基于CC430的真空開(kāi)關(guān)真空度監測系統設計
真空開(kāi)關(guān)的真空度在發(fā)生變化時(shí)會(huì )引起屏蔽罩發(fā)生一系列變化，利用傳感器檢測屏蔽罩的電信號，再經(jīng)過(guò)濾波、放大后送往CC430 進(jìn)行處理、分析和比較來(lái)確定滅弧室真空度的值，最終得出屏蔽罩電位與真空度之間的關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)這種曲線(xiàn)關(guān)系可以在不關(guān)斷真空開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下判斷其真空度的大小，進(jìn)而實(shí)現真空開(kāi)關(guān)真空度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。CC430 通過(guò)自身集成的無(wú)線(xiàn)射頻模塊將數據信息發(fā)送給遠程用戶(hù)，實(shí)現信息的遠程監測。
隨著(zhù)我國電力系統、無(wú)油化改造以及電力設備制造技術(shù)的發(fā)展，真空開(kāi)關(guān)的使用也就更加普及和推廣。真空開(kāi)關(guān)以其體積小、環(huán)境污染小、滅弧性能好、運行維護簡(jiǎn)便、可靠性高、機械和電壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)在國內礦山、大中型水電站、變電所等供電系統中得到廣泛的應用。真空開(kāi)關(guān)是以真空作為絕緣和滅弧手段的斷路器，真空度直接影響真空開(kāi)關(guān)的性能, 如果不能及時(shí)掌控真空開(kāi)關(guān)的真空度，可能帶來(lái)不可想象的后果。資料顯示由沒(méi)有及時(shí)掌控真空開(kāi)關(guān)的真空度而引起的事故已經(jīng)造成了很大的損失。國內統計資料表明，真空開(kāi)關(guān)事故絕大多數因真空泄漏引起。所以，運用科學(xué)的手段對真空開(kāi)關(guān)進(jìn)行定期或不定期真空度監測，及時(shí)發(fā)現故障先兆對真空開(kāi)關(guān)乃至整個(gè)電力系統的安全和可靠運行都有十分重要的意義。
本文研究的內容涉及到對真空開(kāi)關(guān)真空度進(jìn)行在線(xiàn)監測和無(wú)線(xiàn)發(fā)送，在不關(guān)斷電源的情況下，對真空開(kāi)關(guān)滅弧室內的真空度進(jìn)行監測。運行中的真空開(kāi)關(guān)滅弧室內的真空度在發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)靜觸頭之間會(huì )產(chǎn)生放電現象，放電會(huì )發(fā)射出電磁波脈沖，導致屏蔽罩電位發(fā)生變化，它與滅弧室的真空度之間存在一定的關(guān)系，通過(guò)這種關(guān)系就可以判斷真空度的大小。在此原理上，本文利用傳感器來(lái)檢測屏蔽罩電位信號，經(jīng)過(guò)濾波、放大器后，然后由CC430 對數據進(jìn)行采集、處理、分析和比較來(lái)確定滅弧室內真空度的值，并通過(guò)其自帶的射頻模塊將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送到PC 或遠程用戶(hù)，實(shí)現真空度的實(shí)時(shí)監測。
1、真空開(kāi)關(guān)和CC430 簡(jiǎn)介
1.1、真空開(kāi)關(guān)
