真空灭弧室内的真空度测试仪设计论文

毕 业 设 计2013 年 6 月 1 日设计题目 真空灭弧室内的真空度测试仪设计 学生姓名 陈炜鑫 学 号 20090752 专业班级 机械设计制造及其自动化 09-10 班 指导教师 褚向前 院系名称 机械与汽车工程学院 目 录中文摘要 .1英文摘要. .21 引言 .32 真空灭弧室 .32.1 真空灭弧室的概述 .32.2 真空灭弧室真空度概述 .42.3 真空灭弧室内真空度的检测方法 .62.3.1 观察法 .62.3.2 工频耐压法 .72.3.3 磁控放电法 .72.3.4 在线检测 .82.4 真空灭弧室测试仪方案选择 .93 真空灭弧室测试仪设计 .93.1 基本原理 .93.2 磁控放电条件 .113.3 离子电流与真空度的关系 .124 测试仪硬件设计 .134.1 磁场线圈 .144.2 电气电路 .154.3 控制电路 .164.3.1 单片机最小系统 .174.3.2 模数转换模块 .174.3.3 LCD 显示模块 .184.3.4 RS232 串口 .195 测试仪程序设计 .195.1 程序设计 .205.2 模拟仿真 .22结论 .24致谢 .25参考文献 .26附录 1 真空灭弧室测试仪 C 语言程序代码 .27附录 2 真空灭弧室测试仪电路原理图 .360真空灭弧室内的真空度测试仪设计摘 要:真空断路器在中低压领域已经有很多年应用历史，真空灭弧室的真空度决定了真空断路器工作的可靠性，当真空灭弧室真空度下降到一定程度会导致真空断路器失效，危害电网安全，因此对真空灭弧室内的真空度检测具有十分重要的意义。文中叙述了真空灭弧室的工作原理和真空度的概念，分析了观察法、工频耐压法、磁控放电法和在线检测法测试真空灭弧室真空度的优、缺陷，介绍真空灭弧室测试仪的硬件框图和工作原理，该仪器采用 80C51 单片机和 ADC0809 模数转换芯片进行同步控制和数据采集处理，给出了测试仪的程序设计思路和流程图，并使用 proteus 对硬件电路进行了仿真，仿真确保了程序的可靠性，仿真结果表明测试仪工作性能良好。关键字:真空灭弧室，磁控放电，测试仪1Abstract:Vacuum circuit breaker has been applied in Low-voltage field for a long time. The reliability of the vacuum circuit breaker depends on the vacuum degree of vacuum interrupter. When the vacuum degree of vacuum interrupter decreased to failure, the vacuum circuit breaker will become invalid and the electricity network will be endangered as well, so it plays an important role in detecting the vacuum degree of vacuum interrupter. This paper introduces the principle of vacuum interrupters and the concept of the vacuum degree of the vacuum interrupter. Whats more, the advantages and disadvantages of some methods are analyzed in testing the vacuum degree of vacuum interrupter, such as the method of observation, the method of the industrial frequency withstand voltage, the method of magnetron discharge and online detection method. And the hardware circuit and the