（电气工程专业论文）真空灭弧室真空度的超声和脉冲电流的检测与实验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：谢b 圣日目 签字日期：沙o ，年r 月和日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权一重麽太堂 可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：捌甚喂明 签字日期：w 巧年月扣日 导师签名：杠裤能 签字日期：p 叮年，月 o 日 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着配电系统“无油化”浪潮的兴起，近年来真空断路器以其特有的优越性 在中压配电领域得到越来越广泛的应用。真空灭弧室是真空断路器的核心部件， 真空度是真空灭弧室的重要参数之一，真空灭弧室的绝缘强度与真空度有关，所 以对真空灭弧室的真空度进行检测有重要意义。 真空灭弧室真空度盼测试方法一般分为离线检钡 和在线检 贝! 。目前国内外用 于离线检测的方法已较成熟，在线检测方法相对不够完善，其相应的测试仪器也 不一致。因而对真空灭弧室真空度在线检测的方法和系统进行研究具有重要的理 论和现实意义。由于真空灭弧室真空度变化时，常会伴随一些电信号与非电信号 的变化，如：脉冲电流和声发射信号等。在此基础上，本文分别采用超声检测法 和脉冲电流法对真空灭弧室真空度进行了在线检测。 根据真空灭弧室放电过程中的声发射基本原理，即当真空灭弧室真空度劣化 时，真空灭弧室内将产生放电声发射波。本文结合现场和工程应用的实际要求， 选用了一种超声传感器和设计了相应的放大滤波电路，并分析了该超声传感器的 灵敏性、可靠性和安全性。 当真空灭弧室的真空度劣化时，其内部触头电极与屏蔽罩间隙的放电电流会 逐渐增大，且预放电电流含有高频脉冲信号。基于此，本文提出了采用宽带磁心 电流传感器测量真空灭弧室的方法，建立了传感器的等效电路模型，得到了传感 器的传输函数，并以s a b e r 为工具，就传感器的频率特性来确定传感器参数使之满 足实验检测要求。 本文分别对应超声和脉冲电流检测装置设计了真空度检测试验系统，并通过 该检测试验系统得出了试验数据，根据试验数据得出：放电声信号的最大幅值随 着放电增强而提高，其能表征真空度变化时真空灭弧室放电的强弱。声发射信号 比脉冲电流信号更微弱，用于检测真空灭弧室气体压强的难度更高：超声波检测 法主要用于定性判断放电信号的有无，电流传感器能定量分析真空灭弧室真空灭 弧室真空度与脉冲电流的关系。 关键词：真空灭弧室，真空度，在线检测，超声法，脉冲电流法 重庆大学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h eu p s u r g eo f o n o i l ”i nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m v a c u u mi n t e r r u p t e rh a s b e e n a p p l i e d w i d e l y i n t h e f i e l d o f m e d i u m v o l t a g ed i s t r i b u t i o n b e c a u s eo f i t s p a r t i c u l a r s u p e r i o r i t y t h ek e yp a r to fv a c u n mi n t e r r u p t e r si sv a c u u mt u b e ，w h o s ep r e s s u r ei sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e r i n s u l a t i o ns t r e n g t hi nv a c u u mi sr e l a t e dt ot h ev a c u u mp r e s s u r e ， a n d t h e r e f o r ei ti s s i g n i f i c a n tt o d e t e c tt h e p r e s s u r e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e m e a s u r e m e n to fv a c u m np r e s s u r ei nv a c u u mt u b ec a nb ec o n c l u d e dt ot h eo f f - l i n ea n d o n l i n ed e t e c t i o r r , a n ds 0f a rt h ef o r m e rm e t h o d ，u s e da th o m ea n da b r o a d ，i sm a t u r e h o w e v e r , w h e nc o m p a r e dt ot h em a t u r em e t h o d ，t h el a t e rm e t h o di sl e s