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基于电容耦合法的高压断路器真空度在线监测技术研究

2024-08-05 54 上传者：管理员

摘要：高压断路器灭弧室的真空度劣化会对断路器电气性能和使用寿命产生影响。提出了一种基于电容耦合法的高压断路器真空度在线监测装置的设计方案。通过耦合电容的方法获取断路器分合闸时的拉弧信号，利用FPGA采集该电压信号，并对其进行傅里叶变换，从而分析信号的频域特性，最终获得拉弧信号的频谱图。实验结果表明，该装置能够实时获取断路器分合闸时拉弧信号的频谱信息，从而判断其灭弧室的真空度优劣。该方案对保障高压断路器的稳定运行和延长其使用寿命具有重要意义。

关键词：
在线监测
断路器
电容耦合法
真空度
真空灭弧室
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针对真空断路器的故障问题，除了机械结构可能存在问题以外，真空灭弧室的故障同样是不容忽视的关键因素。在断路器的运行过程中，由于操作过电压和灭弧室真空度降低等因素，分闸时可能出现无法及时灭弧的情况，进而造成烧毁事故。

有研究者提出，当真空断路器存在微弱泄漏时，会发生局部放电并释放高频电磁波[1]。肖慧荣等[2]提出利用天线来检测这些局部放电信号，从而间接了解灭弧室内真空度的变化情况，但这种方法易受到环境噪声的影响。刘建华等[3]研究试图利用屏蔽罩电位法和基于潘宁放电的在线监测方法评估真空度，但这种方法需要安装屏蔽罩，并满足一定的电场分布和均压条件，这在现场测试中很难实现。

本文提出一种基于电容耦合法的高压断路器真空灭弧室真空度在线监测装置及其监测方法。这种方法利用了高压断路器分合闸过程中，分断瞬间真空灭弧室产生的较大电流。根据电容耦合法，电流会沿着母排导体表面流动。通过使用高压电容分压器，采集其输出端的小信号，可以直接获得断路器分断瞬间真空灭弧室产生较大的电流的频谱信息。根据不同真空度下电流频谱信息的差异，可以间接判断出断路器真空灭弧室的真空度情况[4-8]。3个高压电容分压器分别安装在断路器对应相母排与大地之间。

1、基于耦合电容法的真空度在线检测原理

真空断路器的真空度在线监测常见方法有传感器测量法和脉冲电磁波法等[9]。真空度在线监测要求监测装置能够适应高温高压的恶劣环境。监测思路有两种：一种是出厂前在腔内安装测量传感器，另一种是为正在服役的真空断路器专门研制监测装置。为确保监测装置的稳定性和可靠性，其寿命应长于真空灭弧室，同时不能对断路器及电网的安全运行造成威胁。

在断路器通电电压为U的情况下，断路器在开断瞬间会在真空灭弧室内发生局部放电。由于真空灭弧室内的真空度不同，所产生的局部放电信号的强度和频谱也会有所差异。当真空灭弧室产生局部放电时，高频放电信号会耦合到母排上。利用母排上的电容传感器，并根据分压原理，便可间接获得真空灭弧室内的放电信号。图1中C1和C2构成电容传感器[10]。

图1 电容传感器原理图

由于电容分压对交流信号的损耗很低，通过电容分压电路将高压端高压信号转换成较低的低压信号，图1中的电容C1和电容C2形成电容分压电路。这两个电容的容抗形成了对输入信号的分压衰减，从而可以减小输出信号的振幅。电容耦合法检测灭弧室局部放电接线图及等效原理图如图2所示。

图2 电容耦合法检测灭弧室局部放电接线图及等效原理图

在图2中，Rm为高压限流电阻，用以防止高压交流电短路；Cx为内部存在气泡的绝缘介质的电容。Cd两端电压按式(1)计算。

式中：Ck为带电显示器配备的电容传感器输出端和高压母排之间的电容量；Cd为电容传感器输出端与地线之间的电容量。

在电容传感器中，Ck的电容量远大于Cd, 因此，可以通过电容分压原理将高压信号转换为低压信号。然而，分压后得到的电压信号不仅包括局部放电产生的高频信号，还包括50 Hz的工频低频电压信号。因此，在采集局部放电电压信号之前，必须滤除幅值较高的低频成分[11]。

