真空滅弧室內(nèi)的真空度測試儀設計-論文

1、畢業(yè)設計設計題目 真空滅弧室內(nèi)的真空度測試儀設計 學生姓名 陳煒鑫 學 號 20090752 專業(yè)班級 機械設計制造及其自動化09-10班 指導教師 褚向前 院系名稱 機械與汽車工程學院 2013 年 6 月 1 日目錄中文摘要1英文摘要.21引言32真空滅弧室32.1 真空滅弧室的概述32.2 真空滅弧室真空度概述42.3 真空滅弧室內(nèi)真空度的檢測方法62.3.1 觀察法62.3.2 工頻耐壓法72.3.3 磁控放電法72.3.4 在線檢測82.4 真空滅弧室測試儀方案選擇93真空滅弧室測試儀設計93.1 基本原理93.2 磁控放電條件113.3 離子電流與真空度的關系124測試儀硬件設計1

2、34.1 磁場線圈144.2 電氣電路154.3 控制電路164.3.1 單片機最小系統(tǒng)174.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊174.3.3 LCD顯示模塊184.3.4 RS232串口195測試儀程序設計195.1 程序設計205.2 模擬仿真22結(jié)論24致謝25參考文獻26附錄1 真空滅弧室測試儀C語言程序代碼27附錄2 真空滅弧室測試儀電路原理圖36真空滅弧室內(nèi)的真空度測試儀設計摘要:真空斷路器在中低壓領域已經(jīng)有很多年應用歷史，真空滅弧室的真空度決定了真空斷路器工作的可靠性，當真空滅弧室真空度下降到一定程度會導致真空斷路器失效，危害電網(wǎng)安全，因此對真空滅弧室內(nèi)的真空度檢測具有十分重要的意義。文中敘

3、述了真空滅弧室的工作原理和真空度的概念，分析了觀察法、工頻耐壓法、磁控放電法和在線檢測法測試真空滅弧室真空度的優(yōu)、缺陷，介紹真空滅弧室測試儀的硬件框圖和工作原理，該儀器采用80C51單片機和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行同步控制和數(shù)據(jù)采集處理，給出了測試儀的程序設計思路和流程圖，并使用proteus對硬件電路進行了仿真，仿真確保了程序的可靠性，仿真結(jié)果表明測試儀工作性能良好。關鍵字:真空滅弧室，磁控放電，測試儀Abstract:Vacuum circuit breaker has been applied in Low-voltage field for a long time. The re

4、liability 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 detec

5、ting 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. What's more, the advantages and disadvantages of some methods are analyzed in testing the vacuum degree of vacuum interrupter,

6、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 anal

7、og-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 perfor

8、mance of vacuum tester.Keywords:vacuum interrupter, magnetron discharge, test instrument1引言真空斷路器在中低壓領域的應用已有50多年的歷史，并還在快速增長，真空斷路器在低壓及中壓領域是重要的一種開關器件，它作為新型的、無油化的開關設備，在我國電路電網(wǎng)中具有廣泛的應用。真空斷路器具有安全可靠、機械和電氣壽命長和不污染環(huán)境等優(yōu)點1。影響真空滅弧室的工作性能的因素是真空度，滅弧室內(nèi)真空度的減少，將會導致滅弧室的開斷能力降低，使其難以開斷短路電流，危害電網(wǎng)安全。為了實現(xiàn)電流的分斷和滅弧，真空滅弧室內(nèi)的氣體壓力不得

9、大于6.6×10-2Pa，氣體壓力在其有效作用范圍外，滅弧室就無法可靠地開斷短路電流，真空斷路器的絕緣性能就得不到保證，嚴重時甚至正常工作的下負荷電流都無法開斷導致真空斷路器完全失效。因此，必須要對真空滅弧室進行周期性的檢查，確定其真空度在允許范圍內(nèi)，對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行具有非常重要的意義。2真空滅弧室2.1 真空滅弧室的概述真空開關是電網(wǎng)電力系統(tǒng)中關鍵元件。真空開關設備指代真空負載開關、斷路器和接觸器2。真空開關以真空作為滅弧介質(zhì)，在真空空間內(nèi)氣體分子稀薄，氣體分子少，相互碰撞的幾率低，因此真空空間具有很強的絕緣能力。真空開關的核心是真空滅弧室，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，主要由動觸頭(

