基于DSP2812开关柜真空管真空度在线监测装置的研究
通过研究提出了一种通过测量屏蔽罩的交流电位，即屏蔽罩上积聚的静电荷数量，来检测灭弧室真空度的新方法。研制了电容分压器式的电场探头测试静电荷产生的交流电场。该装置通过监测真空管屏蔽罩交流电位的变化来监测真空度的变化，结构简单、成本较低，克服了pockels 等光电探头的晶体元件温度不稳定的不足，测量可靠、便于安装，是一种功能比较完备的实时在线监测装置。
一直以来，变电站高压配电室中的高压开关柜内真空开关由于真空管真空度劣化导致绝缘水平下降而引发的开关爆炸事故时有发生，不仅造成电网的事故停电而且对变电站巡检人员构成生命威胁，为此采用交流耐压法对真空开关真空管真空度进行检测，该方法可作为真空开关真空度是否符合有关标准规定的直接判据，但只能提供一个粗略判定，不能判断真空度变化趋势，更无法对带电状态下的真空开关设备进行真空度在线监测。
脉冲磁控放电法是目前真空开关真空度检测仪中普遍采用的方法，该方法精度高、重复性较好，但是该方法是一种离线检测方法，检测时需要开关退出运行转为检修状态时才能实施。采用基于冷阴极磁控放电法的监测装置对真空管真空度进行检测，可以对真空度变化情况实现实时在线监测，但实施监测时需要在灭弧室静触头端密封盖板上加装一个微型的真空度传感器，对真空开关灭弧室重新进行改造，因此，该装置不能够对现场已经投入运行的高压开关柜内真空开关真空度进行在线监测。
真空开关真空度在线监测前提是在开关带电状态且不改动开关主体结构的情况下，无论其处在运行或热备用状态都能够实时监测其真空度变化情况。光电变换法是能够满足这种要求的一种监测方法，但构成其光电探头的光电晶体传感元件热稳定性较低，难以适应开关柜内温升变化，同时，与该电场探头配套光电信号转换设备成本较高，难于大面积推广。
本文针对电流热效应等原因引起的高压开关柜内温度比较高的情况，尤其是在电网高峰负荷时段，开关柜内部温度要比变电站高压配电室室内温度高出很多，现有能满足高压开关柜内真空开关真空度在线监测要求的监测设备存在热稳定性差，成本费用高等问题，提供一种了温度稳定性高、造价较低的在线监测装置。
1、真空度测量原理模拟实验
设计了一套模拟高压开关柜内真空管运行环境的试验系统如图1 所示。
图1 真空度监测实验系统图
该系统可以控制模拟真空管内真空度的变化，主要包括真空校准系统、真空管运行环境、真空计、调压系统。真空校准系统采用两级真空泵构成，利用真空泵可以将灭弧室抽到正常运行时的真空度，此外，真空腔内的真空度可通过调节阀微量地调节；调压系统可以改变加在真空管动静触头之间的电压。实验时将本真空监测装置直接贴在真空管的外壁上，调节并保持真空管动静触头两端电压，通过调节阀改变真空管真空度的同时，利用本真空度在线监测装置对真空管真空度进行监测实验。
2、监测装置硬件设计
2.1、监测装置组成及工作原理
高压开关柜内真空管真空度在线监测装置，包括电容耦合器、电容分压器、信号拾取电路、精密整流滤波电路、压频转换电路、微处理器单元、声光报警单元和通讯单元。电容耦合器是由两块高磁导率相同金属的金属板构成，其间由同种介质电容构成的电容分压器连接，交流电场信号由电容分压器低压臂通过双绞线引出至信号拾取电路，拾取信号经信号线传输至精密整流滤波电路，经整流滤波处理后传送至压频转换电路，由压频转换电路将整流滤波后的信号转换成频率信号，频率信号经光耦隔离后送至微处理器的捕获单元，微处理器通过I/O口与声光报警单元相连接，通过控制总线与通讯单元相连接。
图2 监测装置高压端模块框图