sp e r f e c tw h o s e c o r r e s p o n d i n gt e s t i n gi n s t r u m e n ti si n c o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r h e n c e ，s t u d i e so nt h e m e a s u r e m e n ta n dt h eo n l i n ed e t e c t i o nt e c h n i q u eo fv a c u u mp r e s s u r ew i t h i nv a c u u m t u b eh a v ei m p o r t a n ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a lm e a n i n g s w h e nt h ev a c u u mp r e s s u r ev a r i e s ，i t sc o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c a la n dn o n - e | e c t r i c a l s i g n a l sc h a n g e b a s e do nt h i sf a c t , t h eo n l i n ed e t e c t i o no fv a c u u mp r e s s u r ei nt h i s p a p e ri sp r o c e e d e db yu l t r a s o n i cm e t h o da n di m p u l s ec u r r e n tm e t h o dr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n g t ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fa c o u s t i ce m i s s i o nd e t e c t i o n ，n a m e l y , a c o u s t i c e m i s s i o no fd i s c h a r g ew i l lo c c u ri nv a c l a l n nt u b ew h e nv a c u u mp r e s s u r ei n c r e a s e ，t h e p a p e ra d o p t s a na c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o ra n dd e s i g n s a c o r r e s p o n d i n g a m p l i f i e d f i l t e r i n gc i r c u i t s e n s i t i v i t y , r e l i a b i l i t ya n ds a 衄o ft h ed e s i g n e ds e n s o ra r e a n a l y z e da c c o r d i n gt o t h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t o ft e s t f i e l da n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n w h e nv a c u u n lp r e s s u r ed e t e r i o r a t e s ，p r e - d i s c h a r g ec u r r e n tb e t w e e ne l e c t r o d e sa n d s h i e l dw i l li n c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h eo p e r a t i o no fi n n e re l e c t r o d sa n dc o n t a i n sh i g h f r e q u e n c yi m p u l s es i g n a l s d u et ot h e s e ，t h eo n l i n ed e t e c t i o no fv a c u u mp r e s s u r eb y u s i n gaw i d eb a n dm a g n e t i cc o r ec u r r e n ts e n s o ra r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r m o r e o v e r ， e q u i v a l e n tc u r r e n tm o d e lo fs e n s o r sa r ee s t a b l i s h e d ，a f t e rt h ed e d u c t i o no ft r a n s f e r f u n c