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文章编号：１００８－０５７０（２００７）０６－１－０１３３－０２
传感器与仪器仪表
真空灭弧室真空度测试仪的研究
Ｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍｄｅｇｒｅｅｔｅｓｔｏｆｖａｃｕｕｍｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ
（西安电子科技大学）史军刚
白小平
ＳＨＩＪＵＮＧＡＮＧＢＡＩＸＩＡＯＰＩＮＧ
摘要：真空断路器是开关电器最为重要的一种电气设备，在电力系统中担负着控制和保护的双重任务。提高开关工作的可靠性已经成为一项重要研究课题。文中讨论了基于冷阴极磁控放电（潘宁放电）法测量真空断路器灭弧室真空度的测量方法，介绍了真空度测试仪的硬件框图和工作原理，分析了选取电离电荷量作为被测参数是准确测量的基础。该测量仪采用Ｓ３Ｃ２４１０控制器进行同步控制与数据采集处理。实践证明真空度测试仪能准确地反映真空泡的运行状况。关键字：真空灭弧室；潘宁放电；Ｓ３Ｃ２４１０；真空度中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｃｕｕｍｂｒｅａｋｅｒｉｓａｓｏｒｔｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｓｗｉｔｃｈ－ｗｉｒｉｎｇｗｈｉｃｈｔａｋｅｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓａｆｅｇｕａｒｄｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｖｉｔａｌｑｕｅｓｔｉｏｎｆｏｒｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｗｉｔｃｈ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｈｅｖａｃｕｕｍｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒｏｆｂｒｅａｋｅｒｂｙｍａｇｎｅｔｉｃＰｅｎｎｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｒ，ａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｖａｃｕｕｍｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔｍａｋｅｓｔｈａｔｂａｓｅｏｎａｃｃｕｒａｔｅｔｅｓｔｉｓｍａｒｋｏｕｔｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒｇｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｓｐａｒａｍｅｔｅｒ．ＴｈｅｔｅｓｔｅｒｄｏｅｓｓｙｎｃｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＳ３Ｃ２４１０ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｈａｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓａｂｌｅｔｏｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍｔｕｂｅｓｉｎａｎｅｒｒｏｒ－ｆｒｅｅｗａｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｖａｃｕｕｍｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ；Ｐｅｎｎｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅ；Ｓ３Ｃ２４１０；ｖａｃｕｕｍｐｒｅｓｓｕｒｅ
１引言
真空断路器自出现以来，随着真空技术的不断进步和材料分断能力大、寿命长、结构简单、科学的发展，以其耐压强度高、
体积小、无污染和安全可靠等特点被广泛应用于配电系统、动力设备和其他多种特殊场合，并取得了良好的运行效益。真空灭弧室是真空断路器的心脏，真空断路器的绝缘和开断能力取决于真空灭弧室的真空度。由于灭弧室是以真空条件作为工作基础的，所以不象油开关ＳＦ６那样容易检查介质质量。有些真
