专利名称：高压配电装置真空管真空度在线监测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种用于真空管真空度的在线监测装置及其监测方法，尤其是一种高
压配电装置内真空管真空度的监测装置及其方法。
背景技术：
长期以来高压配电装置内真空管由于真空度劣化而引发的爆炸事故时有发生，为
此采用脉冲磁控放电法对高压配电装置内真空管真空度进行检测，该方法重复性较好，但
在检测时需要开关断电，不能连续监测真空度的变化情况；交流耐压法也是目前电力开关
行业的一种常用方法，该方法能够作为判定真空开关能否投入电网运行的直接判据，但只
能提供一个粗略判定，不能判断真空度变化趋势，是一种定性的判断方法；采用基于冷阴极
磁控放电法的监测装置对真空管真空度进行检测，可以连续地对真空度变化情况实现在线
监测，但需要在真空灭弧室静触头端密封盖板上加装一个微型的真空度传感器，需要对灭
弧室结构进行改造，因此该装置不能够对现场使用的真空管的真空度进行在线监测。 真空开关真空度在线监测是要在开关带电状态和不改动开关主体结构的前提下，
无论开关处在合闸或分断状态下都能够实时监测其真空度变化。光电变换法是能够满足这
种要求的一种监测方法。该方法采用BSO等晶体制作的Pockels电场探头将屏蔽罩周围的
电场信号转换为光信号传输，然后对光信号进行处理，从而间接达到对真空管真空度监测
的目的，但构成其光电探头的光电晶体传感元件有其致命的弱点就是温度稳定性低，难以
适应配电装置内温升变化，同时，与探头配套的装置结构复杂、成本较高，难于大面积推广。 还有公开号为01272070. 4的一种"一种电容分压式电场探头"，该发明由探头电
极、电容分压器、低通滤波器、压频转换器、接地金属板构成，由电容分压器分压得到的电场
信号直接进入低通滤波器，滤波信号进行压频转换后得到与屏蔽罩电位大小呈正比的频率
信号，通过对频率信号的测量来间接监测电场的大小。但是通过试验可以很容易发现通过
普通的信号测量电路从高容抗的电容分压器中取样出来的交流电压信号是一个零点不断
发生漂移的不稳定信号，不经过特殊的信号拾取电路无法将其无失真地拾取，针对此在本
专利中设计了高输入阻抗的信号拾取电路；另外由于从电容分压器取样出来的信号是工频
的交流电压信号，而压频转换芯片一般是将单极性的直流信号转换为频率信号的，无法将
工频交流信号转换为数字脉冲形式的频率信号，针对此本专利在压频转换器前端设计了精
密整流滤波电路。该专利最大的不足就是没有与现有高端CPU芯片结合做进一步的深入研
究，无法以一种装置的形式安装在高压配电装置内真空管处实现真空管真空度现场在线监
测，所以仍然不能够实现真空管真空度在线监测的目的。
发明内容
本发明针对高压配电装置内发热元件比较多，其自身是一个比较大的热源体，配 电装置内部温度要比周围环境温度高出很多，而现有能满足高压配电装置内真空管真空度 在线监测要求的监测装置存在温度稳定性差，测量不准确等问题。本发明提供一种稳定性高、测量数据准确的高压配电装置内真空管真空度在线监测装置及其方法。
本发明中高压配电装置内真空管真空度在线监测装置，包括电容耦合器、电容分 压器、信号拾取电路、精密整流滤波电路、压频转换电路、微处理器单元、声光报警单元和通 讯单元，其特征在于电容耦合器是由金属板I和接地金属板II构成，其间由电容分压器连 接，交流电场信号由电容分压器低压臂引出至信号拾取电路，拾取信号通过精密整流滤波 处理后，由压频转换电路将其转换成频率信号，频率信号经光耦隔离后送至微处理器的捕 获单元，微处理器通过I/O 口与声光报警单元相连接，通过控制总线与通讯单元相连接。