t i o no fs e n s o r s ，f i e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sb y s a b e r av a c u u mp r e s s u r ed e t e c t i o ns y s t e mf o ru l t r a s o n i ca n di m p u l s ec u r r e n td e t e c t i n g e q u i p m e n ti sd e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t e s t i n gd a t aa r eo b t a i n e db yt h ed e s i g n e ds y s t e m w h i c hi n d i c a t et h a tt h em a x i m a l a m p l i t u d eo fd i s c h a r g es i g n a li n c r e a s ew i t ht h es t r e n g t h o fd i s c h a r g ew h i c hc a nr e p r e s e n tt h ed i s c h a r g eo fv a c u u mt u b ew h e nv a c u u mp r e s s u r e 重庆大学硕士论文英文摘要 v a r y s a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a li sm o r ef e e b kt h a ni m p u l s ec u r r e n ts i g n a la n dd i f f i c u k t ob eu s e df o rg a sp r e s s u r ed e t e c t i o ni nv a c t t l i mt u b e u l t r a s o n i cd e t e c t i o nm e t h o di s m a i n l yu s e d ；i nj u d g i n gt h ee x i s t e n c eo fd i s c h a r g eq t m l i t a t i v e t y , a n dt h ec u r r e n ts e n s o r c a r lq u a n t i f i c a t i o n a t t ya n a l y s i st h er e l a t i o nb e t w e e ni m p u l s ec u r r e n ta n dg a sn e s s u r ei n v a c t k l m - t u b e k e y w o r d s ：v a c 吼n t u b e ，v a c u u mp r e s s u r e ，o n l i n em o n i t o r i n g ，u l t r a s o n i cm e t h o d , i m p u l s ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d l i l 重庆大学硕士学位论文1 绪论 t 缝论 l 。l 弓 富 | 。l ，i 寞空新路器戆发震疆述 乖j 犀真空作为触头黼的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器i l j ，萁升荚触 头密封在个真空容器中来实现交流电路盼通断。其具有电弧不外露、通断性能 稳定、噪声辩弧光较奎等饶点。 程甩舆空分质来戆炎电弧的设想在1 9 世纪采就已提出，2 9 擞纪2 0 年代露躲盘 出了最早的真空灭弧室，但受真空密封和冶炼等技水水平限制，蒙达到高真掇和 使金属材料内气体杂质降低，还缺乏糊应的技术手段，使得在嶷空状态下电流开 骜设嚣无法实瑷。2 毯纪0 年我爱耱凑毫子工煎笈震，诲多瑟技零逐多薅浃了囊 空灭弧室制造过程中的许多难题，使真空断路器逐渐达到实用水平。1 9 6 0 年歼始 试制沿触头边缘开螺旋褙灭弧室，将磁场引入灭弧机构，使真窳断路器的技术迅 速发展；1 9 6 1 年邀赛上繁一台舞监邀力囊空叛路器嶷美国g e 公铡接鑫；2 0 黻纪 7 0 年代屠，日本东芝嘏气公罨成功研制了具有纵向磁场麓头的囊空灭弧室，傻额 定开断电流提高到5 0 k a 以上；中压缀( 7 2 k v 3 6 k v ) 真空断路器逐步取代油断 路器，犀s f 6 断路器的觉母处于优势，且在国际市场上，申压级爽窆断路器也占优 势绝经，占蠢量已达6 5 以上。 我国8 0 年代末以后，随着配电系统“无油化”浪潮的兴起，真空断路器的使 用日趋广泛。相比油断路器、磁吹断路器和空气断路器等开关装置，真空断路器 有许多独特的优点 2 】： ( 1 ) 真空介质绝缘强癌 高i 恢复速度快，断路器行程很短，操动机构的操作 功小，在开断短路电弧时弧压降很低j 触头磨损小，断路器使用寿命长。 ( 2 ) 真空介质在开断短路电弧时不会产生对人体有害的物质。