空开关在运行过程中真空灭弧室存在不同程度的泄漏问题，在这种情况下进行开断就会出现断不开的现象而造成严重的后果。国内由此而引发的事故不断发生。
传统上判断真空断路器灭弧室真空度的方法是工频耐压法，即真空开关处于开断状态下，在动静触头之间施加一定的电压，检测泄漏电流的大小或者观察灭弧室的放电现象，由此推断真空度的高低。这种方法虽然简单。但只能定性检测真空度；而由于施加的电压不高，真空度在１０－５～１０－３Ｐａ之间，无法分辨，即耐压法的试验结果基本一样，无法合理的判断发展性泄漏。所以，这种方法只能粗略地判断灭弧室真空度劣化的程度。
冷阴极磁控管放电法的测量原理如图１所示。该方法把被测的真空灭弧室本身作为磁控管，将真空灭弧室置于电磁线圈的中心，当线圈通电时，则产生轴向磁场，其磁力线如图１，
技术创新
图１冷阴极磁控管放电法原理图
带箭头的线所示。同时在分开的触头电极之间施加数千伏直流高压建立的电的直流电压，就可产生一种可测的放电效应。
场在触头附近呈弧状，其水平分量与磁场垂直相交，因而使存在于灭弧室内的部分自由电子在向阳极的运动途中呈螺旋形路线运动，这样，显著增加了电子运动的自由途径，増加了电子动能，使其与其它残余气体分子碰撞发生电离的概率大大増加，从而产生类似雪崩效应的放电过程。放电参数与真空度的关系取决于真空灭弧室的几何尺寸，材料，外部激励（电场和磁场）和灭弧室内的真空压力。对某一种灭弧室，其几何尺寸和材料是确定的；而对仪器来说，对真空灭弧室的外部激励是确定的。因此，
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２冷阴极磁控管放电法
２．１测试原理
目前大多数的真空度测试仪采用脉冲磁控放电法。脉冲磁控放电法主要存在局限性是其同步性。此方法是通过电场电容器和磁场电容器的充放电来产生强电场和强磁场，所以这种情况下产生电场和磁场是依靠微机发送触发信号来产生的，就有可能导致电场和磁场的不同步。所以降低了测量的精确度。史军刚：讲师
《ＰＬＣ技术应用２００例》
１３３－
传感器与仪器仪表
应关系。
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００７年第２３卷第６－１期
电压达３５０Ｖ时，比较电路给出信号，Ｓ３Ｃ２４１０发出停止充电命令，同时控制继电器接通可控硅的触发极，使可控硅导通，从而电容上的电能得以送向线圈，即产生了磁控电流。由于真空泡内低密度，触头断开后类似于平板，两触头间存在分布电容，当电压Ｕ快速上升时，会产生容性电流ＩＣ；同时由于真空泡外壁在运行中受到环境影响等原因产生泄漏电流ＩＸ；当流经励磁绕组Ｌ中的电流Ｉｍ增大，产生的磁场达到临界值ＢＭ时，灭弧室内电子在磁场、电场作用下开始产生螺旋运动，并与残留气体分子碰撞，产生电离，离子电流Ｉｉ形成。该电流Ｉ是由ＩＣ、ＩＸ、Ｉｉ三者叠加而成，电流Ｉ经取样电阻Ｒ０取出，并通过运算放大器送给微机，微机通过数据处理算法将ＩＣ和ＩＸ滤除，则获得稳定的离子电流Ｉｉ，然后根据操作者的操作可以使曲线显示在ＬＣＤ显示屏，或者通过ＲＳ－２３２／ＵＳＢ串口上传到ＰＣ机进行处理。需要注意的是，冷阴极磁控管放电所需的磁场感应强度须大于０．１５Ｔ，并且持续时间要大于１０ｍｓ。
在真空灭弧室的型号一定时，其放电参数与真空度有准确的对
２．２着火条件模型
对具有两个电极的密封真空器件复杂结构可简化为图１的模型。假设两极之间为平行电场和均匀的轴向磁场，即Ｅ／／Ｂ。
两极之间建立．电场后，空间的自由电子以及阴极表面的微弱电子发射，会形成本底电流，此电流较小。电子流在磁场中做拉摩（Ｌａｒｍｏｒ）运动，Ｌａｒｍｏｒ运动使得电子在到达阳极前的运动路程大大增加，有更多的机会与残余气体分子碰撞并使其电离。
设电子的初始速度径向分量为ｖｒ，则Ｌａｒｍｏｒ运动的半径ＲＬ
周期ＴＬ，分别为
（１）
式中，ｍｅ和ｅ分别为电子质量和电量。
由于强电场加在轴向，故假设电子依靠轴向的动能来使气体分子电离，即发生碰撞电离后电子只损失轴向动能。设气体分子的电离能为Ｅ１，若轴向动能大于或等于Ｅ１，电子只发生电离碰撞，则电子的动能从０积累到Ｅ１需要的时间为
３．２数据分析
经过大量的实验，该真空度测试仪可以获得满意的效果，图
（２）
在稳定的放电过程中，电子在两次碰撞之间积累的动能必
技
术创新
３为测试仪针对管型为ＴＤ１５Ｂ－１２／６３０－２０测量数据形成离子电流－真空度曲线图，可以发现真空度与离子电流之间呈线性对
应关系。
