出端兩端子分別用于連接真空開關中各真空滅弧室靜導電桿相應放電規管的陽極、陰極，信號處理電路的信號輸入端用于接收放電規管放電電流，信號處理電路的信號輸出端連接所述微處理器的信號輸入端，微處理器的信號輸出端分別對應連接脈沖高壓發生電路的信號輸入端，通訊接口電路輸入端，通訊接口電路輸出端與數據接收單元相連。
文檔編號G01L21/30GK201569538SQ200920088938
公開日2010年9月1日 申請日期2009年3月19日 優先權日2009年3月19日
發明者張丹, 張茂, 毛慧勇, 王毅 申請人:河南省泓鉆科技發展有限公司