基于LABVIEW的真空开关真空度在线监测系统研究

0 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［1-2］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。

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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。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。

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(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。

此外，肠道微生物的生长环境与胃肠黏膜联系密切，与肠上皮细胞紧密相连，并对胃肠黏膜的生理功能有一定的调节作用。回肠末端和结肠的L细胞在特定营养物和消化产物的诱导下分泌PYY和GLP-1[63-64]。L细胞也受肠道微生物发酵产生的短链脂肪酸(乙酸、丁酸、丙酸)的影响，提高血浆PYY和GLP-1的水平[65]。L细胞释放的PYY和GLP-1不仅抑制胃运动，改善葡萄糖稳态，还引起饱腹感和行为改变。

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。

图1 检测屏蔽罩电势的示意图

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。

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)。

传感器的外壳是由电绝缘材料制成并且呈伞状，其整体电气隔离特性和良好的绝缘性能能满足在线监测系统可靠性与安全性的需求，且对真空开关的工作性能无任何影响。同时，传感器本身的电容值很小，基本上不会改变屏蔽罩与接地网之间的电场分布，使得检测信号能正确地反应被测电场的改变情况。

图4 传感器电路结构图

2.3 监测系统的硬件和软件

真空在线监测系统包括传感器、多通道控制器、计算机等设备。其中传感器用来测量高压真空开关的真空度，每个开关柜需要3个传感器分别监测A、B、C三相真空开关。研制的在线监测系统能同时在线监测32个高压开关柜，而且在监控过程中能实现分时信号采集和信号传输控制，执行计算机命令时，控制器将实行开关柜数字替换，接通或断开传感器进行真空度测量的工作能量，开始或停止真空度测量。测量好的三相真空度信号首先通过控制器处理，然后经多通道开关同时输入传输电路，再将其送入主机执行转换、处理、操作、显示以及存储命令。计算机、计算机接口和多路数据收集卡AC1280A组成了主机。

在LabVIEW管理系统中，由数据采集卡完成三相检测信号和母线上的三相电压信号的A/D转换，转换后的结果存储在电脑内存里，等待LabVIEW去传送和处理。监测系统采用由RS-232/RS-485转换的串行端口来实现LabVIEW管理下主机与控制器之间的信息交流，系统软件也由LabVIEW编程，包括监测系统控制、管理、数据采集和运行等。

2.4 监测系统功能参数

真空测量范围:5.6×10－4～1.3×102Pa

真空度警报线:1.0×10－2～1.0×10－1Pa

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真空开关的电压等级:3～35 kV

能监测的真空开关的数量:32组×3相

取样数据数量:1024/相

取样时间:1 min/柜

3 真空度判断准则

在线监测真空衰减状况时，测量电场的相对改变值比起测量电场中的绝对值意义重大得多。监测系统同时测量真空开关柜中的A、B、C三相真空开关的屏蔽罩外侧电场的有效值，然后通过以下运算法则来判断真空度的变化:

(1)每相电流的检测值都用来与过去时刻的相比较，以此来计算真空开关真空度的变化趋势，在一定时段内曲率的全部变化将作为判断真空衰减的一个准则，将现时段变化的平均值与过去相对应的平均值相比较，若相对值降低1%，则监测系统就会报警。

(2)当真空度没发生衰减时，同种型号真空开关的真空度基本上是相同的，将三相同步采样的探测值进行两两比较，并把这3种区别当作另一项断定真空开关真空衰减度的准则。

(3)监测系统的校正是通过离线测试设备来测试静态电场值，利用传感器输出的静态电场值和真空度之间的曲线关系进行的，将相对于真空度为10－1Pa的静态电场值U0作为一个警报值。

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综合以上所有提及到的运算法则，当检测结果同时符合以上提及到的所有警报条件，监测系统就会立即报警。由于是同步测量三相真空开关，并将其相对值作为真空度衰减的根据之一，那么由环境温度改变而引起的测量误差逐渐被消除，而且测量结果是电场的有效值，减小了因为反向操作频繁而导致的误差值。监测系统采用光缆进行信号传送，把检测输出量的相对变化认为是真空度衰减的警报根据之一，这已经大幅度地降低了电磁干扰的影响，同时，多种信号处理方法例如滤波已经在监测系统中采用，更能有效地抑制各种类型的电磁干扰，改进监测系统的可靠性能。

实验中,设计了一种大尺寸的SiO2楔形谐振腔结构,通过HF缓冲液(BHF)对SiO2腐蚀,改变参数抑制光刻胶的脱落现象;去除侧壁多余凸角;调节温度控制反应速率;SF6对硅基干法刻蚀,缓解刻蚀中产生应力对SiO2边缘平整度的影响,制作了大尺寸硅基SiO2楔形谐振腔,其直径D达到8 mm,原子力显微镜测试表面粗糙度小于1 nm,同锥型光纤耦合测试结果表明Q值达到2.4×106,可实现达到 55 °/h 陀螺极限灵敏度,满足商业级应用的需求,为芯片级、集成化的新型谐振式微光学陀螺的研究奠定了实验基础。

4 应用

为了验证这种在线监测系统的可行性，进行了模拟试验来在线检测实验室中真空灭弧室的真空度。实验中，A相灭弧室通过绝缘管与真空系统连通，两者的真空度大致相等且达到10－3Pa。B相或C相灭弧室的真空度接近10－3Pa，3个电场传感器被分别安置在如图1所示的屏蔽罩外侧。

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为了模拟现场工作环境，在接真空开关的电流接触器加上11 kV的三相交流电压，再通过监测系统同步测量3个屏蔽罩外侧的电场值。传感器的安装与在线监测系统情况如图5所示。开始试验时，将A相灭弧室的真空度被调整到10－3 Pa，令三个灭弧室的真空度基本相等，测得的三个电场值和电位值也基本上相等。然后，逐渐升高A相灭弧室的气压至10 Pa，监测系统在升高气压的过程中同步测量A、B、C三相灭弧室屏蔽罩的电场值和电位值。在线监测的测量值如图6所示，随着真空度逐渐降至10－1Pa，A相电场值和电位开始逐渐下降，但是B相或C相的测量值看上去都没有变化，A相变化趋势与先前如图2分析的一致。

图5 在线监测系统

图6 在线监测的测量值

实验结果表明，监测系统能有效地监测真空开关中真空度的变化，而且根据在线监测对真空度衰减的要求，把10－1Pa看作警报极限值。该结果也证实了前面的理论分析。另外，测试点的实际静态电场值没有标定，因为对于在线检测来说，更关心相对值的变化。

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这种在线监测系统已被放置现场，它的场强测量表明它的灵敏性、电磁兼容、可靠性均能满足在线监测的要求。

5 结语

真空开关规定的相关标准:真空度通常与真空断路器匹配，真空度值应该低于1.33×10－2Pa。但这是它在静态条件下检测出的一个参数，真正的灭弧室真空度是开关正在操作运行时的一个动态参数，它在切断电流时可能高于这个气压值。故当真空度接近临界真空状态时，真空开关在执行闭合和断开操作时能够判断灭弧室真空开关的真空度是降低的，这时监测系统马上发出警报。目前，该监测系统在实际运行中能准确判断灭弧室真空度的质量。