10、5)、靜觸頭(3)，屏蔽罩(4)，波紋管(9)，外殼(6)和其他零件組成，滅弧室的結(jié)構(gòu)直接決定著真空開關的性能3。圖2.1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)真空滅弧室以高真空作為絕緣熄弧介質(zhì)，靠滅弧室內(nèi)的動、靜觸頭開斷來實現(xiàn)電路通斷的電氣器件。其工作原理是：在動觸頭(5)和靜觸頭(3)在分離的瞬間，兩個觸頭的接觸面積不斷減少，電流通過觸頭的截面不斷減少，接觸面電阻和溫度不斷增大，直到觸頭金屬發(fā)生蒸發(fā)，產(chǎn)生了極強的電場，觸頭間的間隙被電流擊穿，產(chǎn)生電弧。當兩個觸頭完全分離時，兩觸頭間的間隙被真空阻斷，電流和電弧就被斷開了。我國從上個世紀50年代末就開始從事真空滅弧理論及真空開關的研究，1980以來，真空斷路器得到

11、了廣泛的使用。真空滅弧室發(fā)展已經(jīng)有50多年，現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產(chǎn)開斷高達35kV的真空斷路器。2.2 真空滅弧室真空度概述在給定的空間內(nèi)絕對壓力低于標準大氣壓，被稱為真空。國際單位制使用帕(Pa)作為壓力的單位，1Pa即1。本文中檢測的真空度是指檢測真空滅弧室內(nèi)的真空度。如表2.1展示了不同真空區(qū)域的真空壓力。表2.1 真空度范圍的劃分真空區(qū)域真空壓力P極高真空超高真空高真空低真空粗真空根據(jù)高壓真空斷路器訂貨技術條件得知真空滅弧室的工作真空范圍為高真空區(qū)域。在高真空下，氣體稀薄，電子的平均自由程很長，空間中氣體分子稀少，分子之間發(fā)生碰撞的幾率很低，因此，觸頭之間間隙具有很高的絕緣性能4。真空滅弧室

12、的性能受滅弧室內(nèi)的真空度影響，真空度的下降會影響到滅弧室的開斷能力，為了確保真空滅弧的工作可靠性，真空滅弧室必須被限制在一定壓力下工作。由真空滅弧室的工作性質(zhì)決定了對其內(nèi)部的真空度有嚴格的要求，用在不同用途的真空滅弧室對真空度要求不同，如用于真空接觸器的滅弧室其最小允許真空度可相比其他用途滅弧室低一些。真空滅弧室從工廠出廠后，不能始終維持其內(nèi)部壓力恒定不變，而是具有一定的真空壽命。真空壽命的定義是指真空滅弧室從出廠到其內(nèi)部壓力泄漏到最大允許壓力的時間。表2.2列出了不同范圍真空度的真空滅弧室的運行狀況5。表2.2 不同范圍真空度的真空滅弧室運行狀況真空滅弧室內(nèi)壓力P真空滅弧室運行狀況已損壞，必

13、須更換可以運行，必須定期驗周期合格運行良好真空滅弧室在工作一定年限后，由于受自身質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、存儲、運輸、安裝和工作環(huán)境等影響因素，其內(nèi)部的真空度會不斷降低，主要有以下幾種原因：(1) 滅弧室本身結(jié)構(gòu)的缺陷：材料壽命、外殼破裂、波紋管受損，這種缺陷造成的漏氣需要經(jīng)過長時間的檢測，并且通過記錄分析才能被發(fā)現(xiàn)，而且需要真空度降低到一定程度才能被發(fā)現(xiàn)。(2) 滅弧室內(nèi)壁、屏蔽罩或者波紋管含有一定的氣體，在工作一段時間后氣體慢慢析出。(3) 外部因素的影響，外力造成的滅弧室損壞漏氣。運行過程中需要及時關注真空滅弧室的真空度，真空度的降低會影響真空滅弧室正常開斷，嚴重時甚至不能開斷工頻負載電流，引起安

14、全事故。因此，定期檢測真空滅弧室的真空度，對真空滅弧室的可靠運行是十分重要的保證6。2.3 真空滅弧室內(nèi)真空度的檢測方法目前，真空滅弧室真空度的測試方法可分為離線檢測和帶電(在線)檢測兩大類。離線檢測方法有：觀察法、工頻耐壓法、脈沖磁控放電法等7。2.3.1 觀察法真空滅弧室的外殼有玻璃和陶瓷兩種。通常使用觀察法來判斷玻璃外殼滅弧室的氣體泄漏程度，有如下方式：（1） 查看吸氣劑薄膜顏色玻璃外殼真空滅弧室制造時，其內(nèi)壁上附上一種有特殊性質(zhì)的吸氣劑。這種吸氣劑有二個作用：1、它可以吸收在玻璃管內(nèi)的殘余氣體，這樣玻璃管內(nèi)的真空可以較穩(wěn)定的維持在高真空狀態(tài)。2、它的顏色變化可以反映玻璃管內(nèi)的真空度。如