而s f 6 断路器 中的s f 6 气体在高温电弧下可分解出s f 4 、s 0 2 f 2 、s o f 2 等剧毒的低氟化物，如果 运行单位在检修断路器时无法妥善处理这些物质，将对人身安全构成威胁，并污 染自然环境。 ( 3 ) 真空断路器结构简捷。其零部件数量相对s f 6 断路器显著减少，降低了 造价，大大提高了运行的可靠性。 1 1 2 真空灭弧室的结构特点 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，如果真空度降低 则意味着真空断路器功能丧失，真空灭弧室是真空断路器不可缺少的元件。针对 不厨的开断电流、工作电压及使用条件，真空灭弧室有多种形式。按用途，真空 重庆大学硕士学位论文1 绪论 灭弧室霹艨予断路器、受穗器关、接触器等；按绝缘辨轰毒孝料，其露分为玻璃囊 空灭嚣室、淹瓷真空灭弧室和锾最玻璃真空灭孤室；按主霹蔽辫鞠定方式不瓣， 其可分为中间封接式、磁桂式、外屏蔽幂式、绝缘端盏式、主屏蔽罩与触头处于 枢回电位式游几种。即使同样用途的舆室灭弧室，炷 于不同的制造厂有不同黪设 备耪技拳工藏条终，囊空灭弧室终静夔会不怒。囊空灭薮室基奉缝褥翔錾1 1 搿示， 主要由绝缘外壳、屏蔽罩、波纹管和动静触头组成。 图1 1 真空灭弧室结构图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f v a c u u ma r cc x t i n m a i s h i n 2t u b e 1 1 3 真空灭弧室真空度概述 真空一般指气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称 为真空状态。绝对压力等于零的空间称为绝对真空，这是真正的真空或理想的真 空。真空的程度通常以气体的绝对压力值来表示，压力越低称真空度越高。在国 际单位锘4 中，压力以p a 为单位，即1 n m 2 的作用力，习惯使用毫米汞柱( m m h g ) 或托( t o r t ) ，1 托= 1 3 3 3 p a 。本文真空度测试指真空断路器灭弧室内真空压力值 的测试。 真空包括的范围很广，为方便起见常常将它划分为几个区域。我国通常划分 的区域为【3 j ： ( 1 ) 粗真空：真空压力为范围1 ，o l xi0 2 p a l ，3 3x1 0 5 p a ； ( 2 ) 低真空：真空压力范围为1 - 3 3 x1 0 1 p a 1 3 3x1 0 2 p a ； ( 3 ) 高真空：真空压力范围为1 3 3 1 0 1 p a 1 3 3 x1 0 p a ； ( 4 ) 超高真空：真空压力范围为1 3 3 1 0 1 p a 1 3 3 1 0 _ o p a ： ( 5 ) 极高真空：真空压力小于1 3 3 1 0 - 1 0 p a ； 真空灭弧室的真空度( 即其内部气体压力值) 在1 3 3 1 0 - 5 p a 1 3 3 1 0 p a ， 属于高真空范畴。在这样高的真空度下，气体的密度很低，气体分子极少，不易 重庆大学硕士学位论文1 绪论 产生碰撞游离，绝缘强度高。真空灭弧室的真空度将直接影响真空灭弧室的性能， 为保证灭弧室盼可靠工作，其真空度有一允许的最大值，当真空度高于此值时， 真空灭弧室将失去其电气性能。一般认为真空度允许的最大值约在1 3 3 1 0 1 p a 附近眦，但对于不同用途鲍真空灭弧室，其真空度根据不同的使用场合则可有不同 的值，对此各国均未作明确的阿一规定。例如真空断路器用的真空灭弧室，我国 部标h 】技术中规定其真空度允许最大值为1 3 3 x1 0 p a ，国标中为6 6 x1 0 p a ，这 是考虑到断路器分断时灭弧性能的需要。对用作负荷开关或接触器的真空灭弧室， 贝4 其允许最大值可适当放宽些。 真空灭弧室内真空度降低的原因主要有： ( 1 ) 焊缝慢性漏气； ( 2 ) 内部零件放气； ( 3 ) 绝缘外壳等密封零件渗漏； 因为我国现有的真空灭弧室触头材料大都采用c u c r ，虽c r 的吸气性强，但当 采用传统的粉末冶金法来制备c u c r 材料时，材料的含气量比较高；同时因为制造 焊接工艺水平较低或运输过程中受振动或安装操作上不当等原因，造成漏气的可 能性也存在。可以通过材料选择和加工工艺等措旄来解决内部零件放气和绝缘外 壳等密封零件渗漏两个原因引起的真空度降低，而对于第一个原因慢性漏气引起 的真空度降低，我国目前生产条件和工艺水平尚不能完全保证。 采 幽 州 蜮 存放时间t ( s ) 图1 2 真空压强变化曲线 f i 9 1 2m u t a t i v ec u r v eo f v a c u u mp r e s s u r e 经过严格电真空工艺处理的真空灭弧室，影响真空度的主要因素为工作表面 的放气与吸气过程。随着工作时间的增加，灭弧室的微漏气也会导致其真空度的 下降，使绝缘与开断性能降低，其真空度随时间变化曲线如图1 2 所示。文献 6 】 研究认为当气体压强在1 0 5 p a 1 0 叫p a 范围内，由慢性漏气引起的压强变化可近 似为线性的变化，如直线a ；而由放气引起的气体压强变化如曲线“b ”；零件 重壅奎兰堡主兰堡堡苎 ! 堑堡 的放气是逐渐减少的，最后放气与吸气趋于平衡状态时曲线“b ”不再变化。实际 的真空灭弧室真空度变化两线应是上述两种原因的综合，即曲线“a + b ”。 