CN201569538U - 一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其包括放电规管、真空度传感单元、数据接收单元，其中，放电规管放电空间通过真空开关对应真空灭弧室静导电杆内的排气管连通相应真空灭弧室内腔；真空度传感单元包括微处理器、脉冲高压发生电路、信号处理电路和通讯接口电路，脉冲高压发生电路的高压脉冲输出端两端子分别用于连接真空开关中各真空灭弧室静导电杆相应放电规管的阳极、阴极，信号处理电路的信号输入端用于接收放电规管放电电流，信号处理电路的信号输出端连接所述微处理器的信号输入端，微处理器的信号输出端分别对应连接脉冲高压发生电路的信号输入端，通讯接口电路输入端，通讯接口电路输出端与数据接收单元相连。

Description

一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统信息化、自动化领域中反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置。

背景技术

目前，真空开关在电力系统和其他领域都具有广泛的应用，其灭弧室(图1)内部真空度是保证其操作性能的重要条件。目前对真空灭弧室内部真空度的测量主要还只限于离线测量，离线测量操作复杂，且测量后需重新调整开关的某些机械参数，故工作量较大，因此近年来，人们一直在探索真空开关真空度在线监测的实现方法，并且已经提出了一些具体的技术方案，主要有采用旋转式电场探头的屏蔽罩电位法、光电变换法、耦合电容法和冷阴极磁控放电法等，但是由于每种方案都存在一些固有的缺陷，使得对真空开关的真空度进行在线监测的技术目前还尚未达到实际应用的程度。

屏蔽罩电位法采用一种硅酸铋(BSO)晶体元件测量灭弧室屏蔽罩电位由于真空度降低而产生的变化。由于灭弧室屏蔽罩电位只有当真空度下降到接近1Pa时才有明显的变化，所以该方法存在量程不足的问题(灭弧室开断能力在10^-1～10^-2Pa已开始有明显下降)。此外，晶体元件的温度稳定性差、造价高以及三相灭弧室电场不均匀对测量的干扰等原因也增加了此种测量方法应用难度。

波纹管位移法是在真空灭弧室的静端加焊一只波纹管连通灭弧室内腔，利用真空度降低引起波纹管自闭力的变化推得管内真空度。此种方法的测量范围(1000Pa以上才有明显指示)远在真空开关管的安全运行范围(0.1Pa以下压强)以外，且其测量精度易受大气压力的影响，使其并不适用于真空开关真空度的在线测量。

现有冷阴极磁控放电法利用单相对地电压作为测量时放电所需的高压电源，故仅能用于10kV电压等级的真空开关，并且存在绝缘隐患。另外，真空开关运行期间一直存在放电过程也会使放电部分过热损坏从而影响测量结果，因此此种方法实际上并不具有实用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的是发明一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其具有检测方便、量程范围广，并具有实用推广价值。

一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其中：其包括用于分别对应集成在真空开关三个真空灭弧室静导电杆末端的三个放电规管、真空度传感单元、数据接收单元，其中，各放电规管放电空间通过真空开关对应真空灭弧室静导电杆内的排气管连通相应真空灭弧室内腔；所述真空度传感单元包括微处理器、脉冲高压发生电路、信号处理电路和通讯接口电路，其中，脉冲高压发生电路的高压脉冲输出端两端子分别用于连接真空开关中各真空灭弧室静导电杆相应放电规管的阳极、阴极，信号处理电路的信号输入端用于接收放电规管阴极、阳极之间的放电电流信号，信号处理电路的信号输出端连接所述微处理器的信号输入端，微处理器的信号输出端分别对应连接脉冲高压发生电路的信号输入端、通讯接口电路的输入端，通讯接口电路的输出端通过光纤连接数据接收单元的信号输入端。

所述的反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其中：所述的真空度传感单元还包括有唤醒电路，该唤醒电路的信号输出端连接所述微处理器的信号输入端。

所述的反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其中：所述的脉冲高压发生电路包括D/A转换器、集成脉宽调制控制器、两个功率管、变压器，所述微处理器的信号输出端连接D/A转换器的数字信号输入端，D/A转换器的模拟信号输出端连接集成脉宽调制控制器的误差比较同相信号输入端，集成脉宽调制控制器的误差比较器的反相信号输入端接地，集成脉宽调制控制器的信号输出端分别连接两个功率管的栅极，两个功率管的集电极与变压器的初级绕组接成推挽工作方式，所述变压器的次级绕组输出端通过倍压整流电路连接所述放电规管的阳、阴极。