15、果吸氣劑層的顏色比較亮麗說明玻璃管內(nèi)的真空度符合要求。但是當它的顏色顯現(xiàn)成乳白色，那么就說明玻璃管內(nèi)的真空度不是很好，真空度下降較大。（2） 查看開斷電流時的弧光顏色氣體分子泄漏進滅弧室，氣體分子增加會導致滅弧室內(nèi)的零件發(fā)生氧化和電流顏色變化，不定期觀察滅弧室內(nèi)零件的顏色或者電流顏色可以判斷真空度是否泄漏，若有則需要進行進一步的真空度檢測。（3） 使用電火花計檢測電火花計檢測時將探頭沿著滅弧室的外表面移動，真空滅弧室內(nèi)在電場作用下有不同程度的發(fā)光，根據(jù)實踐經(jīng)驗，紅藍色輝光表明已經(jīng)無法斷開工頻電流，淡青色的輝光表明真空度良好，若沒有發(fā)光則表明完全損壞。（4） 優(yōu)缺點觀察法操作簡單，可以快速判斷真

16、空滅弧室劣化的情況，但觀察法判斷并不準確，需要豐富的經(jīng)驗，判斷的結(jié)果通常作為參考，不能作為判斷依據(jù)，且只能應用于玻璃外殼。隨著生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，玻璃外殼的真空滅弧室的應用逐漸減少，因此觀察法帶有很大的局限性。2.3.2 工頻耐壓法（1） 試驗原理由于真空滅弧室具有斷開工作時電壓電流的功能，所以可以直接給兩個觸頭處于開斷狀態(tài)下的滅弧室加上工作時最大的電壓，若觸頭間隙被擊穿或者發(fā)現(xiàn)放電，則說明這個管子已經(jīng)失效了，這種方法判斷滅弧室的真空度簡單易行。（2） 優(yōu)、缺點這種方法原理簡單，檢測簡便，但其只對氣體泄漏很嚴重的滅弧室進行測試，并且不能準確判斷真空度，屬于定性檢測方法，且無法分辨真空度處于臨界

17、狀態(tài)的滅弧室，另外，工頻耐壓法對滅弧室會產(chǎn)生一定程度的損壞，不宜頻繁使用這種方法檢測。2.3.3 磁控放電法如圖2.2為磁控放電法測量的原理圖。其工作原理為：如圖將兩觸頭拉開一定距離，向圖中的磁場線圈通大電流，使其產(chǎn)生滅弧室的同軸磁場，同時向兩觸頭上加以脈沖高壓，使其產(chǎn)生場致發(fā)射，陰極發(fā)射出電子，電子在磁場的作用下，做螺線型運動，因此電子的運動路程大大增加，與殘余氣體分子發(fā)生碰撞的幾率增加。電子和氣體分子碰撞電離產(chǎn)生的離子在電場作用下形成離子電流。實驗表明，碰撞產(chǎn)生的離子電流和滅弧室內(nèi)的氣體壓力大致呈線性關系8。對不同型號，不同規(guī)格的滅弧室，其碰撞產(chǎn)生的離子電流大小也不同。通過對某一型號滅弧室

18、的進行標定試驗，可以獲得離子電流和真空度的對應曲線。因此，只需要測量離子電流，由曲線可以得到真空度。圖2.2 磁控放電測量原理圖2.3.4 在線檢測真空滅弧室從制造廠排氣系統(tǒng)上密封后，其內(nèi)部的氣體壓力，以往只能在非運行狀態(tài)下采用離線檢測的方法才可監(jiān)知是否還在允許范圍內(nèi)。目前可用于在線檢測的放法有：耦合電容法、電光變換法、脈沖電流法、放電超聲波法等，其中大部分方法都采用局部放電檢測法。在線檢測在滅弧室的應用：因真空滅弧室的屏蔽罩和帶電觸頭電荷分布因素，形成類似電容的結(jié)構(gòu)，其擊穿電壓隨真空度下降而降低，當擊穿電壓下降到某一值時，電容被擊穿放電從而引起電場、磁場改變，通過檢測由此而產(chǎn)生的電容變化、電

19、磁波等來間接檢測真空度的變化9。圖2.3為擊穿電壓和真空度關系圖。圖2.3 真空滅弧室?guī)щ娪|頭和屏蔽罩之間擊穿電壓和真空度曲線圖目前這些檢測方法帶有一定的局限性，如圖2.3所示在真空度以6.65×10-2Pa為界限，氣體壓力高于這個值滅弧室屏蔽罩和帶電觸頭擊穿電壓才開始下降，故只能檢測氣體壓力大于6.65×10-2Pa，不能滿足滅弧室內(nèi)真空度精確的檢測。如何在真空滅弧室處于帶電運行(在線)的狀態(tài)下隨時檢測其內(nèi)真空度的變化，從而有利于開展狀態(tài)檢修，確保運行安全可靠，這是用戶十分關心的問題，是智能化高壓電器的發(fā)展方向，但目前國內(nèi)外沒有成熟的在線檢測解決方案7。2.4 真空滅弧室