在上述装置中，电容耦合器的两块金属板之间由绝缘子支撑固定，其距离长短可根据开关柜内具体空间大小而定，电容耦合器的作用是耦合高压开关屏蔽罩空间静电感应电场信号，电容分压器是由3个同种介质的高容抗电容串联构成，包括1个高压臂电容和2个低压臂电容，靠近真空管管壁的为高压臂电容，高压臂电容与金属板之间有电气连接，两个低压臂电容与高压臂电容串联后与另1块金属板之间有电气连接，经电容分压器分压后的交流电场信号与屏蔽罩交流静电电位大小呈正比，该信号由两低压臂电容经双绞线引出，引出信号连接至信号拾取电路，信号拾取电路经整流滤波和压频转换后连接至微处理器，该装置微处理器采用了DSP2812来完成信号的处理分析。
2.2、信号拾取电路设计
本装置中信号拾取电路的主要作用是拾取电容分压器的取样电压信号，将电容分压器分压保持的耦合电压信号无失真性地获取，并完成分压耦合电压信号与后续信号调理电路之间衔接。一般情况下，信号测量电路从高容抗的电容分压器中取样出来的交流电压信号是一个零点不断发生漂移的不稳定信号，不经过特殊的信号拾取电路无法将其无失真地拾取，针对此，在研究电容分压器低压臂信号特点的基础，设计了高输入阻抗的信号拾取电路；该电路的特点是输入阻抗大，可抑制共模干扰信号，从而有效防止输出信号发生信号漂移现象，其电路计如图3所示。U1、U2、U3构成了1个三运放信号测量放大电路；设计中为增大电路的交流输入阻抗、加快其交流响应速度、滤除拾取信号中的直流分量，在一级运放前端和二级运放前端加入了高容抗的交流耦合隔直电容C1、C2、C3、C4，电容取值应与低压臂电容取值相匹配。另外，为了使得差分运算放大器U3的输出信号达到微处理芯片的最佳处理状态，电路中还加入了由运算放大器U4构成的同比例运算放大电路。
图3 信号拾取电路
图中运算放大器U1、U2 选取高输入阻抗芯片OPA128，放大器U3 选择芯片IN105，放大器U4 选取芯片CA3140 来实现其功能，其中芯片IN105 具有差分放大功能，其内部集成了4 个等值的精密电阻，从而保证了差分放大时差模干共信号地有效滤除，IN105 内部电路图如图4 所示。
图4 IN105 内部结构图
实验中，将5 管脚与6 管脚相连，构成一个减法运算的差分电路。设Uout 为6 管脚输出电压，u2 为2管脚输入电压，u3 为3 管脚输入电压，四个电阻阻值相等，分别记为R6、R7、R8、R9 可得Uout 为
从而可以得到图3 运算放大器U3 输出电压，设图3 中运算放大器U1 输入电压为U1、输出电压为Uo1，运算放大器U2 输入电压为U2、输出电压为Uo2，运算放大器U3 输出电压为U3，运算放大器U4 输出电压为即整个电路的输出为Uo。在第一级电路中，输入电压U1、U2 分别加到运算放大器U1 和U2 的同相端，R1、R2 和R3 组成的反馈网络引入了深度电压串联负反馈，两个运算放大器U1、U2 的输入端形成虚短和虚断，因而有
根据式(1)的关系可得
图3 中U4 构成同比例运算电路，由“虚短”和“虚断”的概念得集成运放U4 的输出电压为
调节R5 的阻值可以实现不同的输出电压。
2.3、精密整流滤波电路设计
由于从电容分压器取样出来的信号是工频的交流电压信号，而压频转换芯片一般是将单极性的直流信号转换为频率信号的，无法将工频交流信号转换为数字脉冲形式的频率信号，针对此在压频转换器前端设计了精密整流滤波电路，其作用主要将拾取的工频交流信号整流成直流信号，以便符合压频转换器件输入信号的要求，其电路设计如图5所示。
图5 精密整流滤波电路
图中D1、D2 选用反向漏电流较小的锗开关二极管， U5、U6 选用具有高输入阻抗和低输入失调电压、噪声小、转换速率高，适合对小信号条件下电压/电流信号进行精密整形和放大的运算放大器。
2.4、压频转化电路设计