本实用新型采用上述技术方案将达到如下的技术效果：

本实用新型中的真空度传感单元中的脉冲高压发生电路输出的高压脉冲信号输送到位于真空灭弧室静导电杆末端的反磁控冷阴极放电规管的阳极、阴极，通过信号处理电路来检测所述放电规管的电流信号，信号处理电路将检测到的放电电流信号处理后输送到微处理器的一个输入端进行A/D转换；真空度传感单元的电路中还设置有唤醒电路，在设定时间到达时，对微处理器输送一个低电平唤醒信号，再由微处理器控制脉冲高压发生电路对放电规管的放电电极输送高压脉冲；所述的真空度传感单元还设置有通讯接口，通过通讯接口使微处理器的数据传送至数据接收单元。本实用新型的反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，进行实际应用后，对任何一个电压等级的真空开关都能够准确检测，检测过程简便、快捷，具有很强的实用推广性。

附图说明

图1为真空开关中真空灭弧室的结构图；

图2为位于真空灭弧室静导电杆末端的反磁控放电规管电极和永久磁铁安配示意图；

图3为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置的整体结构图

图4为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置中真空度传感单元的结构原理图；

图5为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置的真空度传感单元中脉冲高压发生电路的电路原理图；

图6为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置的真空度传感单元中信号处理电路的电路原理图；

图7为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置中唤醒电路的结构图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，主要由分别对应集成在真空开关三个真空灭弧室静导电杆末端的三个放电规管、真空度传感单元、数据接收单元组成。

图1为真空灭弧室的结构图，其中标号1为静导电杆，标号2为灭弧室外壳，标号3为开关触头，标号4为波纹管，标号5为主屏蔽罩，标号6为支撑屏蔽罩的瓷柱，标号7为波纹管屏蔽罩，标号8为排气管，标号9为动导电杆，标号10为排气管密封帽，真空灭弧室结构为现有公知技术，这里不再赘述。

图2为放电规管的结构图，放电规管利用真空灭弧室静导电杆1内部的排气管8，在排气管8末端部分的轴线上放置一放电电极11，末端以陶瓷密封12密封，且放电电极11从陶瓷密封12中引出作为放电规管阳极，静导电杆1本体作为放电规管的阴极，排气管8的末端部分外套一环形钕铁硼永久磁铁13，构成一个反磁控冷阴极放电规管。由于各电压等级真空灭弧室均具有上述的排气管结构，因此此放电规管均可按图2结构与各电压等级真空灭弧室集成，故本实用新型的反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置适用于各电压等级真空开关。

本实用新型中的真空度测量所依据的基本原理是利用放电产生的离子电流来测量真空灭弧室内部的真空度。放电过程在放电规管内部轴向磁场(由图2中钕铁硼永久磁铁提供)和径向电场(由真空度传感单元的脉冲高压电路部分提供)作用下进行，由于放电空间通过排气管连通灭弧室内腔，因此放电空间的压强与灭弧室内部压强相同，故测得的压强即为真空灭弧室内部压强。

真空度传感单元是一个独立工作单元，主要功能是控制上述冷阴极放电规管(IMG)的放电过程，测量放电电流，计算真空开关管内部真空度，并将测量结果经光纤通讯接口传送至接收单元进行显示。图3为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置的总体结构图，真空开关的三个真空灭弧室Sa、Sb、Sc分别由真空度传感单元16、17、18进行监测，真空度传感单元16、17、18的输出数据分别通过各自的通讯接口电路传输给数据接收单元。

图4为本实用新型反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置中真空度传感单元的结构原理图，所述真空度传感单元包括微处理器(本实施例中选用带有A/D转换功能的数据处理芯片PIC16F873)、脉冲高压发生电路、信号处理电路、唤醒电路，其中，脉冲高压发生电路的脉冲高压信号输出端两端子分别用于连接反磁控冷阴极脉冲放电规管的阳极、阴极，信号处理电路的信号输入端用于连接所述反磁控冷阴极放电规管放电电流的取样电阻(取样电阻用于电连接相应放电规管所连接的真空灭弧室中静导电杆的外壁)，信号处理电路的信号输出端连接所述微处理器的信号输入端，微处理器的信号输出端连接脉冲高压发生电路的信号输入端；唤醒电路的信号输出端连接微处理器的信号输入端；如图7所示的唤醒电路结构图，唤醒电路由集成定时电路(可选X1205)和手动唤醒按钮ST组成，手动唤醒按钮连接定时集成电路芯片的输出端IRQ上，定时时间到后自动发出(也可以由手动按钮手动发出)唤醒信号给微处理器；微处理器的输出端还连接通讯接口电路输入端，本实施例中通讯接口电路采用光纤通讯模块，可将测量结果经光纤传送至数据接收单元，数据接收单元接收到测量数据后进行就地显示，同时也可将数据再经数据接收单元的网络接口上传至变电站的主机。数据接收单元的实现方式为常规技术，不再累述。

