基于CC430的真空开关真空度监测系统设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国矿业大学信息与信电学院 作者:吴志超

  真空开关真空度在发生变化时会引起屏蔽罩发生一系列变化,利用传感器检测屏蔽罩的电信号,再经过滤波、放大后送往CC430 进行处理、分析和比较来确定灭弧室真空度的值,最终得出屏蔽罩电位与真空度之间的关系曲线。通过这种曲线关系可以在不关断真空开关的状态下判断其真空度的大小,进而实现真空开关真空度的实时在线监测。CC430 通过自身集成的无线射频模块将数据信息发送给远程用户,实现信息的远程监测。

  随着我国电力系统、无油化改造以及电力设备制造技术的发展,真空开关的使用也就更加普及和推广。真空开关以其体积小、环境污染小、灭弧性能好、运行维护简便、可靠性高、机械和电寿命长等优点在国内矿山、大中型水电站、变电所等供电系统中得到广泛的应用。真空开关是以真空作为绝缘和灭弧手段的断路器,真空度直接影响真空开关的性能, 如果不能及时掌控真空开关的真空度,可能带来不可想象的后果。资料显示由没有及时掌控真空开关的真空度而引起的事故已经造成了很大的损失。国内统计资料表明,真空开关事故绝大多数因真空泄漏引起。所以,运用科学的手段对真空开关进行定期或不定期真空度监测,及时发现故障先兆对真空开关乃至整个电力系统的安全和可靠运行都有十分重要的意义。

  本文研究的内容涉及到对真空开关真空度进行在线监测和无线发送,在不关断电源的情况下,对真空开关灭弧室内的真空度进行监测。运行中的真空开关灭弧室内的真空度在发生变化时,动静触头之间会产生放电现象,放电会发射出电磁波脉冲,导致屏蔽罩电位发生变化,它与灭弧室的真空度之间存在一定的关系,通过这种关系就可以判断真空度的大小。在此原理上,本文利用传感器来检测屏蔽罩电位信号,经过滤波、放大器后,然后由CC430 对数据进行采集、处理、分析和比较来确定灭弧室内真空度的值,并通过其自带的射频模块将信息通过无线发送到PC 或远程用户,实现真空度的实时监测。

1、真空开关和CC430 简介

  1.1、真空开关

  真空开关由真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其他部件构成,是控制管路或某封闭空间的真空度的开关,为纯机械形变导致微动开关动作。真空开关是框架式断路器的通俗称呼,实际上就是断路器,主要作用是切断大电流的电器元件。真空开关是以真空作为绝缘和灭弧手段的断路器,因此,真空度直接影响真空开关的性能。现对真空开关真空度的测试方法有离线监测和在线监测。在线监测的方法主要有电光变换法、耦合电容法、磁控线圈法等。在不同的使用场合,真空灭弧室有种形式,总体来说,真空灭弧室的基本结构如图1所示。

真空灭弧室的基本结构

图1 真空灭弧室的基本结构

  真空开关采用真空阻止电弧重燃的方法实现熄灭电弧。真空灭弧室是用密封在真空中的一对动、静触头来实现电力电路的接通与分断功能的一种电真空器件,独特之处是利用高真空做绝缘介质。真空灭弧室的真空度应在1.33×10-5 Pa ~ 1.33×10-2 Pa 范围内,在这样高真空度状态下,气体的密度很低,气体分子的自由行程很大,不易产生碰撞游离,因此,触头间具有很高的绝缘强度和很强的开断能力。国标(GB)中规定,真空灭弧室内的真空度临界值为6.6×10-2Pa。表1 就说明了真空度在不同范围时的真空灭弧室运行情况。

表1 真空度在不同范围时的真空灭弧室运行情况

  1.2、CC430 简介

  CC430 是TI 在2008 年末发布的MSP430 家族的一个新的RF Soc 系列,CC430 集成了MSP430 当时最新5 系列的核以及低功耗无线收发器CC1101 的核,并且集成了5 系列丰富的外设等。CC430 不但延续了其前辈超低功耗、高性能的传统,而且集成了业界领先的1GHz 以下频段的CC1101RF 收发器,是真正的业界最低功耗的单芯片射频(RF) 解决方案。使用CC430 平台既可降低系统复杂性、将封装与印刷电路板尺寸缩小50%,又可简化RF 设计,从而将包括RF 网络、能量采集、工业监控与篡改检测、个人无线网络以及自动抄表基础设施等在内的应用推向前所未有的水平。本文中选用的是

  CC430F5137, 具有以下特点:

  1)工作电压低:2.0 ~ 3.6V;

  2)I/O 口电平:0 ~ VCC;

  3)工作频段:433 ± 10MHz;