高压开关柜内，空间较小，电磁干扰严重，加上本方法中从电容分压器拾取的屏蔽罩电位信号较为微弱，为了增强监测装置的抗干扰性，特将整流滤波后的直流模拟信号转换为抗干扰能力强的脉冲频率式数字信号，其压频转化电路设计如图6 所示。其中U7采用LM331，该芯片输出满量程频率范围为：1Hz～100kHz，而且其输出脉冲与所有逻辑形式兼容。
图6 压频转化电路
2.5、报警电路的设计
利用低压端微处理器DSP 的GPIOD0 给声光报警器提供一个低电平可使声光报警器发出声光报警。报警电流可在真空开关真空度不满足设置要求时进行报警，从而为现场工作人员提供信号提示，便于变电站巡视人员在真空开关真空度劣化前发现其缺陷。
图7 报警电路
DSP 的I⁄O 管脚输出电平是3.3V，蜂鸣器的驱动电压是5V，因此，在用DSP 的I/O 管脚对蜂鸣器进行控制之前应该先进行电平转换，另外为了满足蜂鸣器的驱动电流，在电路设计中加入了NPN 的三极管来作为蜂鸣器的功率驱动。
3、监测装置的软件设计
系统软件由初始化程序、频率信号采集程序、信号频率与真空度变化对应关系处理程序、声光报警程序和通信程序组成。频率信号采集程序完成了信号的频率采集计算，信号频率与真空度变化对应关系处理程序完成了频率信号大小与其对应真空度变化关系的处理，声光报警程序能够实现真空度劣化预报警功能，485 通信程序完成了本监测装置与其他监测装置的并网连接和数据共享，微处理器通过对频率信号的软件处理后，可实现分辨率为10-2的真空度在线监测。
频率信号的采集采用DSP2812 捕获口CAP2 来实现，上升沿捕获。设置EVA 的T1 为连续增计数方式，二分频，写0xFFFF 到周期寄存器TIPR 以使两次捕获的计数值之差尽可能大。
进入捕获中断子程序后，首先清CAP2 中断标志位，从2 级深度FIFO 中依次读出两次捕获的计数值num 1 和num2。进而可得在被测频率的一个周期内定时器T1 的周期数数N，则被测频率为fx=fs/N。(fs为DSP主频150MHz 经高速预分频后为75MHz，再经T1 预设分频，选2 分频，75M/2=37500000)。
4、实验结果及其分析
真空度监测装置实验主要完成了信号拾取电路、精密整流滤波电路及不同真空度时，真空度传感器信号采集情况的调试。
图8 为电容分压器低压臂的原始信号，该信号是一个频率为50Hz 的不规则波形；图9 为信号拾取电路的输出波形，由波形图可知，该电路不但可以较好地拾取分压电容器低压臂电压波形信号而且具有滤除干扰信号的功能，电路经长时间运行证明信号拾取电路的输出稳定，能够稳定、准确的反映电容分压器低压臂交流电场信号的变化情况；图10为精密整流滤波电路的输出波形，由实验波形可知，精密整流滤波电路的输出能够较准确地反映信号拾取电路输出波形的峰值，图11 为压频转换电路的输出波形，以数字脉冲形式传输增强了信号的抗干扰能力。
另外为检验传感器性能和分辨率，实验室利用真空度实验系统模拟同一管型同一电压情况下不同真空度的真空管，将之作为监测对象，进行了对比实验，分别进行了真空度为1.1×10-1Pa 及6.1×10-1Pa时的实验。图12 的(a)和(b)为在这2 种真空度情况得到的实验波形，由图12 的(a)中输出的脉冲波频率为1.031kHz，(b) 输出的脉冲频率为1.429kHz，得知该真空度在线监测装置可分辨的真空度变化量为10-1Pa。
5、结论
本装置采用电容分压器式电场探头来监测真空管内屏蔽罩上交流电位，很好地解决了现有监测装置热稳定性差的问题。装置结构简单小巧、安装方便、成本较低、有较好的抗干扰能力。基于DSP2812 的真空度在线监测装置不仅适用于变电站高压配电室结构紧凑的10kV 或35kV 高压开关柜，也可应用于其它高电压等级的真空开关，具有较广泛的应用价值。
