（电力系统及其自动化专业论文）真空断路器真空灭弧室内真空度的在线检测.pdf

真空断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 o n l i n ed e t e c t i n gv a c l l i t yf o r i n t e 咖p t e ro fv a c u u mc i r c l l i tb r e a k e r a b s t r a c t a t p r c s e n t ，t h ev 删u ms w i t c h e sa 佗u 驼dw i d e l yi nm e d i u mv o l t a g cn e t w o r kb e c 卸t h e v a a m ms w i t c h e sh 州em 柚ym e r i t ss u c h 鹤c a p a c i t y0 fb 北a l 【i n go f = fh 船v yc u r r e n t 锄d 能t i n g u j s h i n ga r ce 弱i l y ，l o n gw o r k i n gl i f c ，m a i n t a i n j l l gl 龉s ，f 印a i r i n gl e s s ，t l l cv a c u u m s w i t c h e sm o s t l yt a k ep l a c ct h eo t l i c rl 【i n d so fs w i t c h e s t h ev a c u u mi n t e m l p t c ri st h ek e y 叩p o n e n to ft h ev a 饥u ms w i t c h e s 蛐dt l l ev a c t i u mp r e s s u 他i so n eo fi m p o r t a m tp a 删n e t e 塔o f v a c u u ms w i t c h e s t h ev a c u i t yo fv a c u u mi n t e 栅p t c rd i 佗c t l yd e t c m i n e st h ep c r f b n n 卸c c b r c a l ( i n go f fc i r c u i t 卸di sr c l a t e dt ot l l cs e c u r i t yo fe l c c t r i cp o w e rs y s t e m ，b u tt h ei n 鲫l a t i n g s t r e n g t l l 锄di l l t c m l p t i n gc i i r n tc a p a d t y i nv a c i i u mc x 打c m e l yd e p c n d s 衄v a c i i u mp r e s s u 圮 o n l ym e e t i n g t h en e c c s s a r y 啪g eo fv a c u u mp r c s s u r c ，t h ep e r f o n n 卸c co fv a c u 岫s w i t c h e si s 渤d 部c d n a i n s os n l d y i n g 蛐t h em e 勰u f c m e n t 柚dt l l em d i n ed e t e c t i t e 删q u co f v a c u u mp r c s s u r cw i t h i nv a c u 哪i n t c 删p t 盯h 笛i m p ( n 柚tm e a n i n gn o t l yt 0t l l r yb u ta l t o 化a l i t y t 1 l e 佗a 聆m 柚ym e t h o d st c s t i i l g 如dd c t e c t i n gt t l ev a c u u mp r e 髂u 聆o fi n t c 邶p t c r 卸dm c m e t h o d sa 陀d i f 诧f c mw i t ht h ed i f 诧r c n ts i t l i a t i o n e v e r ym e t l l o di sa p p l i e dt os p e c i f i cs i t l l a t i 衄 锄dn e c dd i f