principle of vacuum interrupter tester are introduced. The instrument which uses 80C51 microcontroller and analog-digital conversion chip ADC0809 can control simultaneously and process the data. This paper shows the design ideas of tester program and flowcharts, and uses proteus software to simulate the hardware circuit, which ensures the reliability of program, the result of simulation shows the good performance of vacuum tester.Keywords:vacuum interrupter, magnetron discharge, test instrument21 引言真空断路器在中低压领域的应用已有 50 多年的历史，并还在快速增长，真空断路器在低压及中压领域是重要的一种开关器件，它作为新型的、无油化的开关设备，在我国电路电网中具有广泛的应用。真空断路器具有安全可靠、机械和电气寿命长和不污染环境等优点 1。影响真空灭弧室的工作性能的因素是真空度，灭弧室内真空度的减少，将会导致灭弧室的开断能力降低，使其难以开断短路电流，危害电网安全。为了实现电流的分断和灭弧，真空灭弧室内的气体压力不得大于 6.610-2Pa，气体压力在其有效作用范围外，灭弧室就无法可靠地开断短路电流，真空断路器的绝缘性能就得不到保证，严重时甚至正常工作的下负荷电流都无法开断导致真空断路器完全失效。因此，必须要对真空灭弧室进行周期性的检查，确定其真空度在允许范围内，对电网系统的安全运行具有非常重要的意义。2 真空灭弧室2.1 真空灭弧室的概述真空开关是电网电力系统中关键元件。真空开关设备指代真空负载开关、断路器和接触器 2。真空开关以真空作为灭弧介质，在真空空间内气体分子稀薄，气体分子少，相互碰撞的几率低，因此真空空间具有很强的绝缘能力。真空开关的核心是真空灭弧室，其结构如图 2.1 所示，主要由动触头(5)、静触头(3)，屏蔽罩(4)，波纹管(9)，外壳(6)和其他零件组成，灭弧室的结构直接决定着真空开关的性能 3。3图 2.1 真空灭弧室结构真空灭弧室以高真空作为绝缘熄弧介质，靠灭弧室内的动、静触头开断来实现电路通断的电气器件。其工作原理是：在动触头(5)和静触头(3)在分离的瞬间，两个触头的接触面积不断减少，电流通过触头的截面不断减少，接触面电阻和温度不断增大，直到触头金属发生蒸发，产生了极强的电场，触头间的间隙被电流击穿，产生电弧。当两个触头完全分离时，两触头间的间隙被真空阻断，电流和电弧就被断开了。我国从上个世纪 50 年代末就开始从事真空灭弧理论及真空开关的研究，1980以来，真空断路器得到了广泛的使用。真空灭弧室发展已经有 50 多年，现在已经能够生产开断高达 35kV 的真空断路器。2.2 真空灭弧室真空度概述在给定的空间内绝对压力低于标准大气压，被称为真空。国际单位制使用帕(Pa)作为压力的单位，1Pa 即 1 。本文中检测的真空度是指检测真空灭弧室内的真空2N/m度。如表 2.1 展示了不同真空区域的真空压力。4表 2.1 真空度范围的划分真空区域 真空压力 P极高真空 a10.3-超高真空 .1. -6-10高真空 16低真空 Pa0.3Pa.32-1粗真空 052根据高压真空断路器订货技术条件得知真空灭弧室的工作真空范围为高真空区域。在高真空下，气体稀薄，电子的平均自由程很长，空间中气体分子稀少，分子之间发生碰撞的几率很低，因此，触头之间间隙具有很高的绝缘性能 4。真空灭弧室的性能受灭弧室内的真空度影响，真空度的下降会影响到灭弧室的开断能力，为了确保真空灭弧的工作可靠性，真空灭弧室必须被限制在一定压力下工作。由真空灭弧室的工作性质决定了对其内部的真空度有严格的要求，用在不同用途的真空灭弧室对真空度要求不同，如用于真空接触器的灭弧室其最小允许真空度可相比其他用途灭弧室低一些。