慢性漏气可甩下式表示： 9 = 矿尘d t ( 1 j ) 式中：q 漏气率( p a l s ) ，即单位时间内漏入灭弧室内的气体量： 卜真空灭弧室内容积( l ) ： 一真空灭弧室气体压强( p a ) ： 1 2 真空灭弧室真空度检；j l | 【的意义 近年来，我国电力系统开关设各无油化发展迅猛，真空开关设备在电力系统 得到广泛翡应用，据国家电力公司发输电运营部和中国电力科学研究院在2 0 0 0 年5 月出版的一九九八年全国高压开关总结和事故分析中提供的资料显示， 1 9 9 8 年全国新增的6 l o k v 开关设备绝大部分为真空开关设备，在更新改造过 程中也基本上选用真空开关设备，江苏、浙江、广东、山东、天津等地区的真空 开关设备已占5 0 以上。 真空开关设备的大量推广提高了电网开关的运行水平，但不足的是近年来真 空灭弧室真空度恶化而引起的开关设备事故较多。1 9 9 8 年真空开关设备共发生事 故5 t 次，障碍2 6 次，从事故的分布来看各种类型均有，而由真空灭弧室真空度 的劣化导致的事故居多。如：真空灭弧室真空度的劣化导致绝缘降低，使其开断 故障电流时不能快速熄弧或引起灭弧室爆炸等事故，对系统安全有较大影响，这 个情况引起了许多学者的特别关注。 表1 1 真空灭弧室真空度要求 真空度p ( p a )要求 p 6 6 x1 0 4 良好，可以运行 6 6 0 4 卵- 6 6 x1 0 3 合格，可以运行 6 6 x1 0 3 p 6 6 1 0 2 仍可以运行，必须缩短试验周期 6 6 1 0 2 e 6 6 1 0 1退出运行 目前，由于没有实用化的在线真空度的测试方法和仪器，绝大部分电力部门 都采用断口耐压的方法对真空灭弧室进行测试，具体方法为：在真空断路器的断口 旋加工频交流试验电压，耐压时间为1 分钟，若断口不击穿，则认为真空灭弧室 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 真空度符合要求，可以继续运行：反之则认为真空度已不满足要求，必须更换真 空灭弧室。 某些制造厂家资料显示，真空灭弧室的真空度在t p a 左右，仍能承受4 2 k v 的 断口电压，因此，断口耐压试验无法判断真空度是否低于6 6 x 1 0 - 2 p a ，由此导致 当真空灭弧室真空度在6 6 xl 旷至t p a 之问对仍然能够通过断口耐压试验，为 真空断路器的运行带来故障隐患。按照电气设备预防性试验规程规定，t o k v 真空断路器的预防性试验周期为l 3 年，若真空灭弧室的真空度在试验时处于较 低水平，仍能通过试验。那么在两个试验周期之间真空灭弧室真空度将继续发生 下降，会导致断路器无法正常开断发生故障，甚至可能造成越级跳闸，给电网带 来了极大的安全隐患【5 】。所以真空灭弧室真空度的检测对保障电网安全运行具有重 要意义。 1 3 真空灭弧室真空度测试的研究现状 由于测量环境、测量要求、试品状态和真空灭弧室结构等因素影响，真空灭 弧室真空度测试比较困难，通常以间接钡n 量为主，可分为离线检测和在线检测。 如：工频耐压法、观察法、火花计法、吸气剂颜色变化判定法、高频放电法、高 频电流法、z 射线法和磁控放电法等属于离线检测；耦合电容法、电光转换法和 三相桥法等属于在线检测。 13 1 离线检测真空灭弧室真空度的方法 1 、工频耐压法： f u d i l o 71 0 - 6l o 。51 0 4l o 。3l o 1 0 - 1l o o1 0 p 图1 3 真空压强与交流击穿电压的关系 f i g 1 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r ea n d a cb r e a k d o w nv o l t a g e 真空灭弧室气体在高真空情况下，巴申定律己不适用。当气体压强介于l o q p a 到i o 一1 p a 之间时，击穿电压随气体压强的降低而减少；当气体压强为1 0 一3 p a 或更 小时，击穿电压几乎是与气体压强无关的恒值；当压强高于1 0 - 1 p a 时，随着真空 踮w 为 ：。 印 舒 蚰 稻 重庆大学硕士学位论文l 绪论 管内压强的增大，击穿电压迅速下降0 , 7 1 ，如图1 3 所示 1 1 。基于这一原理可判断 真空灭弧室内的气体压强是否满足系统绝缘要求，但这种方法只能狲出严重漏气 的真空灭弧室，而对处于半真空( p a r t i a lv a c u l l n ) 状态盼真空灭弧室( 1 0 。2 1 p 8 l ，虽 然击穿电压没有降低，但真空管已经不合格( 一般来说，真空管真空度的出厂标准 为小于1 0 。p a ，对于使用中的真空管，其真空度标准可放宽到小于1 0 - 2 p 如但是 己不能开断额定的短路电流。此外，用于耐压试验的工频试验变压器体积大、笨 重、操作不便、且价格较贵，不是每个输变电单位都能配备的。 2 、观察法： 由于真空灭弧室内部真空度降低时常常伴随着电弧颜色改变及内部零件氧 化，所以对玻璃外壳的真空灭弧室可以定期观察。正常时内部的屏蔽罩等部件表 面颜色应很明亮，在开断电流时发出的是蓝色弧光；当真空度严重降低时，内部 颜色将会变得灰暗，在开断电流时将发现暗红色弧光 2 1 , 2 5 。