论文总字数：31456字

摘 要

真空断路器得名于其真空灭弧室中采用真空的方式隔绝灭弧介质和触头间隙。由于其占地空间小，使用寿命长以及可靠稳定等优点在我国中压系统中得到广泛，目前主要应用于3-10KV的中压电力系统中。而真空断路器正常工作的主要条件就是确保真空断路器中真空灭弧室的真空度满足条件，稳定可靠的灭弧。目前常用的真空度监测法分为两大类，一类是离线现场检测，需要切断线路，在非工作状态进行检测，虽然条件比较苛刻但是目前为止，离线现场检测的技术发展比较成熟可靠；另一类是在线实时监测，相比较于在线检测的优点在于实时性以及不需要切断线路。本文探讨的在线实时监测的一种方法：电磁波法。

基于电磁波的在线监测方法是目前几个较为成熟的在线监测方法之一，其原理是：当真空灭弧室内压强处于10-2pa-10pa时，根据帕邢曲线，可以得知此时放电电压出于一个较高水平，而且是保持高于工作电压，而当压强超过一个10pa附近的拐点时，放电电压急剧下降，并且会低于工作电压，因此真空灭弧室中会发生放电现象并发出电磁波。当天线板监测到这个电磁波信号时即可确认此时真空断路器中压强是高于10pa的，从而达到对真空灭弧室的真空度的实时监测效果。本文将会详细介绍电磁波法的原理以及电路设计，另外还会介绍其他几种监测方法。

在本文设计的系统中，将有铝制天线板接受放射的电磁波，由MCP602以及MAX961两款芯片为核心构成滤波以及放大电路，由STM32单片机构成控制部分，由信号灯等构成显示部分。最终构成基于电磁波法的真空断路器在线实时监测系统。

关键词：真空断路器；真空度在线监测；电磁波法；傅里叶变换。

Abstract

Vacuum circuit breaker is named because the arc medium and the insulating medium inside contacts are both high vacuum. It has the advantages of small size, light weight, suitable for frequent operation and no maintenance after the arc is extinguished, and has been widely used in distribution network, especially in 3-10kv medium voltage power system. The key to ensure that the vacuum circuit breaker is working properly is to ensure that the degree of vacuum of the vacuum interrupter in the vacuum circuit breaker suits the condition. There are two most commonly used method of monitoring the degree of vacuum. One is off-line inspection. It needs to break the line and detect in the non-operating state. Although the conditions are hard to reach, but so far, the development of off-site detection technology is mature and reliable enough. Another method is online real-time monitoring. Compared to the off-line inspection, the advantages of online testing are that it is real-time and does not require cutting off the line. In this paper, a method of online real-time monitoring is discussed: the electromagnetic method.

Electromagnetic method is used by producing and accepting the reflection of electromagnetic signals to analyze the degree of distortion of the electromagnetic waves and to monitor the pressure in the vacuum interrupter. When the vacuum interrupter chamber pressure reaches a certain value, the distortion of electromagnetic waves will exceed a preset value, so as to achieve the effect of real-time monitoring the degree of vacuum in the vacuum interrupter chamber. This paper will explain the principle of the electromagnetic method and the circuit design in detail and introduce several other monitoring methods.

In the design of the system in this paper, the electromagnetic waves are generated by the LC oscillator circuit, and emitted electromagnetic waves are received by the aluminum plate antenna. MCP602 and two chips of MAX961 consist of the core components of the filter and amplifier circuit, and STM32 MCU forms the control section, and the lights constitute the display section. Finally, the vacuum breakers online real-time monitoring system based on the Electromagnetic method is constituted.