所述的脉冲高压发生电路如图5所示，包括D/A转换器、集成脉宽调制控制器U2、两个MOS功率管MOS1、MOS2、变压器T1，所述微处理器CPU的信号输出端连接D/A转换器的数字信号输入端，D/A转换器的模拟信号输出端连接集成脉宽调制控制器U2的误差比较同相信号输入端，集成脉宽调制控制器U2的误差比较器的反相信号输入端接地，集成脉宽调制控制器U2的信号输出端分别连接两个MOS功率管MOS1、MOS2的栅极，两个MOS功率管MOS1、MOS2的集电极与变压器T1的初级绕组接成推挽工作方式，所述变压器T1的次级绕组输出端输出信号经高压硅堆D1、D2、电容C1、C2构成的倍压整流电路倍压整流处理后加载在所述放电规管的阳、阴极。

平时真空度传感单元处于睡眠模式，各部分均不工作，当定时电路芯片发出唤醒信号(定时电路X1205发出一低电平脉冲信号)给微处理器(芯片PIC16F873的1脚)时，微处理器被唤醒，从其11脚输出一个高电平激活脉冲高压发生电路产生一脉冲直流高压加在放电规管的电极使其产生放电，该脉冲直流高压的大小可由微处理器(芯片PIC16F873的21脚)控制D/A转换器(D/A转换器可选AD5300)进行调整。放电电流由2k的电阻R取样后送入信号处理电路进行放大，放大倍数可由微处理器在1、10、100和1000之间进行选择，倍数放大电路分别由90K、9K、900、100Ω的电阻R11、R12、R13、R14连接在信号放大电路中的运算放大器IC1的输出端与其反相输入端之间，电阻R11、R12、R13、R14分别与常开接点K1、K2、K3、K4一一对应串联，四个串联电路相并联后连接在信号放大电路中的运算放大器IC1的输出端与其反相输入端之间，如图6所示，常开接点K1、K2、K3、K4的通断由微处理器控制，分别接于微处理器PIC16F873的25、26、27、28引脚上，放大以后的信号再送入微处理器(芯片PIC16F873的输入引脚2脚)进行测量。脉冲高压发生电路输出的高压由电阻R1和R2(见图6所示)分压后也送入微处理器(芯片PIC16F873的输入引脚3脚)进行测量。上述测量结果最后由微处理器(芯片PIC16F873的输出引脚17脚)送到光纤接口电路通过光纤传输给数据接收单元。接收单元把接收数据进行处理后进行显示或通过网络传输到上位计算机，此部分功能的实现为常规技术，不再累述。

真空度传感单元的电路部分采用高能电池(锂亚硫酰氯电池)作为电源，由微处理器控制上述脉冲高压发生电路将电池电压经过升压变换获得冷阴极放电规管放电所需的脉冲高压电源，脉冲高压发生电路的主要功能是把电池电压(5～7.2V)利用DC/DC变换电路变换成2～5Kv(千伏)的可调脉冲高压作为反磁控放电规管的工作电源。图5中微处理器通过D/A转换器(可选AD5300)控制集成脉宽调制控制器U2(可选SG3525)的误差比较器同相输入端的电压来改变其输出脉冲的占空比从而控制高压输出Vo的幅度。图5中对高频变压器的输出采用二倍压整流。电路中集成脉宽调制控制器U2的工作电源(不低于12V)由电池电压经一可关断变换电路U1(可选TPS6734)得到，测量过程结束后，此电路被关闭(由微处理器即图中的CPU的输出引脚把图4中的端子K1置成低电平可关闭变换电路U1)，集成脉宽调制控制器U2的工作电源被切断，以减少整个电路的功耗。