f c r c m i a lc o n d i t i o 鸺g e n e r a l l yt h 璐em e t h o d sa 托d i v i d c di n t 0t h co f m d e t e d i o n ，l o a d e dd e t e c t i o n 弛d l i n ed e t e c t i t h c l i n ed e t e c t i n gm e t h o d st h a tt h c s t m c t u r 鹤o ft h ev a c u 啪c i r c u i tb 陀a k e ru n c h a n g c do rn os e n s o 鹉a d d c da r cw 锄t i n ga n d m e t h o d s 卸de q u i p m e n t su df o ro l i n ed e t e c t i 蛐a 圮s t i l ls c l d o m t h eu 鞠g eo fp r 瞄e m m c t h o d so n l i n ed e t c c t i i l ga 他l i m “e d t h en e w l i n ed c t c c t i n gm e t i l o di sp m s 如t e di nt h i s p a p c r h lt h i st h e s i s ，t l l ei m p o n a n tp m n tm e 猫u m e n tm e t l l o d sf o rv 删i t yo fv a c u u m i n t e 删p t e 璐a r cf 璐e a r c h e d 柚dt h em e 鹤u 他m 即tp r i n c i p l e s 卸dt h ec h a r a c t e f i s t i c so ft h e s e m c t h o d sa 北孤a l y z c d o nb a s 鹤o ft h e 亿s e a r c h a n d 柚a l y sf o rm c 勰u r 锄锄tm e t h o d s ，a n c w 彻l i n ed e t e c t i m c t h o df v 栅i t yo fv a c u u mi n t 删p t e ro fv a c u 唧s w i t c hc q u i p m 伽曲 i sp r c 蜘t c d n i sm e 也0 dp r i n c i p l e 硒f o l l o w s ：w h 锄m cv 删i t yo fv a 伽mi n t 删p t c ro f v a c i l 啪s w i t c he q u i p m e n t sd c t c r i 啪t e st oc c n a i nd e g e ，t l l a tt h ei l l 蛐l a t i n ga b i l i t yb e t 、j l ，n t h ed o s e d n t a c b 柚dt l l es l l i e l dr e d u c c sl e a dt od i s c h a r g cb c 似啪t h cd o s c dc d n 协i ：t s 柚d i i 鎏型! ：些叁竺塑主堂竺丝奎 t h es h i e 埘i nv a c u u mi n t e 删p t e ro fv 舵u u ms w i t c he q u i p m e n t s ，t h ee l e c t r i cd i s c h a r g ec a n n c ht h ee l e c t 砌m a 印e t i cw a v ep u i ，t h c 化l a t i 伽sb c 铆c c nt h ee l c c t r o m a 印e t i cw a v e p u l s c 卸dt h ev 删j t yo fv a c i i u mi n t e 肿p t e r 咖b ed e l e 肿i n e d ，s ot h ev a c i i i t yi sd e t e 邢i n e dt h m u g t i t h er c l a t i 彻s t h em c t h o db 蠲e d 衄a h 呷em e n t i o n e d p “n d p l et h