该法适用于对玻璃外 壳真空灭弧室做定期检查，但容易受人为因素影响。 3 、火花计法： 这种方法采用火花探测仪检测，检测时将火花探测仪沿灭弧室表面移动，在 其高频电场作用下内部有不同的发光情况，根据发光的颜色来鉴别真空灭弧室的 真空度。若管内有淡青色辉光，说明其真空度大于1 3 3 1 0 5 p a ；若管内己处于大 气状态，则不会发光唧。这种方法简单，但只能进行定性的判断，适用于玻璃管 真空灭弧室，且也易受人为因素影响。 4 、吸气剂颜色变化法： 在真空灭弧室制造时将玻璃管内壁蒸散一层吸气剂，该吸气剂可以吸附管内 残余气体维持高真空，维修人员可以根据吸气剂的颜色变化来判断真空度的好坏。 这种方法也只能进行定性的判断，适用于玻璃管真空灭弧室，且容易受人为因素 影响【2 7 1 。 5 、高频放电法： 把高频能量耦合到真空灭弧室内，当高频周期比电子在电极间的渡越时间短 时，初始电离产生的电子在高频电场中作往复振荡运动，从高频电场中获得能量， 碰撞气体分子并使其电离而建立高频放电。在两导电杆有一定开距时施加一直流 偏压，则在该回路中可测量到随压强变化的高频放电电流，从而可测量压强f 2 2 2 4 1 。 但是当压强为1 0 2 p a 或更小时，要建立高频放电很困难，甚至不可能。 6 、高频电流开断法： 从原理上来讲，真空灭弧室内真空度是否优劣可由其开断一定电流值的能力 来判定。但是在工频额定电压下，由于要使用大功率电源，这实际上不现实。若 使用高频电流( 4 9 k h z ) ，在一个小的l c 振荡回路上便可获得相当大的d i d t 和d u d t 。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 如果管压低于1 0 1 p a ，电弧电流仅有3 个波，当管压高于1 p a 时，有大量重燃电 弧电流出现【2 s ”】。故使用该方法可大致判定真空管盼优劣。 7 、z 射线法： z 射线是一种能量很大的电磁波，其波长值为1 0 0 1 萨数量级，可以穿透陶 瓷、钢板等。一般来讲，气体的电离能约为几至几十电子伏特，z 射线光子盼能 量约为1 2 4 1 0 2 1 2 4 x10 6 e v ，这个能量远远大于气体的电离能。因此当气体分 子受z 射线照射时，气体分子将被电离并在回路中产生电离电流，该电流与气体 含量和z 射线强度等相关。利用, i f 射线对气体分子的电离作用，可以使真空灭弧 室中残留的微量气体分子产生稳定的电离电流。在相同的电压和照射剂量下，该 电流值与气体分子数有关，气体分子数与真空度直接相关，因此可通过电流值确 定真空度。由于z 射线具有很强的穿透物体的能力，从而使真空开关在真空灭弧 室不拆卸情况下真空度的检测成为可能，但缺点是z 射线是放射辐射物质，经常 使用危害人体身体健康，容易致癌1 2 “。 8 、磁控放电法： 目前，定量澳试真空度较好的办法是磁控放电法。基本原理是将真空灭弧室 的触头拉开一定距离，在触头闻施加宽度为几十毫秒至上百毫秒的脉冲电压，在 其间产生一强电场，同时在灭弧室触头间又施加一纵向强磁场，此时真空灭弧室 内的电子在强电场和强磁场的共同作用下作螺旋运动，并与真空灭弧室内残余气 体分子产生碰撞电离，电离出来的离子在电场内形成离子电流，理论和实验证明， 此离子电流与残余气体密度近似成正比。通过测定离子电流，便可知道真空灭弧 室内的真空度，因此对一定型号的真空灭弧室，试验校订其压强一离子电流曲线， 实际测量时可根据离子电流查真空度1 4 a 2 1 。 该方法测试精度较高，是目前国内外比较成熟和广泛应用的方法。但缺点是 当真空灭弧室装入真空开关柜以后检测其真空度时，只能将真空开关从开关柜中 拉出，并把灭弧室从真空开关拆下，然后再将待测灭弧室套进测量真空度用的圆 柱形励磁线圈才能进行真空度的测试，测试后又将灭弧室装回原位，经调试合格 最后才能装入开关柜投入运行。这样一来，灭弧室在重新装回断路器时需要调整 机械参数，工作量很大并需要专业人员。 1 - 3 2 在线检测真空灭弧室真空度的方法 为了提高真空断路器供电的连续性和可靠性，提出了真空断路器在线检测的 要求。目前已有的在线检测方法不多，还没有一种广泛适用的真空度在线检澳4 方 法及相应的测试仪器系统。主要的在线检测方法如下： 1 、电光转换法： 近年来国外已开发出一种真空断路器在线检测系统，其原理是基于“电光效 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 应”，即利用某些光学元件( 如p o c k e s ) ，在电场中能改变光学性能盼原理，把与真 空度对应的电场变化转换成光通量变化，再经光纤传到低电场区域或控制系统中 进行检测舯。图1 4 给出了这一测试系统盼布置与澳i 试过程。 直 图1 4 光电法测试示意图 f i g 1 4t e s t i n gs c h e m a t i co f p h o t o e l e c t r i c i t y 帖 撮 管 首先由发光二极管和光纤传来的光束经一起偏器转换成线性偏振光，入射到 泡克尔斯( p o c k e l s ) 元件中，该p o c k e l s 元件可通过外加电场使入射的线性偏振光变 为椭圆偏振光，这一椭圆偏振光再通过检偏器和光纤导入接收光电二极管。