Keywords: Vacuum circuit breaker, real-time monitoring the degree of vacuum, Electromagnetic method, Fourier transform

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 5

1.1 真空断路器以及课题意义 5

1.1.1 真空断路器介绍 5

1.1.2 课题研究的意义 6

1.2 真空度介绍以及真空度过低的原因与后果 6

1.2.1 真空度的定义 6

1.2.2 真空断路器中真空度的意义 6

1.2.3 真空度降低的原因 7

1.3 真空断路器发展现状与未来趋势 7

1.3.1 国外真空断路器的发展 7

1.3.2国内真空断路器的发展 8

1.3.3我国真空断路器行业主要问题 9

1.3.4真空断路器未来发展方向 9

1.4 本章总结 10

第2章 电磁波法监测原理 11

2.1 电磁波法工作原理 11

2.1.1 帕邢曲线 11

2.1.2 电磁波法 12

2.2 其他监测方法介绍 13

2.2.1 离线现场检测 13

2.2.2 在线实时监测 14

2.3 本章总结 15

第3章 滤波及放大电路设计 17

3.1 传感器及接口电路 17

3.2 信号端 18

3.3 放大电路 18

3.4 滤波电路 20

3.5 仿真 21

3.5.1 高频信号干扰仿真 21

3.5.2 低频干扰信号仿真 25

3.5.3 仿真结果总结 28

3.6 本章小结 28

第4章 单片机模块设计 29

4.1 单片机工作流程 29

4.2 软件设计 30

4.2.1 FFT代码说明 30

4.2.2 基于STM32的FFT算法 30

4.3 FFT实现过程 31

4.3.1 原始数据的生成 31

4.3.2 FFT处理 31

4.5 本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 37

致 谢 38

第一章 绪 论

• 1. 真空断路器以及课题意义

本小结将会简单介绍真空断路器的结构、发展以及本课题的实际意义。简略介绍真空断路器的有点，阐述其在我国现阶段真空断路器在中压电力系统中的重要地位，分析真空断路器正常工作的重要条件，从而阐明在线监测真空度的重要性。

• • 1. 真空断路器介绍

真空断路器由于其所占空间小、可靠稳定和使用寿命长等优势，在中国3-35kV电力系统中获得广泛使用。尤其是近年来为了随着相关技术的迅速发展，其优势在不断的得到发展。从1978年开始引入中国的电力系统，到1992年以天津会议为标准，我国真空断路器的技术正式跨入国际前列，中国的研究者们只花了短短20年就将这门技术完成从0到90的飞跃。新世纪以来，我国大部分的中压系统都在使用真空断路器，其在十千伏系统中占有率高达97%；在四十千伏中，真空断路器则达到了75%的占有率，由此可见在未来很长一段时间真空断路器都将在我国电力系统中扮演重要的角色。由于真空断路器工作原理是需要灭弧室中达到真空条件，所以监测真空断路器中灭弧室真空度已经成为真空断路器领域一项重要的研究方向。根据相关统计，因为真空断路器而产生的故障中，绝大部分原因是灭弧室中真空度无法达到要求而导致的，严重影响了电力系统的稳定性。当真空断路器的真空灭弧室发生泄漏，真空度不能满足条件时，会发生未能正确断路的情况，负载电流未被阻断，导致整个电力系统遭受巨大损失。每次由于真空断路器事故造成的损失都是不可接受的，将近数千万千瓦的电量损失使得电力工作者们深知监测真空断路器是否能正常工作的重要性。目前根据我国电力系统中的相关要求，真空断路器正常工作的真空度要求应该为0.0013pa。

目前最新技术的真空断路器，使用不到两毫米的钢材油压成型，以适应各种恶劣工作条件，如潮湿，污脏，腐蚀气体，酸度较高或者盐碱度较高的场合。为了减少触头的使用损耗，目前普遍使用新型合金铜材料。为了使真空断路器正常工作，保证真空灭弧室真空度满足要求的同时，还需要正确合理的使用真空断路器以及保证其工作环境不要过于恶劣。比如导电杆的同心度等条件。目前我国真空断路器通常使用周期为两万次左右，将其翻番是目前真空断路器领域另一个方向的研究工作。然而目前作为整个真空断路器中生产精度要求最高的真空断路器的电磁操动机构，在国内的生产条件下难以满足条件，所以今后在相关精度方面取得前进是我国真空断路器生产领域发展的主要方向。

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