a tt l l cv a c u j t yi sf o u n d 伽tb v t h ei n s t n l m e n td e t c d i n gp u l s 铭o fe l c c t m m a g n e t i cw a v 髂a mp m p o s e di no r d 盱t ov a c 眦m c i f c u i tb 佗a k c f l i n ei sm o n i 蜘n 吕 k 曲w o r d s ：憎如u mi n t e 删p t e r ，d e c t cp o t e n 妇io fs h i e i d ，帆陆ed e t e c 6 蛐，p u i s eo f e k n l 瑚啮印鲥cw a v e ，v a 蛐i 哆 i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 妞喻赳! 巡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲鸷一名：绰嗍一 沈r i | ：业人学硕t 学位论文 1 绪论 1 1 真空开关设备的概述 真空开关设备是电力系统配电网中关键元件之一。真空开关设备是真空断路器、真 空负荷开关和真空接触器的统称。真空开关是一种以气体极为稀少，分子问的自由行程 很大，粒子碰撞几率极小，绝缘强度很高的真空空间作为熄弧介质的开关。从理论上讲， 真空中的绝缘强度可承受高达1 0 7 v c m 的击穿电压。由于真空具有很高的绝缘强度，所 以开关的触头开距可以设计的很小( 1 毫米至几毫米) ，这种特性决定了其操作机构可 以做的很小。因此，真空开关与磁吹断路器、油开关以及高压空气电磁接触器等开关设 备相比有较大优势。真空开关的触头都是密封在一个真空容器中，来完成交流电路的通 断：这种开关具有电弧不外露、歼断能力强、体积小、重量轻、无污染和没有大的噪声 i p 和弧光等优点，这些都是以往的开关设备所不具备的。真空开关就是把具有优异的灭弧 性能的高真空灭弧装置真空灭弧室用在开关设备上。真空灭弧室就是真空开关的心脏， 真空灭弧室按真空灭弧室的通断能力，分为真空断路器、真空负荷开关和真空接触器， 其主要性能直接决定着真空开关的性能l ”l 。真空灭弧室的性能参数包括开断能力、耐 压强度、截流水平、电寿命、过载能力和长期导通电流能力等。本文所讨论的真空度测 试指的是真空断路器的真空灭弧室内的真空度的测试。 真空开关的发展最早可追溯到1 8 9 3 年美国人r i n c n h 蛐s e 设计的第一个结构简单的真 空灭弧室专利的发表。1 9 2 0 年瑞典b f i k a 公司制造出了世界上第一个真空开关，但受当时 真空密封和冶炼技术限制，要达到高真空和使金属材料内气体杂质降低，还缺乏相应的 技术手段，使得在真空状态下电流开断的实用设计无法实现。2 0 世纪5 0 年代以后，随着 电子工业发展，出现了许多新技术逐步解决了真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 年开始试制沿触头边缘开螺旋槽灭弧室，将磁场引入 灭弧机构，使真空断路器的技术得到了长足的发展：1 9 6 1 年，美国g e 公司推出了第一 台商业电力真空断路器；2 0 世纪7 0 年代后，日本东芝电气公司成功研制了具有纵向磁场 触头的真空灭弧室，使额定开断电流提高到5 0 k a 以上：1 9 8 0 年，日本明电舍公司生产出 了1 2 3 k v ，3 1 5 k a 单断口真空灭弧室，美国生产出了1 6 8 k v 双断口真空断路器；1 9 8 7 年， 真空断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 闩本东芝公司首次研制出单断口电压等级1 4 5 k v ，3 1 j i 渔真空断路器；在大电流开断方 面，日本目前已有l o o k a 1 2 k v 的真空灭弧室产品及可以开断2 0 0 k a 电流的模哩真空灭弧 宅。 我国从1 9 5 8 年开始从事真空电弧理论及真空开芙的研究，自8 0 年代末以来，随着配 电系统“无油化”浪潮的兴起，真空断路器的使用f j 趋广泛：到目前为止，已经能够生 产1 0 k v ，5 0 k a 和3 5 k v 2 5 k a 的三相真空断路器，浙江紫光电器公司生产出了1 1 0 k v 的真空 断路器，并进一步研制2 2 0 k v 的真空断路器。 