如使 用的起偏器和检偏器性质相同，并使入射光成某一固定角度，随着电场变化，透 过p o c k e l s 元件输入到接收光电二极管中的光通量就会一一对应变化。使用这一反 映电场变化的信号，我们就可以对真空开关灭弧室的真空度状况进行评价、判断、 显示和报警。其优越性表现在电光变送器( 即电场探头) 及引出光纤为绝缘体， 测试时不改变断路器主体结构，不影响断路器的各项性能，安全可靠。可将探头 固定于某真空灭弧室进行2 4 小时在线检测，也可以移动探头对所有真空灭弧室进 行巡回检测；主要缺点是p o c k e i s 电场探头温度特性较差，容易受温度波动影响， 且其光学系统对现场要求较高，长期运行的可靠性有待进一步研究。此外，电光 变换法应用于现场还应考虑电磁兼容问题。 2 、耦合电容法： 耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的，图1 5 为其测试原理及其等值 电路图。其中。为带电触头和屏蔽罩之间的电容，o 为探测电极与屏蔽罩之间的 电容，白为耦合电容。设所测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩之间的耐压强 度由于真空度降低而下降，则当工频电压从零点上升至某一值时，等值电容c ，被 击穿放电，这相当于图( b ) 中的间隙g 击穿。此后由探测电极电容q 和耦合电 容。组成的放电回路中的电荷瞬时重新分布，m 端就有一个脉冲输出。由于信号 微弱测试时调整测量阻抗乃和乃，使在高压端输入的干扰最小。耦合电容白可以 影| | 吣船舯 2 沁 重鏖奎堂堡主堂堡堡奎 ! 堑笙 由与探测电极同一尺度但布置于灭弧室端部附近的电极与端部构成。为了不降低 断路器总体的绝缘水平，各电极均应有足够的绝缘防护层，布置于绝缘壳体与接 地机壳之间。由于从绝对真空到标准大气压，介电常数的变化率只有0 0 9 5 ，因 此该检测方法抗于扰能力和测试灵敏度还有待于验证f 9 】。 h 礓蓑 fr ， i i 卜! i a h 1 l 主问屏蔽、 ( a ) 检测原理图 ( b ) 等效电路 图1 5 耦合电容法检测真空度的原理图及等效电路 f i g 1 5 s c h e m a t i cd i a g r a ma n de q u i v a l e n tc i r c u i tf o rc o u p l i n gc a p a c i t a n c em e t h o d 3 、三相桥法： 电 源 图1 6 真空度检测系统示意图 f i g 1 6 s c h e m a t i co f t h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m 对于操作比较频繁的场合，也可以采用三相桥法来实现真空灭弧室真空度在 线检测。图1 6 为三相桥法的原理电路图，其中s p 为真空开关，r d 为熔断器， 月r 一飓为电阻，c r c 2 为电容器，g 1 为空气间隙，d 为二极管，g 为氖气辉光放 电管。这种r c 网络原来用于电压保护，但人们发现当断路器处于分闸状态时，若 有一相灭弧室真空度低于临界击穿值，则r c 网络交汇点与系统中性点之间就有一 个电压输出，由此可判断在分闸状态下某一灭弧室真空度的恶化情况。该测试系 统主要缺点是测试系统需要与断路器一次侧有电气连接，且测试回路中有电容元 重庆大学硕士学位论文l 绪论 件，因而应充分考虑该系统外绝缘和电容存在电击穿引起的人身事故等【2 仉。 1 3 3 真空灭弧室在线检测技术成果 目前，国内有一些大学和研究机构已经开始了真空灭弧室真空度在线检测方 法和技术的研究，并提出和拥有了一些自主知识产权的方法和技术。例如已经用 于真空灭弧室内真空度在线检测的方法： 真空灭弧室内装微型磁控放电法，是东南大学发明的一种微型磁控放电计管， 可装于灭弧室的电极空腔内测量真空度。 真空灭弧室内悬浮电极的放电间隙法，是清华大学发明的一种内置放电间隙 的真空灭弧室，通过探测放电间隙的放电情况，在线检测真空灭弧室的真空度。 该专利的不足之处是需要改变真空灭弧室的结构，需要在真空灭弧室出厂前进行 安装。 通过分压电容检测屏蔽罩放电电流法，从真空灭弧室的中间屏蔽罩上引出信 号线，经分压电容接入电流放大电路，当真空度劣化时该真空间隙能被击穿，将 击穿电流放大驱动报警电路，其不足之处是改变了屏蔽罩的正常电位。 检测自闭力的平衡弹簧与千分表法，通过外接波纹管、定簧板、平衡簧、改 进千分表来检测真空管的自闭力，从而给出真空度的变化，其不足之处是需要改 动断路器的机构。 上述方法都不是很成熟，实用性差，不能很好满足电力系统用户的需要。因 此，在已有的测量方法基础上，进一步开展真空灭弧室真空度在线检测方法和技 术的研究与实验，具有较大的理论意义和工程使用价值。 1 - 4 本文的主要研究内容 目前真空灭弧室真空度在线检测处于实验室研究和初步应用的探索阶段。虽 然国内外对真空断路器机械特性、操作过电压和灭弧室内电磁场分布等进行了大 量理论和实践研究，并取得了令人满意的结果。但真空灭弧室真空度在线检测研 究较少，理论分析表明【】：当真空灭弧室真空度不断降低到i 晦界压强时，不仅电 气参量有变化，如：触头问泄漏电流和真空电弧等；真空灭弧室电极与屏蔽罩之 间放电产生高频电流信号；而且非电气参量也有一定变化，如：各种气体的含量、 温度、压力或者局部放电出现的发声、发光和发热等。