真空灭弧室从工厂出厂后，不能始终维持其内部压力恒定不变，而是具有一定的真空寿命。真空寿命的定义是指真空灭弧室从出厂到其内部压力泄漏到最大允许压力的时间。表 2.2 列出了不同范围真空度的真空灭弧室的运行状况 5。表 2.2 不同范围真空度的真空灭弧室运行状况真空灭弧室内压力 P 真空灭弧室运行状况a106.-2已损坏，必须更换.P. -2-3可以运行，必须定期验周期34合格a106.-4运行良好真空灭弧室在工作一定年限后，由于受自身质量、生产工艺、存储、运输、安装和工作环境等影响因素，其内部的真空度会不断降低，主要有以下几种原因：(1) 灭弧室本身结构的缺陷：材料寿命、外壳破裂、波纹管受损，这种缺陷造成的漏气需要经过长时间的检测，并且通过记录分析才能被发现，而且需要真空度降低到一定程度才能被发现。5(2) 灭弧室内壁、屏蔽罩或者波纹管含有一定的气体，在工作一段时间后气体慢慢析出。(3) 外部因素的影响，外力造成的灭弧室损坏漏气。运行过程中需要及时关注真空灭弧室的真空度，真空度的降低会影响真空灭弧室正常开断，严重时甚至不能开断工频负载电流，引起安全事故。因此，定期检测真空灭弧室的真空度，对真空灭弧室的可靠运行是十分重要的保证 6。2.3 真空灭弧室内真空度的检测方法目前，真空灭弧室真空度的测试方法可分为离线检测和带电(在线)检测两大类。离线检测方法有：观察法、工频耐压法、脉冲磁控放电法等 7。2.3.1 观察法真空灭弧室的外壳有玻璃和陶瓷两种。通常使用观察法来判断玻璃外壳灭弧室的气体泄漏程度，有如下方式：（1）查看吸气剂薄膜颜色玻璃外壳真空灭弧室制造时，其内壁上附上一种有特殊性质的吸气剂。这种吸气剂有二个作用：1、它可以吸收在玻璃管内的残余气体，这样玻璃管内的真空可以较稳定的维持在高真空状态。2、它的颜色变化可以反映玻璃管内的真空度。如果吸气剂层的颜色比较亮丽说明玻璃管内的真空度符合要求。但是当它的颜色显现成乳白色，那么就说明玻璃管内的真空度不是很好，真空度下降较大。（2）查看开断电流时的弧光颜色气体分子泄漏进灭弧室，气体分子增加会导致灭弧室内的零件发生氧化和电流颜色变化，不定期观察灭弧室内零件的颜色或者电流颜色可以判断真空度是否泄漏，若有则需要进行进一步的真空度检测。（3）使用电火花计检测电火花计检测时将探头沿着灭弧室的外表面移动，真空灭弧室内在电场作用下有不同程度的发光，根据实践经验，红蓝色辉光表明已经无法断开工频电流，淡青色的辉光表明真空度良好，若没有发光则表明完全损坏。（4）优缺点6观察法操作简单，可以快速判断真空灭弧室劣化的情况，但观察法判断并不准确，需要丰富的经验，判断的结果通常作为参考，不能作为判断依据，且只能应用于玻璃外壳。随着生产工艺的不断发展，玻璃外壳的真空灭弧室的应用逐渐减少，因此观察法带有很大的局限性。2.3.2 工频耐压法（1）试验原理由于真空灭弧室具有断开工作时电压电流的功能，所以可以直接给两个触头处于开断状态下的灭弧室加上工作时最大的电压，若触头间隙被击穿或者发现放电，则说明这个管子已经失效了，这种方法判断灭弧室的真空度简单易行。（2）优、缺点这种方法原理简单，检测简便，但其只对气体泄漏很严重的灭弧室进行测试，并且不能准确判断真空度，属于定性检测方法，且无法分辨真空度处于临界状态的灭弧室，另外，工频耐压法对灭弧室会产生一定程度的损坏，不宜频繁使用这种方法检测。2.3.3 磁控放电法如图 2.2 为磁控放电法测量的原理图。其工作原理为：如图将两触头拉开一定距离，向图中的磁场线圈通大电流，使其产生灭弧室的同轴磁场，同时向两触头上加以脉冲高压，使其产生场致发射，阴极发射出电子，电子在磁场的作用下，做螺线型运动，因此电子的运动路程大大增加，与残余气体分子发生碰撞的几率增加。电子和气体分子碰撞电离产生的离子在电场作用下形成离子电流。实验表明，碰撞产生的离子电流和灭弧室内的气体压力大致呈线性关系 8。对不同型号，不同规格的灭弧室，其碰撞产生的离子电流大小也不同。通过对某一型号灭弧室的进行标定试验，可以获得离子电流和真空度的对应曲线。因此，只需要测量离子电流，由曲线可以得到真空度。7图 2.2 磁控放电测量原理图2.3.4 在线检测真空灭弧室从制造厂排气系