放电电流经过信号处理电路(如图6)转换为电压信号送入微处理器(芯片PIC16F873第2脚)进行A/D转换。其中电阻R为放电电流的取样电阻，阻值2k，取样后得到的电压信号送入信号处理电路的放大器IC1(可选放大器OPA334)同相端进行放大，放大倍数由微处理器输出引脚(PIC16F873第25、26、27、28引脚引脚分别对应K1、K2、K3、K4)控制(根据信号大小在1、10、100和1000进行选择)，放大后送入微处理器输入引脚进行测量。

所说的脉冲放电测量模式的工作如下：

为减少功耗，整个真空度传感单元的电路部分平时处于睡眠模式，其唤醒可以通过内部的定时电路或按下唤醒按钮(图7中的ST，此按钮主要用于在离线状态下测量灭弧室真空度)来实现。电路被唤醒以后微处理器将根据有无历史数据进行不同的操作。若没有历史数据，则传感器为首次运行，此时传感器中的微处理器将首先控制脉冲高压发生电路产生一个2000V电压加在反磁控管的阳极，然后检测放电电流，若放电电流大于0.2mA，则进入恒流放电模式(放电电流恒定在0.2mA)，反之则进入恒压模式(恒定电压值为2000V)。若恒压模式中在指定时间内未测到放电电流，则增大放电电压，直到测到放电电流。若有历史数据，则直接根据历史数据进入不同的放电模式。在正常的测量过程中，微处理器还可以根据实际放电电流的变化使反磁控放电规管工作在合适的放电模式，并在各放电模式之间进行必要的切换。最后把测量的结果通过光纤传送给接收单元。

数据接收单元还可具有485等网络接口，该单元对接收到的真空度数据加以整理，可就地显示或经485接口传送到变电站主机。

项目产品主要应用范围为各种电压等级的真空开关。

该监测系统安装调试非常方便，且不影响系统绝缘，其测量范围完全覆盖了真空灭弧室的临界真空度10^-1Pa，能够满足真空开关真空度在线监测的需要。该系统对真空开关的正常操作没有任何不利影响，采用该系统能够使真空开关真空度的在线监测达到实用化。目前尚未见过此类报到，在国际上处于领先水平。

使上述冷阴极放电规管工作在脉冲放电模式，对真空灭弧室内的真空度进行在线测量，此种反磁控真空规的脉冲放电模式的真空度测量范围完全能够满足真空开关真空度在线监测的需要。由于整个传感器电路工作于低功耗状态，一次更换电池就可以使其具有将近十年的工作寿命。从而能够在真空开关的运行中实现管内真空度的在线监测，并且对真空开关的正常运行无任何不良影响。

Claims (3)

1.一种反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其特征在于：其包括用于分别对应集成在真空开关三个真空灭弧室静导电杆末端的三个放电规管、真空度传感单元、数据接收单元，其中，各放电规管放电空间通过真空开关对应真空灭弧室静导电杆内的排气管连通相应真空灭弧室内腔；所述真空度传感单元包括微处理器、脉冲高压发生电路、信号处理电路和通讯接口电路，其中，脉冲高压发生电路的高压脉冲输出端两端子分别用于连接真空开关中各真空灭弧室静导电杆相应放电规管的阳极、阴极，信号处理电路的信号输入端用于接收放电规管阴极、阳极之间的放电电流，信号处理电路的信号输出端连接所述微处理器的信号输入端，微处理器的信号输出端分别对应连接脉冲高压发生电路的信号输入端、通讯接口电路的输入端，通讯接口电路的输出端连接数据接收单元的信号输入端。

2.如权利要求1所述的反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其特征在于：所述的真空度传感单元还包括有唤醒电路，该唤醒电路的信号输出端连接所述微处理器的信号输入端。

3.如权利要求1或2所述的反磁控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置，其特征在于：所述的脉冲高压发生电路包括D/A转换器、集成脉宽调制控制器、两个功率管、变压器，所述微处理器的信号输出端连接D/A转换器的数字信号输入端，D/A转换器的模拟信号输出端连接集成脉宽调制控制器的误差比较同相信号输入端，集成脉宽调制控制器的误差比较器的反相信号输入端接地，集成脉宽调制控制器的信号输出端分别连接两个功率管的栅极，两个功率管的集电极与变压器的初级绕组接成推挽工作方式，所述变压器的次级绕组输出端通过倍压整流电路连接所述放电规管的阳、阴极。

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