根据电气参量和非电气参 量的不同，检测方法分为：脉冲电流法 1 3 - 1 5 、超声波法 1 6 a 7 1 、化学分析法 1 8 】、超 高频检测法1 1 9 , 2 0 等。因此本文从电气测量角度和非电气测量角度出发，提出了真 空灭弧室真空度在线检测两种方法，并设计了真空度检测试验系统。 本文研究的主要内容如下： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 论文研究真空灭弧室放电过程中声发射的基本原理和特性。由于当真空 灭弧室真空度劣化时，真空灭弧室内将产生放电声发射波。基于此本文选用一种 超声传感器和设计相应的滤波放大电路，使其满足现场和工程应用的实际要求。 ( 2 ) 由于真空灭弧室真空度变化时，除了非电信号的变化还伴随一些电信号 的变化，如当真空灭弧室的真空度降低时，高压电极与屏蔽罩间隙会产生放电电 流并且放电强度会伴随真空度的降低而逐渐增大。基于此本文提出用宽带磁心电 流传感器对真空灭弧室真空度进行检测和实验。本文也建立了传感器的等效电路 模型，得到了传感器的传输函数，并以s a b e r 为工具，就传感器的频率特性来确定 传感器参数使之满足检测要求。 ( 3 ) 设计真空灭弧室真空度检测试验系统，分别采用超升和脉冲电流法检测 真空灭弧室模拟装置来测试较低真空度时声发射信号和放电脉冲电流信号，获得 试验数据。并对试验结果进行了分析，得出信号和气体压强的关系。 重庆大学硕士学位论文 2 真空灭弧室中放电基本原理及过程 2 真空灭弧室中放电基本原理及过程 2 1 亨 言 真空灭弧室内真空度的测试和检测方法较多，不同的方法适用于不同的场合 且对其要求莳条件也不尽相同。由于受测量环境、钡q 量方法和真空断路器结梅等 因素盼限制，在线检测真空灭弧室真空度就变得较困难。 当真空灭弧室真空度变化时，常会伴随一些电信号与非电信号的变化。如： 当真空灭弧室真空度较低时，触头间隙以及触头与屏蔽罩的间隙就会发生辉光放 电现象1 2 9 ；同时在燃弧过程中，如果真空度较差，真空灭弧室盼电弧电压和屏蔽 罩电位的波形将会有较大的高频信号叠加；真空灭弧室电极间隙出现的放电和电 极与屏蔽罩之间的间隙放电，不论是预放电阶段还是击穿放电阶段，都伴随有声 发射现象m j 。 本章阐述了真空灭弧室的真空度与其电特性、非电特性之间的内在关系，从 而为研究真空灭弧室在线检测真空度奠定理论基础。 2 2 真空灭弧室中放电过程的声发射基本原理 2 2 1 声学基本概念 下面介绍在本文中将用到的一些声学基本概念 3 4 】。 声强：单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的声能，用，表示，单位为 酬册2 。 声能量：在声场中取一足够小的体积元，其原先的体积为，压强为p d ，密度为p 。， 由于声扰动使该体积得到动能为： 峨= 妄( p o g o ) v 2 ( 2 1 ) 同时，由于声扰动该体积压强从岛升高为n + p ，于是该体积元具有位能为： 业，：fp d v ( 2 2 ) 所以，体积元里总的声能量为动能与乎能之和，即：、 业啦鸠2 纠 者j 声能量密度：单位体积里的声能量称为声能量密度5 ，即 仁堡三p v o 2 。【v 2 + 者22 js = 一n l v 十，i 。”edn c j ( 2 3 ) ( 2 4 ) 重庆大学硕士学位论文 2 真空灭弧室中放电基本原理及过程 2 2 2 宾空灭弧室中放电声发射的机理 国内外声发射技术用于真空断路器真空度的测试较少，文献 3 5 i 阐述了声发 射产生的机理以及真空断路器真空度的放电声发射检测原理，并通过试验得到放 电声发射波的简要特征。当真空灭弧室真空度劣化时，灭弧室内的气体放电大致 分为以下两个阶段： ( 1 ) 预放电 如果真空灭弧室内真空度较高，则带电电极与屏蔽罩之间绝缘良好，自由电 子的平均行程都在米到千米数量级【2 6 1 ，在灭弧室内很少能产生碰撞电离，放电难 以产生；当真空度恶化时，灭弧室的绝缘水平下降，在工频电压作用下带电电极 与屏蔽罩之间出现预放电电流，放电周期性出现在正弦电压峰值附近，电流幅值 在数十微安到数毫安范围之内，且常伴随着放电和电极表面的发光、发声等现象 2 5 1 。如图2 1 所示。 二 图2 1 灭弧室预放电曲线 f i g 2 1p r e - d i s c h a r g ec u i v eo f v a c u u ma r c ( 2 ) 击穿放电 当骣路器处于合闸状态时，灭弧室屏蔽罩的电位是高压部分一屏蔽罩之间、 屏蔽罩一断路器面板之间分别具有的电容分压的电位m j 。即 u ：u ( 2 5 ) c ，+ c ， g ：高压部分屏蔽罩之间的等效电容，c ：为屏蔽罩一断路器面板之间等 效电容，u ：高压部分与屏蔽罩的电位。高压部分一屏蔽罩随。和。的不同， a u 在0 到己，之间变化。断路器合闸运行时，u 为，当真空度继续降低，内 部气体压力值大于临界值，乩大于绝缘击穿电压u 。，即满足了绝缘击穿条件， 电极就会对屏蔽罩发生击穿放电。由气体放电巴申定律可迭代求出剐开始放电时 的真空度只。 重庆大学硕士学位论文 2 真空灭弧室中放电基本原理及过程 名= ( 2 6 )