20、測試儀方案選擇工頻耐壓法因為操作簡單、易檢測等優(yōu)點，作為真空滅弧室真空度的首選檢測方法，但由于耐壓法電壓較低，真空度在10-510-3Pa之間顏色變化不大，只能定性檢測真空度，只適用于滅弧室內(nèi)真空度泄漏到一定程度的斷路器。實踐驗證，耐壓測試真空度為10-1Pa的滅弧室上仍能通過，10-1Pa已經(jīng)處于真空滅弧室的有效范圍之外，故使用工頻耐壓法無法滿足滅弧室真空度的定量測試。在線檢測方法雖然多，但是由于每種方案都存在一些固有的缺陷，使得對真空滅弧室的真空度進行在線檢測的技術目前還遠未達到實際應用的地步。磁控放電法屬于間接測量方法，所獲得的離子電流與真空度近似成正比例關系，真空度靈敏度能夠達到10-

21、4Pa，基本滿足對真空滅弧室真空度定量測定的要求。本文研制的真空滅弧室測試儀使用磁控放電法進行檢測。3真空滅弧室測試儀設計3.1 基本原理如圖3.1所示為真空度測試儀設計圖，該電路由電場電壓、磁場電壓、勵磁線圈、微機測控電路組成，其中微機測控電路在第四章詳細介紹，磁場電壓作用是產(chǎn)生磁場，給電場電壓通電可以產(chǎn)生強電場。圖3.1 測試儀設計圖測試儀工作過程為：將真空滅弧室兩觸頭拉開一定的開距，由單片機輸出兩路控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路使繼電器導通，220V交流電源經(jīng)過磁場、電場的整流電路后，磁場電壓源對勵磁線圈放電使其產(chǎn)生勵磁電場，同時電場電壓源輸出到滅弧室的觸頭上。強電場使電子發(fā)射，磁場使電子作螺旋

22、運動，電子在運動過程中與氣體分子發(fā)生碰撞電離的幾率較大。經(jīng)過試驗得出結(jié)論：碰撞產(chǎn)生的離子電流與氣體壓力近似成正例，故根據(jù)離子電流的可以反映滅弧室內(nèi)氣體壓力的大小。為了提高測試儀的檢測精度我們還要討論漏電流、全電流和離子電流的概念。漏電流：在真空滅弧室正常開距下，給兩觸頭施加脈沖高壓直流電壓，根據(jù)冷陰極發(fā)射理論，強電場作用下電子從屏蔽罩的表面與陰極觸頭射出，并在電場作用下向陽極運動，不斷發(fā)射的電子形成電子流，這種電子流稱為漏電流。由于兩觸頭間距小于電子的自由程，電子和滅弧室內(nèi)氣體分子碰撞的幾率很小，所以泄漏電流不能正確反映真空滅弧室的真空度。全電流：在電場和磁場的共同作用下場致發(fā)射的電子做螺旋運

23、動，電子運動的路程增大，因此碰撞發(fā)生電離的概率也增加，這時測量出的電流值為全電流，即包含電子和離子共同作用下產(chǎn)生的電流值。離子電流：由電子碰撞產(chǎn)生的離子產(chǎn)生的電流，由于測量得到的全電流包含了漏電流的電流量，為了測量真空滅弧室內(nèi)準確的真空度，需要扣除漏電流值，即離子電流為全電流剔除漏電流所得的電流值。本文章測試儀最終測試顯示結(jié)果為離子電流。3.2 磁控放電條件兩觸頭間隙中建立強電場以后，在陰極表面上便有微弱的電子發(fā)射，根據(jù)場致發(fā)射定理，此電流極小。電子流在磁場中做勻速螺旋運動，使得電子的運動路程大大增加，電子與殘余氣體的碰撞的幾率增大10。設為徑向初始速度為，(3-1)式中，RL為運動半徑、TL

24、為運動周期，為電子的質(zhì)量，為電子電量。因為軸向上加強電場，所以設電子軸向動能與氣體分子碰撞，即電子碰撞電離后只損失軸向動能。為了使電子能夠發(fā)生電離碰撞，設氣體分子的電離能為E0，若軸向動能大于或等于E0，則電子從發(fā)射到動能達到電離能E0需要的時間為(3-2)在穩(wěn)定的放電過程中，當電子在運動過程中獲得了足夠的動能，使電子可以碰撞氣體分子產(chǎn)生電離，該動能必須大于氣體電離能，即電子在其自由程內(nèi)要至少要獲得E0的動能，即(3-3)在均勻電場作用下，電子從陰極到陽極的運動時間為(3-4)則為了使電子抵達陽極之前可以與氣體分子發(fā)生碰撞，即(3-5)由以上式可得(3-6)根據(jù)上式可知，磁場的變換不會影響著火