2、在线监测装置硬件电路设计

2.1 硬件电路总体设计方案

本文设计的高压断路器真空度在线监测系统主要针对断路器在分合闸过程中产生的拉弧信号进行监测。其硬件电路主要由供电电源、高速模数转换电路、FPGA、微处理器、通信模块、显示模块、滤波电路和信号调理电路组成。整个监测装置的硬件结构如图3所示。

图3 在线监测装置硬件结构图

2.2 微控制器最小系统

微处理器作为在线监测装置的核心，负责整个系统的控制。各模块通过与微处理器连接，实现其特定的功能。经过综合考虑，研究人员选择STM32F407ZGT6芯片作为核心处理芯片，以满足高压断路器真空度在线监测的功能要求。在高压断路器真空度在线监测中，主要用到的外设有FSMC、USART串口、安全数字I/O口。

2.3 FPGA核心电路

高压断路器真空度在线监测的高速采集电路需要1 MHz的传输速度，而微处理器无法达到如此高的速度，因而采用Cyclone IV FPGA(EP4CE10E22C8N)进行高速采集。作为目前市场上功耗最低的FPGA芯片，它在保证高性能的同时实现了低成本、低功耗，具有极高的性价比，且便于购买和维修，因而在近几年得到了广泛的应用。

2.4 滤波电路

由于断路器分合闸时产生的拉弧信号的频率高于工频信号，如果不滤除低电压的工频信号，就会导致高速模数转换器的测量范围超出，继而难以准确采集拉弧信号。因此，本文采用二阶RC高通滤波电路来滤除低频电压，仅保留高频电压，并将截止频率设定为100 kHz。

2.5 高速模数转换电路

对于三相的拉弧信号，本文使用3个滤波电路进行高通滤波处理。同时结合FPGA,使用高速模数转换芯片AD9226采集这些信号。AD9226是一款具有65 MS/s采样速率的12位高速模数转换器，可以满足设计要求。考虑到断路器分合闸的时间在5~10 ms之间，选用1 MHz的采样频率来采集4 096个点，从而完整记录分合闸过程中的拉弧信号。

2.6 信号调理电路

AD9226的VIN引脚需要1~3 V的电压输入，但滤波电路的输出电压范围为-5~+5 V,须通过信号调理电路将其调整至所需范围。首先，用R11和R13构成的电路将电压范围缩小至-0.5~+0.5 V;接着，通过TL072运算放大器将基准电压+2 V反转至-2 V;最后，通过AD8065差分放大电路将电压调整至1~3 V,以满足AD9226的VIN要求，确保其正常工作并实现信号的模数转换。信号调理电路图如图4所示。

图4 信号调整电路图

3、在线监测装置软件设计

3.1 嵌入式软件总体方案

环网柜局部放电在线监测装置的主程序设计基于STM32F4ZGT6芯片，利用FPGA进行高速数据采集。总体软件设计流程图如图5所示。首先，对系统进行整体初始化设置。当断路器进行断合闸操作时，微处理器会控制FPGA开始采集信号。如果FPGA判断采集的AD值超过阈值，它就会保存采集到的4 096个数据。随后，通过FSMC通信接口，FPGA将这些数据传输给STM32。在微处理器中，调用快速傅里叶变换程序来处理波形并得到信号频谱。最后，触摸屏上会显示三相的信号频谱。同时，利用通信模块将监测到的数据传送到服务器。在后台管理系统中，用户可以调用数据库查看和分析这些数据。

3.2 信号采集程序

在本文中，输出的AD数据采集的时钟频率为1 MHz, 在时钟的上升沿进行数据采样。另外，AD9226输出数据的高位为bit0,因此在程序中需要将数据位的次序对调一下。采集后对调数据位次序的程序如下。

图5 软件设计流程图

3.3 数据传输程序

微处理器和FPGA的高速通信是通过可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC)实现的，其通信模型如图6所示。