在上述装置的方案中，所述的电容耦合器的金属板I和金属板II之间由绝缘子连 接，屏蔽壳与金属板II联结，与金属板I间由绝缘粘合剂联结；所述的电容分压器是由三个 同种介质的电容串联构成， 一个高压臂电容和两个低压臂电容，高压臂电容与金属板I有 电气连接，两个低压臂电容与高压臂电容串联后与金属板II有电气连接，经电容分压器分 压后的交流电场信号由两低压臂电容引出，引出信号连接至信号拾取电路；所述的信号拾 取电路是由两个静电计级高输入阻抗运算放大器U1、 U2和一个集成差分运算放大器U3构 成三运放测量电路，在差分运算放大器U3的输出端设置有运算放大器U4构成的同比例运 算电路，运算放大器U4的输出信号进入精密整流滤波电路；所述的精密整流滤波电路由运 算放大器U5、运算放大器U6、开关二级管D1、开关二级管D2和电阻电容构成，其输出信号进 入压频转换电路；所述的压频转换电路是由压频转换芯片U7和电阻电容构成，其转换后的 频率信号经过光耦隔离后送至微处理器的捕获单元；所述的微处理器单元是由处理器芯片 U15及其外围电路构成，微处理器芯片通过I/O 口与声光报警单元连接，通过控制总线与通 讯单元连接。 本发明中一种用于上述的高压配电装置真空管真空度在线监测装置的监测方法，
该方法是通过监测真空管屏蔽罩交流电位的变化来监测真空度的变化的，其实施监测时金
属板I紧靠真空管壁，金属板II与信号调理电路的电源地相连接后通过配电装置的金属外
壳接地；两块金属板构成的电容耦合器实现交流电场信号的耦合作用，耦合电场信号由电
容分压器分压后，得到一个与屏蔽罩交流静电电位大小呈正比的交流电压信号，该信号由
电容分压器两低压臂电容引出，经高输入阻抗的信号拾取电路拾取，拾取信号通过精密整
流滤波电路处理后进入压频转换电路，压频转换电路将其转换为频率信号，由此得到与屏
蔽罩电位大小呈正比的频率信号，频率信号经光耦隔离后进入微处理器的捕获单元，微处
理器利用其存储器内部固化的程序完成信号的频率计算及其对应真空度的关系处理，装置
中的微处理器通过对频率信号的软件处理后，实现分辨率为10—2的真空度在线监测。 本发明监测装置不仅消除了其它监测装置结构复杂，温度稳定性差的缺点，而且
消除了高压配电装置通过大电流时所产生的强电磁波干扰。其主要特点是无失真地得到了 与真空管屏蔽罩交流静电电位大小呈正比得频率信号，且与现有高端CPU结合构成了具有 真空管真空度现场在线监测、数据处理、真空度劣化预报警和数据通讯功能的监测装置。该 装置在结构设计上紧凑小巧，对高压配电装置配套实施监测时，原装置结构无需变动，只需 在相应处打上安装孔即可，不影响高压配电装置的各种性能，特别是其绝缘性不被影响。该 装置采用常规元件和材料，成本低，工业实现方便，是一种工业上较为实用的功能比较完备 的真空管真空度在线监测装置，从而避免了人工巡检，实现了运行管理自动化作业，提高了 高压配电装置乃至电力系统运行的可靠性。
图1是本发明监测装置的结构示意图； 图2是本发明监测装置的探头结构示意图； 图3是本发明信号拾取电路原理图； 图4是本发明精密整流滤波电路原理图； 图5是本发明压频转换电路原理图； 图6是本发明声光报警单元原理图； 图7是本发明通讯单元原理图。
具体实施例方式
下面结合附图由实施例对本发明的监测装置及其监测方法作出进一步的详细说 明。 实施例1 实施本发明所称的一种用于高压配电装置内真空管真空度的在线监测装置如 下 如图1为监测装置的结构图，图2_图7为监测装置各单元电路原理图。该装置包 括电容器耦合器、电容分压器、信号拾取电路、精密整流滤波电路、压频转换电路、微处理器 单元、声光报警单元和通讯单元。其中 电容耦合器的两金属板之间由三个同种介质电容串联构成的电容分压器连接，感 应到的交流电场信号由电容分压器低压臂取样并引出，引出的取样信号直接连接到信号拾 取电路上，拾取信号通过精密整流滤波电路处理，由压频转换电路将其转换成频率信号，频 率信号经光耦隔离后送至微处理器单元，微处理器单元通过I/O 口与声光报警单元相连 接，通过控制总线与通讯单元相接连。 对所述的电容耦合器其作用是耦合屏蔽罩外的交流电场信号，耦合器的两块金 属板之间通过绝缘子(4)支撑并连接，另外为了防止金属探头周边环境中电磁波信号的干 扰，结合电力系统电磁干扰的具体特点(工频为主)，其外围用高磁导率的硅钢材料做成的 屏蔽壳(3)包裹，屏蔽壳与接地金属板(5)联结，与另一金属板(1)用环氧树脂(2)等具有 绝缘粘合作用的材料联结。