25、條件，這由于電場和磁場同軸。盡管磁場和放電條件無關，由于電子在滅弧室內(nèi)運動，為了測量放電信號，磁場應該有最小值，這是由于滅弧室內(nèi)徑Rs必須大于電子勻速螺旋運動半徑，即(3-7)由此可以得出磁場的最小值為(3-8)測量中引入磁場的目的在于，使徑向初速度大的那部分電子參與維持磁控放電。根據(jù)氣體放電的理論，維持穩(wěn)定的放電還應滿足(3-9)其中，和分別為湯遜第一和第二電離系數(shù)。在本文的分析條件下，與壓強無關。式(3-6)和(3-9)即是產(chǎn)生和維持穩(wěn)定的氣體放電的條件，同時符合以下條件時式(3-9)成立：每個電子從陰極到達陽極前與氣體分子已發(fā)生（）-1次碰撞，即電子做勻速螺旋運動的形成必須足夠長，就是軸

26、向磁場必須大于最小磁場。電子需要具有足夠的動能，才能與氣體分子發(fā)生碰撞電離，且至少需要生成一定量()的離子，即電場強度有一最小值。由上述結(jié)論可得，測試儀施加在滅弧室上的的磁場和電場必須足夠大。通過實驗得出，當觸頭間隙電壓>10kV，磁場>0.3T，電子越容易發(fā)射，且離子電流的大小與極間電壓成正比。由于電子發(fā)射和離子產(chǎn)生具有隨機性，故施加在電場和磁場上的時間需要足夠長，通常在10ms以上。根據(jù)以上結(jié)論，磁感應強度強度>0.3T，可由(3-10)得出磁場強度H，再由(3-11)求得流過磁場電流I，最后由磁場電流和勵磁線圈電阻可求得勵磁電壓。本文設計真空滅弧室的電場電壓采用12kV

27、，磁場電壓采用1.2kV。3.3 離子電流與真空度的關系在相同的電場和磁場作用下，同樣真空度下測量的離子電流大小受真空滅弧室的結(jié)構(gòu)、觸頭開距影響?？梢酝ㄟ^測量某種型號滅弧室不同真空度狀態(tài)下的離子電流獲得PI關系曲線11。對于某種型號的滅弧室，使用測試儀測得離子電流后可以根據(jù)其PI曲線得到真空度的具體數(shù)值。圖3.2 TD324D型真空滅弧室PI曲線圖如圖3.2是使用三種磁場線圈對TD324D型真空滅弧室進行的標定12。通過計算可以得出，該滅弧室離子電流和真空度的關系近似為：。4測試儀硬件設計測試儀整體由磁場線圈、電氣電路、控制電路組成，硬件框架如圖4.1組成，圖中滅弧室、磁場、電場、磁場線圈組成

28、了電氣電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微機、LCD顯示模塊、上位機發(fā)送模塊組成了控制電路，本章將詳細說明真空滅弧室測試儀的硬件設計。圖4.1 4.1 磁場線圈本文的測試儀使用的磁場線圈兩個半圓柱環(huán)鉸接而成，半圓柱內(nèi)由銅線環(huán)繞而成外面使用塑料成型，兩個線圈上分別引出兩個接線處，用于接磁場電壓源，并且可以方便的更換接線，這種線圈可以繞著鉸接處開合，如圖4.2所示13。線圈安裝在滅弧室的中下部，通過磁場電源給線圈通電后，環(huán)繞的線圈產(chǎn)生磁場，其電流方向如圖所示。該磁場線圈可以在安裝在工作電路上的滅弧室上，不用拆卸斷路器。圖4.2 磁場線圈 4.2 電氣電路圖4.3 電氣電路圖真空滅弧室真空度測試儀的電氣電路如圖4

29、.3所示，由繼電器、繼電器驅(qū)動電路、電源狀態(tài)LED燈、電場高壓源、磁場高壓源組成。由單片機通過置低連接驅(qū)動電路的管腳驅(qū)動繼電器工作，驅(qū)動電路由圖中PNP管、繼電器RELAY、發(fā)光二極管LED-GREEN和二極管組成，當圖中管腳RELAY_1(RELAY_0)置低電平時PNP管導通，繼電器RELAY閉合，同時電源狀態(tài)燈LED-GREEN被點亮，高壓源通電后生成磁場、電場，使測試儀正常工作，磁場和電場作用到滅弧室一段時間后，由微機控制電路從圖中IN0讀取電壓值并轉(zhuǎn)換成氣壓值并顯示。4.3 控制電路圖 4.4 控制電路本文設計的真空滅弧室測試儀控制電路如圖4.4所示，由單片機最小系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、

30、LCD顯示模塊和RS232串口模塊組成。圖中有三個模塊，其工作過程為：微機上電后，微機程序初始化，LCD顯示“Waiting”等待用戶操作，當用戶按下啟動按鈕時，LCD顯示“Checking”顯示檢測狀態(tài)，電場繼電器閉合，滅弧室上加強電場一段時間后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，微機記錄下此時的漏電電流，之后微機斷開電場，等滅弧室放電結(jié)束后，同時閉合磁場和電場繼電器，一段時間后微機發(fā)出命令啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊讀取此時全電流，并在微機內(nèi)通過計算得出真空度并在LCD上顯示，同時RS232串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機。此時若用戶再次按下啟動按鈕，微機發(fā)出命令閉合磁場和電場繼電器進行下一輪檢測。4.3.1 單片機最小系統(tǒng)圖4.

