基于LabVIEW的真空开关真空度在线监测系统研究(1)

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  开发了真空开关真空度在线监测系统,基于屏蔽罩的电势和屏蔽罩外的电场强度关系,采用自制电场传感器测量在屏蔽罩外侧的场强,并通过LabVIEW 来实现系统管理和信号处理,实验结果表明,该监测系统能有效地监测到真空开关真空度衰减的情况。

引言

  真空开关灭弧室的真空度是真空开关管的重要性能参数,真空度的高低直接关系到真空开关管的储存寿命,影响真空开关使用期间的耐压水平和分断能力。目前,随着真空开关在中低压领域的广泛应用,灭弧室里的真空度在线监测已经成为工程领域的一个热门课题。目前,用于真空度在线检测的间接方法主要有电光变换法、耦合电容法等。现在有一些真空在线监测设施已投入测试运行,但由于恶劣的电磁环境和昂贵的传感器成本,且监测设备测量的灵敏度、精确度和可信度很难满足现场实际要求。

  为解决真空度在线监测系统中存在的问题,基于屏蔽罩电势和真空开关真空度之间的关系,本课题组已经研制整体绝缘的电场传感器,该传感器是由光电材料组成,它能承受40 kV 的高压并且具有高灵敏度和抗干扰能力,将其放入屏蔽罩和接地网之间的电场中检测屏蔽罩电势的变化,然后判断真空度的变化趋势。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为所研究的监测系统充分考虑了电磁干扰,在硬件与软件方面采取了有效的抗干扰措施,如光电信息传输与多标准信息处理,这些措施能确保监测系统可靠地运行,而且该监测系统能同时在线监测多个真空开关柜,由于结构简单和成本适中,十分易于推广。

1、检测原理

  真空断路器在运行一段时间后,会发生不同程度的真空度降低现象,真空度降低原因有:

  (1) 开关本体结构上的缺陷造成微量漏气,这种漏气平时检测不到,只有经过较长时间的积累,降低到一定程度才能被检测到。

  (2) 灭弧室的制造材料含有一定的气体杂质,经长期运行慢慢析出,造成灭弧室气压上升。

  (3) 在开关操作运行过程中,由于外力造成灭弧室损坏,从而引起真空开关真空度降低。

  灭弧室内的真空度正常时,仅需几百伏的电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩之间由场致发射引起的电子电流。屏蔽罩积累的负电荷使其负电位几乎达到电极电压峰值;灭弧室内真空度劣化时,灭弧室内的气体密度变大,场致发射的电子被气体分子吸附后成为负离子。由于负离子质量大,漂移速度慢,使上述电子电流减小,屏蔽罩绝对值电势降低;灭弧室内真空度劣化为大气压时,场致发射电子全部被气体分子吸附为负离子。由于离子在电场下漂移形成的阻性电流很小,与容性电流相比可以忽略不计,故大气条件下,屏蔽罩电势由导电杆与屏蔽罩之间的分布电容和屏蔽罩与机壳之间的分布电容的分压决定。通过屏蔽罩电势的变化过程即可推知灭弧室内真空度的劣化过程。

  由于屏蔽罩内电势的改变将引起屏蔽罩附近的电场的改变,故在屏蔽罩外侧( 附近) 的电磁场里放置传感器,通过测量屏蔽罩附近的电磁场强度,检测屏蔽罩的电势变化,即能实现真空度衰减情况的在线监测。

  图1 为检测屏蔽罩电势的示意图。在实验室中进行了自制传感器的输出电压与真空灭弧室的真空度之间关系的试验,试验的结果如图2 所示。当灭弧室中的气压上升到0.1 Pa( 意味着真空度下降)时,传感器输出电压开始明显下降,采用电场传感器能有效的监测到真空度的衰减过程。

检测屏蔽罩电势的示意图

图1 检测屏蔽罩电势的示意图

传感器输出电压与真空度之间的关系

图2 传感器输出电压与真空度之间的关系

2、在线监测系统的结构

2.1、监测系统的基本组成

  在线监测系统是由传感器、工业计算机、多通道高速数据采集卡和多通道光纤通信设备还有信号传递控制板组成,系统结构框图如图3 所示。

在线监测系统结构功能图

图3 在线监测系统结构功能图

2.2、传感器原理

  结合电场检测功能为一体的传感器由电子器件和光电子元件组成,是完全电绝缘的,主要包括基于静电感应原理的电场感应部分、专用放大电路、光电信号转换部分、能量发射器和升压电路。传感器电场感应部分的原动力是来自光电池和信号通过电绝缘的光电导管传递而形成的能量( 见图4)。

传感器电路结构图

图4 传感器电路结构图

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