图6 FPGA和STM32通信模型

FPGA内部存储了由高速采集模块采集的数据，而STM32则利用FSMC及相关通信协议从FPGA中获取这些数据。在设计微处理器的FSMC通信程序时，首先需要对FSMC控制器进行初始化，包括时钟配置、接口配置、复用功能配置和时序配置等。每个数据占8 bit。由于FPGA的外设I/O口数量有限，FSMC采用了数据线复用模式。当FSMC_NADV信号为高电平时，数据线传输的信号被用作数据线；当FSMC_NADV信号为低电平时，数据线传输的信号则作为地址信号。FSMC_A[20:16]和FSMC_D[15:0]表示地址位，FSMC_D[8:0]表示数据位。此外，FSMC_RST是FPGA的复位信号，START是采集开始信号。

3.4 数据处理程序

STM32接收到FPGA采集的数据后，通过傅里叶变换进行频谱分析，以获取拉弧信号的频率信息。这些频率数据对判断断路器灭弧室真空度状况至关重要。傅里叶变换通过STM32自带的DSP库函数实现，主要涉及以下函数：

arm_cfft_f32函数选择4 096个点进行傅里叶变换运算。fftwave是用于存放傅里叶变换数据的数组名。参数0代表正方向的傅里叶变换，而参数1则代表正常输出数据。arm_cmplx_mag_f32函数对数组fftwave中的数据进行取模运算，并将结果重新存放在fftwave中。

4、系统测试

对由信号发生器模拟产生的拉弧信号进行测试。当信号发生器输出峰值为1 V、频率为100 kHz的正弦波时，监测装置显示的三相频谱图如图7a)、图7b)、图7c)所示。保持峰值不变，将频率改为300 kHz, 在线监测装置显示的三相频谱图如图8a)、图8b)、图8c)所示。当输入频率为100 kHz时，频率图显示对应的信号幅值是最大的；改变频率为300 kHz, 频谱图显示最大幅值信号的频率约为300 kHz。

图8 频率为300 k Hz的三相频谱图

5、结论

本文探讨了断路器真空灭弧室的放电机理和基于耦合电容法的真空度在线监测原理，并对在线监测装置的硬件电路及软件进行了设计。该装置主要采用电容耦合法获取灭弧室分合闸时的拉弧信号，经过滤波与调理后，利用FPGA控制高速采集芯片AD9226以1 MHz 的采样频率进行采集。随后，三相采集的数据被传输给单片机，由单片机对采集的一段信号进行傅里叶变换，以获取频谱信息。最终，这些频谱信息会通过触摸屏显示出来，用以判断断路器灭弧室的真空度状况。经过测试，该在线监测装置能够准确采集并显示由信号发生器产生的不同频率的正弦信号，并准确显示其频谱信息，从而验证了本文方案的可行性。

参考文献:

[2]肖慧荣,欧阳建光,王晟,等.真空断路器真空度与电场电位关系研究[J].真空科学与技术学报,2015,35(10):1191-1195.

[3]刘建华,姜颖先,刘鹏飞,等.基于潘宁放电的真空断路器真空度在线监测方法研究[J].真空科学与技术学报,2017,37(2):225-230.

[5]吴梦泽,宋建成,高云广,等.真空断路器真空度检测方法研究现状与展望[J].工矿自动化,2018,44(6):6-10.

[7]何志鹏,赵虎.微型断路器电寿命评估[J].电工技术学报,2022,37(4):1031-1040.

[9]万书亭,马晓棣,陈磊,等.基于振动信号短时能熵比与 DTW的高压断路器状态评估及故障诊断[J].高电压技术,2020,46(12):4249-4257.

[11]钱素琴,孙悦.基于AD9226的FPGA高速数据采集电路设计[J].电子测试,2021(11):5-8.

基金资助:国网上海嘉定供电公司2023年度群众性创新科技项目(520931230003);

文章来源:陆旭锋,王霄峰,左昊忱.基于电容耦合法的高压断路器真空度在线监测技术研究[J].仪表技术,2024,(04):82-86.