真空開(kāi)關(guān)由真空滅弧室、電磁或彈簧操動(dòng)機構、支架及其他部件構成，是控制管路或某封閉空間的真空度的開(kāi)關(guān)，為純機械形變導致微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。真空開(kāi)關(guān)是框架式斷路器的通俗稱(chēng)呼，實(shí)際上就是斷路器，主要作用是切斷大電流的電器元件。真空開(kāi)關(guān)是以真空作為絕緣和滅弧手段的斷路器，因此，真空度直接影響真空開(kāi)關(guān)的性能�，F對真空開(kāi)關(guān)真空度的測試方法有離線(xiàn)監測和在線(xiàn)監測。在線(xiàn)監測的方法主要有電光變換法、耦合電容法、磁控線(xiàn)圈法等。在不同的使用場(chǎng)合，真空滅弧室有種形式，總體來(lái)說(shuō)，真空滅弧室的基本結構如圖1所示。
圖1 真空滅弧室的基本結構
真空開(kāi)關(guān)采用真空阻止電弧重燃的方法實(shí)現熄滅電弧。真空滅弧室是用密封在真空中的一對動(dòng)、靜觸頭來(lái)實(shí)現電力電路的接通與分斷功能的一種電真空器件，獨特之處是利用高真空做絕緣介質(zhì)。真空滅弧室的真空度應在1.33×10-5 Pa ～ 1.33×10-2 Pa 范圍內，在這樣高真空度狀態(tài)下，氣體的密度很低，氣體分子的自由行程很大，不易產(chǎn)生碰撞游離，因此，觸頭間具有很高的絕緣強度和很強的開(kāi)斷能力。國標(GB)中規定，真空滅弧室內的真空度臨界值為6.6×10-2Pa。表1 就說(shuō)明了真空度在不同范圍時(shí)的真空滅弧室運行情況。
表1 真空度在不同范圍時(shí)的真空滅弧室運行情況
1.2、CC430 簡(jiǎn)介
CC430 是TI 在2008 年末發(fā)布的MSP430 家族的一個(gè)新的RF Soc 系列，CC430 集成了MSP430 當時(shí)最新5 系列的核以及低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)器CC1101 的核，并且集成了5 系列豐富的外設等。CC430 不但延續了其前輩超低功耗、高性能的傳統，而且集成了業(yè)界領(lǐng)先的1GHz 以下頻段的CC1101RF 收發(fā)器，是真正的業(yè)界最低功耗的單芯片射頻(RF) 解決方案。使用CC430 平臺既可降低系統復雜性、將封裝與印刷電路板尺寸縮小50%，又可簡(jiǎn)化RF 設計，從而將包括RF 網(wǎng)絡(luò )、能量采集、工業(yè)監控與篡改檢測、個(gè)人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及自動(dòng)抄表基礎設施等在內的應用推向前所未有的水平。本文中選用的是
CC430F5137, 具有以下特點(diǎn)：
1)工作電壓低：2.0 ～ 3.6V；
2)I/O 口電平：0 ～ VCC；
3)工作頻段：433 ± 10MHz；
4)發(fā)射功率：-30dBm ～ 10 ± 1dBm；
5)高接收靈敏度：-106 ± 1dBm(@433MHz，2400bps)；
6)2-FSK、GFSK、ASK/OOK 調制方式，提高數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾能力；
7)低功耗：發(fā)射電流≤ 40mA，接收電流≤ 25mA，睡眠電流≤ 2μA；
8)自帶多通道12 位AD 轉換
9)集成無(wú)線(xiàn)射頻模塊
2、真空開(kāi)關(guān)真空度在線(xiàn)監測系統設計
2.1、真空度在線(xiàn)監測系統結構框圖
本文系統主要是通過(guò)監測屏蔽罩的直流電位信號來(lái)分析其與真空度的關(guān)系來(lái)判斷滅弧室內真空度的變化情況，設計結構如圖2 所示。傳感器探頭分別接在真空開(kāi)關(guān)A、B、C 三相的三個(gè)真空滅弧室內，其對真空滅弧室的屏蔽罩電信號進(jìn)行采集并輸出，信號經(jīng)AD 轉換處理后進(jìn)行濾波、放大預處理，CC430 對預處理后的數據進(jìn)行采集、分析以及比較，來(lái)評估滅弧室內的真空狀況并顯示。當真空度低于標準真空度值時(shí)發(fā)出報警，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)將報警信息發(fā)送給遠程的工作人員以提醒。CC430 的最小系統如圖3 所示。