使用时接地金属板通过配套金属底座固定在配电装置的金属外 壳上接地；另外为保证整个装置在同一参考电位下工作，接地金属板还要与信号电路的电 源地相连。 对所述的电容分压器其作用主要是将金属板电极获取的交流静电电压信号保持 取样，以便信号拾取电路拾取其取样信号。其中与金属板(1)相连的电容构成分压器的高 压臂，另两个电容构成分压器的低压臂，且与接地金属板(5)连接的低压臂电容取值为另 外两个电容取值的10-20倍，装置中三个电容的典型取值从低压臂到高压臂依次是1UF、 0. 1UF、0. 1UF，取样电压信号从低压臂两端引出。 对所述的信号拾取电路主要作用是拾取电容分压器的取样电压信号，完成金属 探头与后续信号调理电路之间的信号无失真性衔接。其中Ul、 U2采用了静电计级高输入 阻抗运算放大器，U3采用了集成差分运算放大器，U1、U2、U3构成了一个输入阻抗为1015Q的三运放测量电路；为了增大信号拾取电路的输入阻抗、加快其响应速度、抑制其信号输出 漂移现象发生，在一级运放前端和二级运放前端加入了高容抗的交流耦合隔直电容C1、C2、 C3、 C4，其取值应与低压臂电容取值相匹配。另外为了使得差分运算放大器U3的输出信号 达到微处理芯片U15的最佳处理状态，电路中还加入了由运算放大器U4构成的同比例运算 放大电路。 对所述的精密整流滤波电路主要将拾取的工频交流信号整流成直流信号，以便 符合压频转换器件输入信号的要求，主要由运算放大器U5、运算放大器U6和开关二极管 Dl、开关二极管D2组成，其中开关二极管Dl、开关二极管D2选用反向漏电流较小的锗开关 二极管，运算放大器U5、运算放大器U6选用具有高输入阻抗和低输入失调电压、噪声小、转 换速率高，适合对小信号条件下电压/电流信号进行精密整形和放大的运算放大器。该电 路的特点是测量和转换的窗口比较宽，当输入交流信号幅值较小时可以精确地将其转换成 直流信号，当输入交流信号的幅值不超过运放工作电压的5/6时仍能正常工作。
对所述的压频转化电路主要将整流滤波后的模拟信号转换为抗干扰能力强的 脉冲频率式数字信号，其中压频转换器采用通用压频转换芯片U8及其通用的电阻、电容组 成；其中U8使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4V的电源 电压下都有极高的转换精度，其频率转换的最大线性度为0. 01%，输出满量程频率范围为 1Hz lOOkHz，而且其输出脉冲与所有逻辑形式兼容。 对所述的声光报警单元主要包括发光管D3、喇叭U8和三极管Ql、三极管Q2。声 光报警单元控制线与微控制器GPI0A1、GPI0A2 口相连。本监测装置设置在两种情况下发出 声光报警一是真空管真空度超过预设值时进行报警，二是真空管真空度在一定时间内超 过一定值时进行报警。 对所述的通讯单元RS-485电平转换芯片Ull经过光耦隔离器件U12、 U13、 U14 后，与微控制器U15相连。RS-485接口采用了平衡驱动器和差分接收器的组合，所以抗共模 干扰能力较强，其最大传输距离标准值为4000英尺，实际可达3000米，另外RS-485接口在 总线上允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样便可以利用单一的RS-485接口 方便地建立起多台高压配电装置内真空管真空度监测设备网络；因RS-485接口具有良好 的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为本监测装置中首选的串 行接口。 对所述的微处理器单元固化了一个真空度监测程序，包括初始化程序、频率信号 采集程序、信号频率与真空度变化对应关系处理程序、声光报警程序和通讯程序。频率信号 采集程序完成了信号的频率采集计算，信号频率与真空度变化对应关系处理程序完成了频 率信号大小与其对应真空度变化关系的处理，声光报警程序能够实现真空度劣化预报警功 能，485通讯程序完成了本监测装置与其它监测装置的并网连接和数据共享，微处理器通过 对频率信号的软件处理后，可实现分辨率为10—2的真空度在线监测。另外为了消除信号调 理电路所受的随机性干扰，微处理器在软件设计上采取了消除干扰的软件滤波措施。