须大于气体的电离能，即电子动能积累到Ｅ１之前所走过的路程
Ｓ应小于电子的平均自由程λｒ，即
（３）
电子通过电场均匀的两极间的时间为
（４）
则电子在它被阳极吸收之前，至少应发生一次碰撞，即
（５）
由以上两式可得潘宁放电的着火条件为
（６）
根据上式，着火条件似乎与磁场无关，这是由于我们采用的是同轴磁场。尽管磁场的大小并不影响放电的着火条件。但对具体的器件而言。为了使放电信号可测量，磁场值应有下，这是因为拉摩Ｌａｒｍｏｒ运动的半径必须小于管径Ｒｓ。故最小磁场为
（７）
３测试仪的结构和数据分析
３．１结构和工作原理
真空度测试仪的硬件框图如图２所示，主要是由整流回路、高压回路、磁控电流产生部分、嵌入式控制器Ｓ３Ｃ２４１０、Ａ／Ｄ转换器、ＬＣＤ显示、ＲＳ－２３２串口及ＵＳＢ口组成。
图３离子电流－真空度关系曲线
４问题分析及解决
真空度测试仪在测试中碰到的主要问题是真空灭弧室触头间的
尖端放电。由于真空灭弧室触头表面细微毛刺的存在，当在触头间加上高压时，会产生微弱的尖端放电，此放电对磁控放电电流峰值可能产生相当的影响。但是，此类的尖端放电的持续时间非常短，是以纳秒来计算的。而电荷量计算是以电流为被积函数，以时间为积分变量在固定时间区间上做的积分，在数值计算时是将落在该区间内的所有样点求和。通过分析，真空灭弧室的真空度与电离的电荷量有非常准确的对应关系，而与电离电流的峰值仅有概率上的相关性，所以选取电离电荷量作为被测参数是准确测量的基础。其次，采用电荷量作为被测量也可以消除磁场和电场对信号输入线的干扰。
图２真空度测试仪框图
真空度测试仪的工作原理是：由控制器Ｓ３Ｃ２４１０产生ＰＷＭ行振信号通过高压部分的放大驱动行推动变压器，由行推动变压器的刺激驱动行输出功率晶体管，进而推动行输出产生高压。Ｓ３Ｃ２４１０发出指令对电容器ｃ进行充电，当电容器上的充电
－
５结论
由于真空开关灭弧室在运行过程中会因为各种原因造成失效，导致事故发生。因此对真空灭弧室有效的过程监控是必要的。
（下转第９５页）
《现场总线技术应用２００例》
１３４－３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６您的论文得到两院院士关注控制系统
［１］岳剑锋．ＦＵＺＺＹ－ＰＩ控制器在水温控制系统中的应用［Ｊ］．天津工业大学学报，２００６，２５（２）：６５～６７
［２］廉小亲．模糊控制技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００３，６１～６９
戴冠中．燃气热水器水温智能控制系统［Ｊ］．西北工业大［３］朱荣明，
学学报，２００１，１９（１）：６９～７１
［４］雷建龙．基于单片机的模糊控制器的设计［Ｊ］微计算机信息，
５１２００６，２２（６－２）：４９～
作者简介：余宏生（１９６８－），男（汉族），湖北黄冈人，黄石理工学院
数理学院副教授，硕士，主要从事智能控制、模糊自适应控制理论及应用的研究。
５．４求取ＰＩＤ参数
假定系统某时刻误差、误差变化率的绝对值｜Ｅ｜、｜ＥＣ｜已知，现在根据｜Ｅ｜、｜ＥＣ｜就可以求出ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ。以求ＫＰ为例说明推理方法。
根据表１，可写出每条控制规则，如第一条可写为：该规则隶属度的计算方法为：
同理可求出关于ＫＰ的其他所有规则的隶属度
，其中，ｎ为有关ＫＰ所有规则的条数，ｃＰｉ为第ｉ条规则中ＫＰ所取
模糊集合的中心值。ＫＰ的计算公式为
（５－１）
式（５－３）所示。同理，可得到ＫＩ、ＫＤ的计算公式，如式（５－２）、
（５－２）
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹｕＨｏｎｇｓｈｅｎｇ（１９６８－），ｍａｌｅ（ｔｈｅＨａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），ＨｕａｎｇｇａｎｇｃｏｕｎｔｙｏｆＨｕｂｅｉｐｒｏｖｉｎｃｅ，ａｎｄｎｏｗｉｓａａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒｉｎｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｕａｎｇｓｈｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｓｔｅｒ，ｍａｊｏｒｉｎｇｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｆｕｚｚｙａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．（４３００００湖北黄石理工学院）余宏生