圖2 系統總體框圖
圖3 CC430 最小系統
2.2、真空度在線(xiàn)監測系統的監測原理
在真空開(kāi)關(guān)工作時(shí)，真空滅弧室屏蔽罩上的電位是由高壓部分—屏蔽罩、屏蔽罩—接地電極之間分別所具有的靜電電容的分壓決定。真空滅弧室只有在正常的工作電壓和標準的真空狀態(tài)下正常運行時(shí)，滅弧室屏蔽罩上才不會(huì )帶有靜電荷；然而當真空滅弧室真空度降低到臨界壓強(10-2Pa 左右) 時(shí), 不僅電氣參量有變化, 而且非電氣參量也有一定變化。在電氣參量的變化中，會(huì )導致真空滅弧室觸頭與屏蔽罩之間產(chǎn)生電流信號，滅弧室的屏蔽罩上也會(huì )因此產(chǎn)生一定的靜電荷，從而形成直流電位。屏蔽罩的直流電位會(huì )隨著(zhù)真空度的降低而發(fā)生相應地變化。本系統是通過(guò)檢測屏蔽罩的直流電位來(lái)監測滅弧室內真空度。
圖4 真空度與屏蔽罩電位關(guān)系
圖4 表示的是真空滅弧室內真空度與屏蔽罩上直流電位的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當真空滅弧室內的真空度在臨界真空度以上時(shí)，真空滅弧室屏蔽罩的電位幾乎沒(méi)有多大的變化。隨著(zhù)真空度的惡化，屏蔽罩上的電位會(huì )相應地下降。因此，由他們之間的關(guān)系曲線(xiàn)可知，只要測量出屏蔽罩的直流電位，就可以得出此時(shí)相應的真空度。因此，通過(guò)檢測屏蔽罩上的電信號即可在線(xiàn)監測真空滅弧室內的真空度狀況。
2.3、監測系統中數據的采集處理
由于真空開(kāi)關(guān)處于的環(huán)境是在高壓狀態(tài)下，傳感器探頭監測到屏蔽罩的電位信號，并經(jīng)過(guò)一系列的信號處理和A/D 轉換，使之轉換成為數字信號。在高壓的環(huán)境下，為了采集到幾乎不失真的電信號，要求設計的采集系統也具有非常強的抗干擾能力。所以我們在對輸入的模擬信號進(jìn)入A/D 轉換以后采用隔離放大器，實(shí)現輸入/ 輸出的信號隔離和增益控制信號的隔離，增強其抗干擾能力。圖5 為數據采集系統框圖。
圖5 數據采集系統框圖
隔離放大器具備兩大功能，即前置功能和放大功能。其對采集到的電信號進(jìn)行處理并將輸出信號調整至A/D 能夠采樣的范圍內以及將輸入級與后級完全隔離，因此，提高了數據采集系統的抗干擾能力。
3、系統軟件設計
該系統通過(guò)對屏蔽罩的直流電信號進(jìn)行信號的放大、濾波、采集、數據處理等環(huán)節來(lái)判斷真空滅弧室內真空度的狀況。本文采用Matlab7.0 軟件和C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現軟件的設計。利用C 語(yǔ)言執行速度快的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)軟件程序，可保證系統快速、準確地進(jìn)行數據采集。Matlab7.0 的人機互動(dòng)式畫(huà)面和可視化功能，使數據處理更加簡(jiǎn)單。圖6 為CC430 的軟件工作流程。
圖6 CC430 的工作流程
4、結 論
真空開(kāi)關(guān)作為我國電力行業(yè)日趨普及的高壓電器, 真空度的在線(xiàn)監測對于真空開(kāi)關(guān)的安全運行有著(zhù)極其重要的意義。本文設計的系統采用CC430 來(lái)對采集到的數據進(jìn)行處理、分析和比較來(lái)得出其中的關(guān)系曲線(xiàn)，并將報警信息發(fā)送給遠程用戶(hù)，達到在線(xiàn)監測的目的。使用CC430，不僅實(shí)現數據的處理、分析、比較和顯示等處理，還可實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。本文系統不僅方法簡(jiǎn)單而且系統更具有實(shí)用性。