31、5 單片機最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)是由時鐘電路、復位電路和電源電路組成，如圖4.5所示，這些電路是單片機運行必須的電路，因為只能實現(xiàn)MCU的基本運行，所以稱為單片機最小系統(tǒng)14。4.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊圖4.6ADC0809模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊使用ADC0809芯片，如圖4.6為測試儀中使用的ADC0809。圖4.7 雙D型觸發(fā)器接法ADC0809的時鐘脈沖由兩個D型正沿觸發(fā)器提供，接法如圖4.7所示，本設計使用芯片，單片機從ALE管腳輸入方波到芯片，芯片輸出1/4方波提供給ADC0809。真空滅弧室測試儀使用ADC0809模塊進行離子電流的讀取。4.3.3 LCD顯示模塊圖4.8 真空測試儀lc

32、d顯示模塊真空滅弧室真空度測試儀通過LCD顯示模塊顯示儀器狀態(tài)和數(shù)據(jù)結(jié)果，LCD顯示模塊連接如圖4.8所示。4.3.4 RS232串口圖4.9 RSR串口模塊真空滅弧室測試儀使用RS232串口上傳數(shù)據(jù)到上位機。5測試儀程序設計本文設計的程序使用單片機集成開發(fā)環(huán)境Keil，并使用C語言進行開發(fā)。使用C語言開發(fā)單片機相比匯編語言具有代碼可讀性強，可移植，調(diào)試軟件方便等優(yōu)點，因此本文使用C語言作為測試儀單片機編程語言。5.1 程序設計圖5.1 主程序流程圖主程序流程圖如圖5.1所示，程序由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、RS232發(fā)送模塊和主程序文件組成。（1） 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊流程圖如圖5.2所示，單片

33、機通過P2管腳和/WR控制ADC0809鎖定8路模擬開關，啟動轉(zhuǎn)換，ADC0809芯片開始轉(zhuǎn)換后，單片機處于等待狀態(tài)，ADC0809轉(zhuǎn)換成功后輸出EOC=0，單片機監(jiān)聽EOC狀態(tài)的改變，當EOC為0時，使OE=1讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取后使OE=0。通過ADC0809讀取到的數(shù)值在0255之間，讀取值之后除以255再乘上ADC0809比較電壓就可以獲得測量電壓，這一部分運算通常在單片機內(nèi)執(zhí)行。圖5.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊運行流程圖（2） LCD顯示模塊流程圖如圖5.3所示，LCD模塊通過LCD的RS、R/W針腳作為控制信號，D0D7作為指令代碼輸入數(shù)據(jù)來控制。圖5.3 LCD模塊數(shù)據(jù)顯示處理流程圖5.2

34、模擬仿真仿真使用由是英國Labcenter公司出品的電子設計自動化工具Proteus軟件，該軟件具備了仿真單片機功能，還可以仿真其他電氣元件，適合作為本文設計的仿真軟件15。本文使用proteus制作仿真控制電路，使用滑動變阻器代替離子電流作為輸入。圖5.4為使用proteus軟件根據(jù)圖4.3制作的原理圖。該仿真電路可以實現(xiàn)離子電流的檢測，真空度的計算和LCD顯示。圖5.5為LCD模塊仿真狀態(tài)，(a)為通電后等待用戶操作狀態(tài)，(b)為真空度檢測中狀態(tài)，(c)為滅弧室離子電流為83.3uA情況下檢測結(jié)果，經(jīng)仿真本文設計的測試儀可以實現(xiàn)滅弧室真空度的測定。圖5.4 使用proteus軟件制作測試儀

35、的電路原理圖(a)(b)(c)圖5.5 （a）LCD顯示測試儀準備就緒等待指令狀態(tài)；（b）LCD顯示檢測中狀態(tài)；（c）LCD顯示離子電流為83.3uA時檢測的真空度結(jié)論由于真空斷路器滅弧室在運行過程中會因為各種原因造成失效，導致事故發(fā)生。因此對真空滅弧室有效的過程監(jiān)控是必要的。為了最大程度得防止由于真空滅弧室失效而發(fā)生意外，對真空開關滅弧室的真空度定期進行定量的檢測是非常重要的。本文采用的基于電離電流采樣技術的真空度測試儀可以對其進行精確的檢測，并且不受其安裝位置的影響。以下是本文設計的測試儀的性能指標：電源參數(shù)：交流，220V，50Hz；開關開距：正常使用開距；電場電源：12kV；磁場電源：