通讯地址：（４３００００湖北黄石理工学院）余宏生
（收稿日期：２００７．４．１３）（修稿日期：２００７．５．１０５）
（５－３）
其中，ｍ、ｌ分别为有关ＫＩ、ＫＤ的所有规则的条数。
从式（５－１）～式（５－３）中可以看出，ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ与｜Ｅ｜、｜ＥＣ｜之间建立了一种函数关系，满足了系统在控制过程中不同状态下对控制参数的不同要求，由模糊控制器整定的ＰＩＤ参数输入到常规
（上接第８３页）
（ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｕ－ｔｏｍａｔｉｏｎ，７２３００３）ＺｈａｎｇＰｅｎｇＣｈａｏＬｉｕＰｅｉ
通讯地址：（７２３００３陕西省汉中市陕西理工学院（北区）工业自动化陕西省重点实验室）张鹏超
（收稿日期：２００７．４．１３）（修稿日期：２００７．５．１５）
ＰＩＤ控制器，由常规ＰＩＤ控制器输出气阀开度控制量ＧＶ和进水阀开度控制量ＷＶ控制气阀开度和水阀开度，所以该控制器能够取得优于常规ＰＩＤ控制器的控制效果。
（上接第１３４页）
真空开关灭弧室真空度的周期性定量检测对于最大限度避免由真空灭弧室失效而引发的事故具有十分重要的作用。文中设计的真空度测试仪采用基于电离电荷的采样技术，保证了无论是装于整机上还是待装的真空灭弧室的真空度计量精度，实践证明真空度测试仪能准确地反映真空泡的运行状况。
本文作者创新点：采用电离电荷采样技术，即以采集电离离子流作为计量依据，使得测量结果更为准确。以高性能微控制器
技
术创新
６运行性能比较
按照上述原理设计的燃气热水器水温控制系统，与采用常规ＰＩＤ控制算法和模糊控制算法相比，系统响应迅速，超调量小，达到稳态的调节时间短，其控制性能更好。具体性能比较结果见表２。
表２控制性能比较
Ｓ３Ｃ２４１０作为主控制器。参考文献
史军刚，电世界，［１］乐崐，ＶＣ系列真空度测试仪［Ｊ］，２００６．７：１８－１９唐平瀛等，潘宁放电在密封真空器件真空度测量中［２］金大志，
的应用［Ｊ］，强激光与粒子束，２００２．５：４５３－４５５
丁男等，基于Ｓ３Ｃ２４１０的烟气采样控制系统的设计［３］马洪连，
与实现［Ｊ］微计算机信息，２００６．０４：１０７－１０９
７结束语
本文提出一种模糊控制算法与常规ＰＩＤ控制器相结合构成模糊ＰＩＤ控制器的方法，在控制过程中模糊ＰＩＤ控制器根据经实验表明，采用模糊ＰＩＤ系统的实际状态实时调整ＰＩＤ参数。
算法可使控制系统的静态性能和动态性能得到改善，系统响应迅速，在平衡点附近振荡小，抗干扰能力强，其静态和动态控制特性均优于常规ＰＩＤ和模糊控制。本文的创新点是将模糊ＰＩＤ算法应用于燃气热水器的水温控制中，实现了燃气热水器的水温高精度稳定的控制。
作者简介：史军刚（１９７４年－）男，陕西岐山人，西安电子科技大学机电工程学院，讲师，主要研究方向：计算机测控，嵌入式系统设计。白小平：（１９６８年－）女，西安电子科技大学机电工程学院，高工，主要研究方向：计算机测控，嵌入式系统设计。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＳｈｉＪｕｎ－ｇａｎｇ（１９７４－）ｍａｌｅ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｃｈｉｎｅＥｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＸＩＤＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ，ｅｎｇａｇｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｍｅａｓｕｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ．（７１００７１陕西西安西安电子科技大学机电工程学院）史军刚
白小平
通讯地址：（７１００７１陕西西安西安电子科技大学２８２＃）史军刚
（收稿日期：２００７．４．１３）（修稿日期：２００７．５．１５）
参考文献
《ＰＬＣ技术应用２００例》
邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年
－９５－