现代真空开关的工作电压，开断电流和长期工作电流的范围非常广泛。不同用途的 真空开关的负载特性也有很大的不同。真空灭弧室是真空开关设备的关键部件，其结构 和性能直接决定着真空开关的主要性能。真空灭弧室主要由动、静触头，屏蔽罩，波纹 管，外壳和其它零件组成，如图1 1 所示。 静墙封接环端屏蘸罩绝缘外壳中问屏蔽罩 波纹管保护罩动媾封接环 静端盖扳静导电杆静均压罩中阃封接环触头波纹管动端盖板 图1 1 真空灭弧室结构 硒昏1 1s t n l c i u ”o f v a c u u mi n t c m l p t 盯 真空灭弧室的外壳是一个真空密封容器，由玻璃或陶瓷筒、动端及静端法兰组成。 在密封真空灭弧室时，要按照严格的密封操作规程组装。真空灭弧室对真空度要求很高， 般要求能够正常工作2 0 年。 真空灭弧室的开断能力，耐电压强度，电寿命，关合能力，截流能力，过载能力和 长期导通电能力等均与触头结构和触头材料有密切关系。真空断路器触头发展大致经历 沈拜| f ：业大学硕+ 学位论文 了如f 的过样：简单型( 圆柱形) 刀断触头横向磁场触头一纵向磁场触头一多极纵磁 触头。触头材料的发展大致经历了从c u b i 合金系列到c u c r 合金系列，目前c u c r 合金 材料的触头应用得最为广泛。 按用途的不同分类，真空灭弧室可分为断路器用，负荷开关用，接触器用以及特殊 用途等。 按绝缘外壳材料不同分类，真空灭弧室可分为玻璃真空灭弧室，陶瓷真空灭弧室和 微晶玻璃真空灭孤室。 按屏蔽罩固定方式不同分类，真空灭弧室可分为中问封接式，瓷柱式，外屏蔽罩式， 绝缘端盖式和主屏蔽罩与动触头或静触头处相同电位等几种。真空灭弧室屏蔽罩有三个 作用1 4 j ： ( 1 ) 防止燃弧过程中触头问产生大量的金属蒸气和液滴喷溅到外壳绝缘筒的内壁， 造成真空灭弧室外壳绝缘强度的降低或闪络； ( 2 ) 改善真空灭弧室内部电噩的分布，有利于真空灭弧室外壳向小形化发展，尤 其对高电压的真空灭弧室小形化有显著效果； ( 3 ) 冷却和凝结电弧生成物，有助于电弧熄灭后，残余等离子体的迅速衰减。因 此，当屏蔽罩吸收电弧生成物的冷却和凝结量越大，说明它吸收的能量也越大，遮凝对 增大真空灭弧室的开断能力起很大作用。 按不同触头结构分类，真空灭弧室可分为圆柱形触头，杯状触头，螺旋槽形触头以 及特殊结构触头。根据触头线圈产生磁场方向的不同，又可分为横向磁场触头和纵向磁 场( 包括单极、两极和多极) 触头。 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： ( 1 )真空介质绝缘强度高，恢复速度快，断路器行程很短，操动机构的操作功小， 在开断短路电流时电弧压降很小，触头磨损小，断路器使用寿命长。 ( 2 )真空介质在开断短路电流产生的电弧不会产生出对人体有害的物质。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 0 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 3 一 囊字断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 环境。 ( 3 )真空断路器结构简单，其零部件数量较之s f 。断路器显著减少，降低了造价， 大大提高了运行的可靠性。 由于真空开关的这一系列优点，它己广泛应用于电力、石油、化工、煤矿、冶金和 电气化铁路等领域中。在电力传输中压( 7 2 k v 3 6 k v ) 领域中，真空断路器逐步取代 油断路器，并与s f 6 断路器的竞争中处于优势，且在世界范围内，真空断路器在中压领 域的使用比率在6 5 以上，并一直呈现出增长的趋势 真空断路器也存在一些不足： ( 1 ) 由于真空断路器断流能力较强，分断时，将产生较高的浪涌电压，这个问题 在一些文献里有过讨论。 ( 2 ) 真空度降低时，遮断性能也要降低。因此，就产生了真空断路器的真空度被 检测的问题。 1 2 真空灭弧室真空度叙述 绝对气体压力低于正常大气压力的状态可称为真空状态。绝对气体压力等于零的空 间称为绝对真空，这才是完全的真空或理想的真空。真空的程度通常以气体绝对压力值 来表示，压力越低，真空度就越高。在国际电位制中，压力以帕( p a ) 为单位，l p a 即 l n ，m 2 的作用力。一个工程大气压约为o 1 m p a ( 兆帕) 。