  4)发射功率:-30dBm ~ 10 ± 1dBm;

  5)高接收灵敏度:-106 ± 1dBm(@433MHz,2400bps);

  6)2-FSK、GFSK、ASK/OOK 调制方式,提高数据抗突发干扰和随机干扰能力;

  7)低功耗:发射电流≤ 40mA,接收电流≤ 25mA,睡眠电流≤ 2μA;

  8)自带多通道12 位AD 转换

  9)集成无线射频模块

2、真空开关真空度在线监测系统设计

  2.1、真空度在线监测系统结构框图

  本文系统主要是通过监测屏蔽罩的直流电位信号来分析其与真空度的关系来判断灭弧室内真空度的变化情况,设计结构如图2 所示。传感器探头分别接在真空开关A、B、C 三相的三个真空灭弧室内,其对真空灭弧室的屏蔽罩电信号进行采集并输出,信号经AD 转换处理后进行滤波、放大预处理,CC430 对预处理后的数据进行采集、分析以及比较,来评估灭弧室内的真空状况并显示。当真空度低于标准真空度值时发出报警,并通过无线将报警信息发送给远程的工作人员以提醒。CC430 的最小系统如图3 所示。

系统总体框图

图2 系统总体框图

CC430 最小系统

图3 CC430 最小系统

  2.2、真空度在线监测系统的监测原理

  在真空开关工作时,真空灭弧室屏蔽罩上的电位是由高压部分—屏蔽罩、屏蔽罩—接地电极之间分别所具有的静电电容的分压决定。真空灭弧室只有在正常的工作电压和标准的真空状态下正常运行时,灭弧室屏蔽罩上才不会带有静电荷;然而当真空灭弧室真空度降低到临界压强(10-2Pa 左右) 时, 不仅电气参量有变化, 而且非电气参量也有一定变化。在电气参量的变化中,会导致真空灭弧室触头与屏蔽罩之间产生电流信号,灭弧室的屏蔽罩上也会因此产生一定的静电荷,从而形成直流电位。屏蔽罩的直流电位会随着真空度的降低而发生相应地变化。本系统是通过检测屏蔽罩的直流电位来监测灭弧室内真空度。

真空度与屏蔽罩电位关系

图4 真空度与屏蔽罩电位关系

  图4 表示的是真空灭弧室内真空度与屏蔽罩上直流电位的关系曲线。从图中可以看出,当真空灭弧室内的真空度在临界真空度以上时,真空灭弧室屏蔽罩的电位几乎没有多大的变化。随着真空度的恶化,屏蔽罩上的电位会相应地下降。因此,由他们之间的关系曲线可知,只要测量出屏蔽罩的直流电位,就可以得出此时相应的真空度。因此,通过检测屏蔽罩上的电信号即可在线监测真空灭弧室内的真空度状况。

  2.3、监测系统中数据的采集处理

  由于真空开关处于的环境是在高压状态下,传感器探头监测到屏蔽罩的电位信号,并经过一系列的信号处理和A/D 转换,使之转换成为数字信号。在高压的环境下,为了采集到几乎不失真的电信号,要求设计的采集系统也具有非常强的抗干扰能力。所以我们在对输入的模拟信号进入A/D 转换以后采用隔离放大器,实现输入/ 输出的信号隔离和增益控制信号的隔离,增强其抗干扰能力。图5 为数据采集系统框图。

数据采集系统框图

图5 数据采集系统框图

  隔离放大器具备两大功能,即前置功能和放大功能。其对采集到的电信号进行处理并将输出信号调整至A/D 能够采样的范围内以及将输入级与后级完全隔离,因此,提高了数据采集系统的抗干扰能力。

3、系统软件设计

  该系统通过对屏蔽罩的直流电信号进行信号的放大、滤波、采集、数据处理等环节来判断真空灭弧室内真空度的状况。本文采用Matlab7.0 软件和C 语言来实现软件的设计。利用C 语言执行速度快的特点开发软件程序,可保证系统快速、准确地进行数据采集。Matlab7.0 的人机互动式画面和可视化功能,使数据处理更加简单。图6 为CC430 的软件工作流程。

CC430 的工作流程

图6 CC430 的工作流程

4、结 论

  真空开关作为我国电力行业日趋普及的高压电器, 真空度的在线监测对于真空开关的安全运行有着极其重要的意义。本文设计的系统采用CC430 来对采集到的数据进行处理、分析和比较来得出其中的关系曲线,并将报警信息发送给远程用户,达到在线监测的目的。使用CC430,不仅实现数据的处理、分析、比较和显示等处理,还可实现数据的无线传输。本文系统不仅方法简单而且系统更具有实用性。

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