36、1.2kV；檢測范圍：10-4Pa10-1Pa；測量精度：5% ；本設計相比傳統(tǒng)測試儀有幾個方面的改進：（1） 采用了串口模塊，可以實現(xiàn)將檢測結(jié)果實時發(fā)送到上位機，供上位機進行數(shù)據(jù)分析，可以使檢測結(jié)果更精確。（2） 采用了LCD模塊，實現(xiàn)了檢測過程中對檢測結(jié)果的實時顯示，提高了檢測的靈活性。本文設計測試儀尚存在以下不足：由于不同類型真空滅弧室的離子離子電流-壓力對應曲線不同，故本測試儀只能適用于單一種真空滅弧室，當需要應用到別的滅弧室時需要重新修改程序和燒寫芯片，并在實際應用中作調(diào)整。致謝經(jīng)過四年本科階段的學習，在此論文完成時，我要向我指導的導師和幫助我的同學以及支持我的家人表示誠摯的謝意。感

37、謝褚向前老師。本次畢業(yè)設計是在導師褚向前的悉心指導下完成的，可以說沒有褚老師的指導我不可能完成本次畢業(yè)設計。褚老師對單片機有自己獨到的見解，在這次設計的過程中，經(jīng)過褚老師的耳濡目染，不僅在學術上，也在為人處世方面，受益良多，對此我向褚老師致以崇高的敬意。感謝合肥工業(yè)大學所有的領導和老師，只有經(jīng)過大四前的基礎課程的學習沉淀，我才能圓滿完成本次畢業(yè)設計，感謝機械與汽車工程學院的所有領導老師，給我們提供了很好的學術氛圍以及幫助，感謝你們的支持。感謝我的室友，我的同學們在本次畢業(yè)設計過程中給我提供莫大的幫助。最后感謝家人四年來默默的支持，默默的鼓勵。參考文獻1 SLADE Paul G，LI Wang

38、-pei， MAYO Stephen，SMITH R. Kirkland，TAYLOR Erik D. Vacuum interrupter，high reliability component of distribution switches，circuit breakers and contactorsJ. Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2007，8(3):335-342.2 王季梅. 真空開關理論及其應用M. 西安:西安交通大學出版社，1986.1-11.3 Jin Li, Wang Jimei. Measurement of stud

39、y of arc characteristics of vacuum interrupter with high voltage and high capacityC. Proc of 17th ISDEIV. Berkeley,California,1996:266-269.4 DL/T 403-2000，1035kV戶內(nèi)高壓真空斷路器定貨技術條件S.5 孟忠，宋玉萍. 真空斷路器滅弧室真空度的判定及分析J. 華北電力技術，2003，(1):1-38.6 Homma M. Physical and theoretical aspects of a new vacuum arc control

40、 technologySADEC. Proc of 18th ISDEIV. Eindhoven,1998:266-269.7 曹小龍，張治武，曹小青，陳平，霍光. 真空斷路器真空度檢測方法綜述J. 電器開關，2010，(4):1-3.8 賈伯巖，李璠，劉宏亮. 脈沖磁控放電法測量真空斷路器真空度現(xiàn)場使用及分析J. 河北電力技術，2005，24(1):36-38.9 郭俊，吳廣寧，張血琴，舒雯. 局部放電檢測技術的現(xiàn)狀和發(fā)展J. 電工技術學報，2005,20(2):29-35.10 李曼，趙子玉. 真空滅弧室內(nèi)部氣體壓力測試儀勵磁線圈磁場計算J. 高壓電器，2004，40(6):439-441

41、.11 趙子玉，陳霧，李兆治，江秀臣，陶賀林，李峰. 不拆卸滅弧室測量真空度的技術研究J. 電工技術雜志，2003，38(8):32-35.12 趙子玉，江秀臣，侯園紅，皺積巖. 真空滅弧室內(nèi)氣體壓強與離子電流的關系J. 高壓電氣，2000，(5):16-18.13 趙子玉，皺積巖，何俊佳，張漢明. 從真空開關上不拆卸真空滅弧室測量其真空度的機理研究J. 電工技術學報，1999，14(6):20-22.14 Scott MacKenzie，Raphael C.-W. Phan. The 8051 MicrocontrollerM.北京:人民郵電出版社，2008.42-218.15 陳忠平. 基

42、于Proteus的51系列單片機設計與仿真M. 北京:電子工業(yè)出版社，2012.196-233.附錄1 真空滅弧室測試儀C語言程序代碼（1） 主文件#include <reg51.h>#include <string.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#include "lcd.h"#include "AD0809.h"#include "rs232.h"/ lcd顯示數(shù)據(jù)uchar *dis_wait = "Waiting&q