过去，习惯使用毫米汞柱( 姗h g ) 或托( t ( 盯) ，1 t b r r = 1 3 3 3 p a 。本论文中所提至q 的真空度检测指的是真空断路器真空 灭弧室中的真空压力值检测。 为方便起见，在我国，通常将真空范围划分为如表1 1 中所示的几个区域。 表1 1 真空度范嗣的划分 1 曲1 1d i v i s i o n so f v a c l l 姆 真空区域真空范围 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空 1 3 3 1 0 2 p a 1 0 1 1 0 5p a 1 3 3 1 0 一p a 1 3 3 1 0 2 p a l _ 3 3 x 1 0 6 p a 1 3 3 1 0 1p a 1 3 3 1 0 一o p a 1 3 3 1 0 6 p a 真空压力小于1 3 3 1 0 _ op a 沈辫j ：i ：业大学硕十学位论文 一股，真空灭弧室的真空度要求在1 3 3 1 0 _ 5p a 1 ：，3 l o - 2p a 之白j ，属于高真 空范围。在这样高的真空度下，气体的密度很低，气体分子极少，气体分子的平均自由 行程很长，气体分子之间难以发生碰撞，触头i 日j 隙的绝缘强度很高。 真空灭弧室内的真空压力直接影响到真空灭弧室的性能，为保证灭弧室可靠工作， 其真空压力有一允许的最大值，当真空压力高于此值时，为了安全和保证可靠性，这样 的真空灭弧室即须更换。依据高压断路器定货技术条件( 9 9 ) ，对于运行中的真空 断路器其真空灭弧室真空度压力不得大于6 6 1 0 。p a ，电力部颁布的标准是真空断路 器其真空灭弧室真空度压力不得大于1 3 3 1 0 tp a 。由于真空断路器分断时灭弧的需 要，真空度要求较严格，而对用作负荷开关或接触器的真空灭弧室，其真空压力允许最 大值可适当放宽些。 真空灭弧室制成出厂以后，并不能永远维持其真空压力不变，而是有一定的嘉窑寿 命。所谓的真空寿命就是指真空灭弧室从制造厂出厂至真空度降低到标准所规定的最低 阈值之间的允许最长时间。表1 2 列出了真空灭弧室真空度内真空度不同范围时的真空 灭孤室运行状况。 表1 2 真空度不同范围时的真空灭弧室运行状况 t 曲1 2 s t a t i l s o f v a c u 岫i l e u p t c r 叽c 彻d i o n o f v a f i o n s v a c l i i t y 真空度p ( p a ) 真空灭弧室运行状况 p s 6 6 x 1 0 - 6 6 x l o - 墨p 6 6 x 1 0 4 6 6 x 1 0 3 p 6 6 x 1 0 - 2 6 6 1 0 2 p 6 6 x 1 0 1 良好，可以运行 合格，可以运行 可以运行，必须缩短试验周期 不能运行，必须更换 真空灭弧室真空度降低的原因主要有： ( 1 ) 封接处慢性漏气； ( 2 ) 内部零件释放气体； ( 3 ) 绝缘外壳等密封零件渗漏。 5 一 真空断路器真空灭弧室内真空度的住线检测 特别是( 1 ) ，即慢性漏气对真空度降低有更大影响，( 2 ) 和( 3 ) 可以通过材料 的选择和加工工艺等措施来减少放气。就我国目前的生产条件和工艺水平，尚不能完全 保证生产的真空灭弧室不漏气。同时，我国现有真空灭弧室触头材料大多采用c u c f 合金， 虽说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，c u c r 材料的含气 量是比较高的。还有，由于制造时焊接工艺的质量或运输过程中受震动或安装操作上的 不当等原因，造成漏气的可能性也是存在的。真空灭弧室的波纹管也会造成真空灭弧室 的真空度下降。真空灭弧室的波纹管是保证动触头在一定范围内运动和长期使灭弧室保 持高真空的重要元件，要求有很高的机械寿命。波纹管本身存在的装配、材料等方面的 缺陷都会严重影响真空灭弧室的寿命。同时真空开关的工作条件、操作机构的安装调整 质量等都会影响波纹管的使用寿命。波纹管的损坏可以是瞬时机械性的破坏，使真空灭 弧室彻底失效；也可以是一个时间较长的过程，使真空灭弧室漏气加剧，最终导致灭弧 室失效。因此，随着时间的增加，灭弧室的真空度将降低。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 长，灭弧室的微漏气也会导致其真空度下降，使绝缘与开断性能降低，发展到一定程度， 真空开关设备将丧失其工作能力。