权利要求
一种高压配电装置内真空管真空度在线监测装置，包括电容耦合器、电容分压器、信号拾取电路、精密整流滤波电路、压频转换电路、微处理器单元、声光报警单元和通讯单元，其特征在于电容耦合器是由金属板I(1)和接地金属板II(5)构成，其间由电容分压器连接，交流电场信号由电容分压器低压臂引出至信号拾取电路，拾取信号通过精密整流滤波处理后，由压频转换电路将其转换成频率信号，频率信号经光耦隔离后送至微处理器的捕获单元，微处理器通过I/O口与声光报警单元相连接，通过控制总线与通讯单元相连接。
2. 如权利要求l所述的装置，其电容耦合器的金属板I(l)和金属板I1(5)间由绝缘子 (4)连接，屏蔽壳与金属板I1(5)联结，与金属板I(l)间由绝缘粘合剂联结。
3. 如权利要求l所述的装置，其电容分压器是由三个同种介质的电容串联构成，一个 高压臂电容和两个低压臂电容，高压臂电容与金属板I (1)有电气连接，两个低压臂电容与 高压臂电容串联后与金属板I1(5)有电气连接，经电容分压器分压后的交流电场信号由两 低压臂电容引出，引出信号连接至信号拾取电路。
4. 如权利要求1所述的装置，其信号拾取电路是由两个静电计级高输入阻抗运算放大 器Ul、 U2和一个集成差分运算放大器U3构成三运放测量电路，在差分运算放大器U3的输 出端设置有运算放大器U4构成的同比例运算电路，运算放大器U4的输出信号进入精密整 流滤波电路。
5. 如权利要求1所述的装置，其精密整流滤波电路由运算放大器U5、运算放大器U6、开 关二级管D1、开关二级管D2和电阻电容构成，其输出信号进入压频转换电路。
6. 如权利要求1所述的装置，其压频转换电路是由压频转换芯片U7和电阻电容构成， 其转换后的频率信号经过光耦隔离后送至微处理器的捕获单元。
7. 如权利要求1所述的装置，其微处理器单元是由处理器芯片U15及其外围电路构成， 微处理器芯片通过I/O 口与声光报警单元连接，通过控制总线与通讯单元连接。
8. —种用于权利要求1所述的高压配电装置真空管真空度在线监测装置的监测方法， 该方法是通过监测真空管屏蔽罩交流电位的变化来监测真空度的变化的。
9. 如权利要求8所述的方法，其实施监测时金属板I(1)紧靠真空管壁，金属板I1(5) 与信号调理电路的电源地相连接后通过配电装置的金属外壳接地；两块金属板构成的电容 耦合器实现交流电场信号的耦合作用，耦合电场信号由电容分压器分压后，得到一个与屏 蔽罩交流静电电位大小呈正比的交流电压信号，该信号由电容分压器两低压臂电容引出， 经高输入阻抗的信号拾取电路拾取，拾取信号通过精密整流滤波电路处理后进入压频转换 电路，压频转换电路将其转换为频率信号，由此得到与屏蔽罩电位大小呈正比的频率信号， 频率信号经光耦隔离后进入微处理器的捕获单元，微处理器利用其存储器内部固化的程序 完成信号的频率计算及其对应真空度的关系处理，装置中的微处理器通过对频率信号的软 件处理后，实现分辨率为10—2的真空度在线监测。
全文摘要
一种高压配电装置内真空管真空度在线监测装置及其方法，装置中电容耦合器完成交流电场信号的耦合，耦合电场信号由电容分压器低压臂引出至信号拾取电路，拾取信号整流滤波处理后，通过压频转换电路变成频率信号，频率信号经光耦隔离后传送至微处理器单元。微处理器对采集到的信号进行软件处理和分析，从而实现分辨率为10-2的真空度在线监测功能，声光报警单元实现真空度劣化预报警功能，通讯单元支持本监测系统与其它监测系统并网集成连接，方便数据的集中处理、分析和共享。该装置通过监测真空管屏蔽罩交流电位的变化来监测真空度的变化，结构简单、成本较低，克服了pockels等光电探头的晶体元件温度不稳定的不足，测量可靠、便于安装，是一种功能比较完备的实时监测装置。
文档编号G01L21/00GK101762355SQ20091026397
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者孙范园, 宋建成, 张国栋, 田慕琴, 许春雨, 郭安林 申请人:太原理工大学