43、uot;uchar *dis_status = "Device Status:"uchar *dis_null = " "uchar *dis_check = "Checking"uchar *dis_result = "Result"uchar dis_digitalTop16 = ""uchar dis_digitalBottom16 = ""/ ADC比較電流uint compareVolt = 5;/ 離子電流通過電阻 30Kuint res = 30000;/ 漏電

44、電流uint leakCurrent;/離子電流int ionCurrent; / 開關按鈕sbit openButton = P10;/ 電場繼電器/ 0為開，1為關sbit electric_relay = P11;/ 磁場繼電器/ 0為開，1為關sbit magnetic_relay = P12;/* * 檢測儀初始化函數(shù) */void init(void) / 單片機初始化，端口全部置高/ 開關按鈕置高/openButton = 1;P0 = 0xff;P1 = 0xff;P2 = 0xff;/ 初始化lcdlcd_init();lcd_clear();/ lcd顯示待機狀態(tài)LCD_d

45、isp(dis_wait， dis_null);/ 初始化ADCADC_init();/* * 檢測開始初始化函數(shù) */void detect_init(void) lcd_clear();/ lcd顯示 檢測中l(wèi)cd_toBottom(dis_check);LCD_disp(dis_status， dis_check);/ 開電場繼電器electric_relay = 0;delay(10);/ 讀取檢測電場作用下漏電電流ADC_read();/ 記錄漏電電流leakCurrent = ADC_volt;/ 關閉電場，開磁場(磁場不再改變)electric_relay = 1;magneti

46、c_relay = 0;/ 延遲10ms，等磁場時足夠時打開電場delay(10);/* * 整形轉(zhuǎn)換成字符串 * param char * dest 字符串指針變量 * param int num * return void */ void int2str(char *dest， int num)uint count， i; if(num = 0) dest0 = '0'dest1 = '0' return; count = 0; while(num != 0) destcount+ = (char)(num % 10 + '0'); /模10

47、的數(shù)字加上'0'即為該數(shù)字的編碼 num /= 10; /翻轉(zhuǎn)順序 for (i = 0; i < count / 2; i+) char temp = desti; desti = destcount - i - 1; destcount - i - 1 = temp; destcount = '0' return;/* * ADC和真空度值映射函數(shù) * param char * display 字符串指針變量 * param unsigned int num ADC讀取后的值(0255) * return void */void ADCVacuumMa

48、p(char *display， uint num) float temp;int result;/ 清空字符串變量/memset(display， 0， strlen(display);if(num > 254) strcpy(display， "> 1e-1"); else if(num < 15) strcpy(display， "< 1e-4"); else temp = num/255.0*compareVolt/res;temp = 60.5*temp-0.0005;temp = temp*100000;result

49、= temp;int2str(display， result);strcat(display， "e-6 Pa");void main(void) init();while(1) if(openButton = 0) / 檢測初始化detect_init();while(1) /打開電場、磁場electric_relay = 0;magnetic_relay = 0;/ 延遲20ms，開始檢測電流delay(20);/ 讀取當前值ADC_read();/ 剔除漏電電流ionCurrent = ADC_volt - leakCurrent;ionCurrent = ionCu

50、rrent > 0 ? ionCurrent : 0;/ 數(shù)值字符串轉(zhuǎn)換ADCVacuumMap(dis_digitalBottom， ionCurrent);/ lcd顯示結(jié)果lcd_clear();strcpy(dis_digitalTop， "check result:");lcd_toBottom(dis_digitalBottom);LCD_disp(dis_digitalTop， dis_digitalBottom);/ 串口輸出到上位機SCON_sendString(dis_digitalBottom);/ 關閉電場、磁場electric_relay =

51、 1;magnetic_relay = 1;while(openButton = 1);（2）lcd.h 文件#include<reg51.h>#include<intrins.h>sbit rs = P15;sbit rw = P16;sbit ep = P17;/* * 延時程序 * param unsigned int ms 延時時間，單位毫秒 */void delay(uint ms)uint i;while(ms-)for(i = 0;i < 120; i+);/* * lcd忙碌狀態(tài)監(jiān)測，通過讀取lcd數(shù)據(jù)的D7位來判斷，返回1為忙碌，0為空閑 * r

52、eturn unsigned char 返回1或0 */uchar Busy_Check(void) uchar LCD_Status;rs = 0;rw = 1;ep = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_Status = P0 & 0x80;ep = 0;return LCD_Status;/* * lcd指令控制函數(shù) */void lcd_wcmd(uchar cmd)while(Busy_Check();rs = 0;rw = 0;ep = 0;_nop_();_nop_();P0 = cmd;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep = 1;_nop_();_nop_();_no