因此，真空灭弧室内的真空度是直接影响真空开关性 能的重要指标之一。在存放时i 日j 内，真空灭弧室的压力变化曲线如图1 2 所示。 当真空压强在1 0 。l o - 1 p a 范围内由慢性漏气引起的压力变化可近似为线性的变化 如直线a ；而由放气引起的压力变化如曲线b ；零件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，实际的真空压力变化曲线应是上述两种原因的综 合，即曲线a + b 。 慢性漏气可用下式表示： d 皿一矿等 ( 1 1 ) 口l 式中，q 工是漏气率，单位是帕立方厘米每天( p a 锄3 d ) ，即一天时间漏入灭弧 室的气体量：腥真空灭弧室内容积，单位是立方厘米( 咖3 ) ：p 是真空灭弧室内的真 空压力。 沈目ir ：业大学硕七学位论文 真空灭弧室密封后的后的真空压强随时日j 的变化关系是非线性的，用非线性来判断 真空寿命并不方便。通常用线性变化的特性来推断真空寿命。如图1 3 中直线c 。 粼溷t ( d ) 图l ，2 真空压力变化曲线 f j g 1 2v a r y i n g 印r v eo f v a 饥u mp r e 跚鹏 p ( p a ) p i r p l 图1 3 推断真空寿命原理图 h 参1 3s c h e m 撕cd i a g 舢o ni n f e r r i i 培v a 伽u mi i f c 此曲线由图上取两点连接而成，一点是真空灭弧室密封时的真空压强p i 时间f ：o ，另 一点为存放一段时间瓦后的真空压力p t ，即图上m 点。通常为几周至几个月时间，只要 能明显测量出密封后的压力变化即可。 真空寿命丁的表达式为： r 。拿墨i ( 1 2 ) 只一只 一歪一r幽翻醵 雨一 一 m一ij瓦 - _， 一 一 多一 一多一 - _ # 一 痢一 真空断路器真。z 灭弧室内真空度的在线检测 式中，只真空灭弧室真空压力的允许最大值( p a ) 砰一真空灭弧室密封后即测得的真空压力( p a ) p t 一真空灭弧室存放一段时f b j 后所测得的真空压力( p a ) 砰一测量真空灭弧室压力p 时的相应的存放时间( d ) 通常，p 口 ) _ p f ，则有 p r 一二l z( 1 - 3 ) c c 如果p f 很小，略去只，则又可粗略得到： p r - 二三z( 1 4 ) c 显然，由上三式计算得到的真空寿命均比实际的真空寿命瓦要短，如图1 3 所示， r c r 瓦，因此由这种方法计算得到的真空寿命是可信的。 上述所讨论的真空寿命均指真空灭弧室在不分断电流的情况下，按工厂规定的存放 条件所保证的期限。实践证明，真空灭弧室在分断电流过程中有吸气作用，从而使灭弧 室内的压强降低，使实际的使用寿命能够延长。 1 3 真空灭弧室真空度检测的意义 近年来，我国电力系统开关设备无油化发展迅猛，真空开关设备在电力系统得到广 泛的应用，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 1 0 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己占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，真空开关的核心是真空灭弧 室，真空度是真空灭弧室内的重要参数之一。真空中的绝缘强度与真空度有关，保持 1 0 印a 以上的真空度是合格真空灭弧室应具有的基本条件。真空度低劣的真空灭弧室难 以开断短路电流，甚至不能开断负荷电流，因此，真空开关设备的用户特别关心灭弧室 服役时的真空度状况。尽管现代电真空技术已能保证它们有l o 年乃至2 0 年的真空寿命 但真空状况不能像s f 6 或油介质那样，在运行中可直接进行检漏。故人们不仅希望在灭 沈阳1 二业大学硕十学位论文 弧室出厂前能准确地测出其真空度，算出真空寿命，而且，还希望能在使用过程中实现 真空度的现场测试和在线检测。 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 1 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。根据1 9 8 9 1 9 9 7 年全国高压开关设备事故分析调查报告，相对其它种 类的断路器而言，真空断路器开断与关合事故比例较高。问题主要出现在灭弧室部分。 真空室漏气，真空度不足是主要的故障。 对现场真空灭弧室真空度检测的要求如下阁： ( 1 ) 作业安全并且容易； ( 2 )检测可靠； ( 3 ) 能常时进行监视； ( 4 )真空断路器根据其用途和容量而种类很多。所以要能通用； ( 5 )尽量不对真空断路器本身带来变动，并能适用于已装设备。 现在采用的真空度检测方法，还不能完全满足上述条件。今后必须解决的问题如下： ( 1 )能在高电压、强电场中进行测量； ( 2 ) 各项性能不因附加检测设备而下降； ( 3 ) 有与断路器相同的寿命； ( 4 )能耐受断路、投入操作时的冲击、振动； ( 5 ) 体积尽可能小，与断路器本体相比的价格相当。 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施加工频交 流试验电压，耐压时间为1 分钟，若断口不击穿，则认为真空灭弧室真空度符合要求， 可以继续运行；反之则认为真空度己不满足要求，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1 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 1 0 - 2 p a ，由此导致当真空灭弧 9 一 真宅断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 室真空度在6 6 1 0 。p a 至l p a 之间时仍然能够通过断l 耐压试验，为真空断路器的运行 带，束故障隐患。按照电气设备预防性试验规程既定，1 4 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f 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f 降，会导致断路器无法j f 常歼断发生 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。所以真空火弧室真空度 的在线检测对保障电网安全运行具有重要意义。因此，真空灭弧室的真空度的测试和在 线检测方法的研究具有很重要的理论和现实意义。 1 4 本文的研究内容 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临界压力时，不仅电气参量有变化，如：触头间 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 电气参量也有定变化，如：各种气体的含量、温度、压力或者局部放电产生的发声、 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、超声 波法、化学分析法、超高频检测法等。 基于对现有各种真空度检测和测试方法研究的基础上，本文提出了一种真空灭弧室 真空度在线检测的电磁波方法。本文研究了运行中的真空断路器灭弧室的真空度与屏蔽 罩电位发生变化时，它们之间会产生放电现象，放电会发射出电磁波脉冲，电磁波脉冲 与灭弧室真空度之间有一定的关系，通过这种关系就可以判断真空度的大小。在此原理 之上，探讨了利用电磁波检测仪来检测电磁波脉冲，再根据实验结果来确定灭弧室真空 度的值，实现真空断路器的在线监测。 l o 沈阳l ：业大学硕士学位论文 2 真空开关设备真空灭弧室真空度检测方法分析 2 1 目前国内外灭弧室内真空度检测的研究现状 真空灭弧室真空度的测试，一般分为出厂测试、现场检测和在线检测三类。真空灭 弧室的真空度测试，随所处场合不同而有不同的要求： 、 ( i ) 真宅灭弧室出厂前，为了能准确地计算其漏气率和真空寿命，要求测试设备 的灵敏度相对高一些。此时对测试条件无特别要求，可把灭弧室放入特定的磁场线圈中 进行测试。 ( 2 ) 真空灭弧室被购进断路器生产厂后，作为元件的入厂检验也要求能准确地测 出其真空度。在断路器装好后出厂检验时，则要求在灭弧室不拆卸的条件下进行测试。 ( 3 ) 对于真空断路器的用户，按规定应定期停电对整个断路器进行维护或检修， 静 其中包括灭弧室真空度的测试，这时，也要求对灭弧室进行不拆卸测试。对于一些在重 要部门使用的真空断路器及全封闭气体绝缘开关柜中的真空灭弧室，则要求能进行真空 度的在线监测。 获得灭弧室内真空度( 即内部真空压力) 的方法仍以间接测量为主，由于测量环境， 测量要求，试品状态和灭弧室结构等因素的影响，真空度测试通常比较困难，尤其要实 现真空开关设备服役检修时的现场不拆卸测试和实现运行中在线检测。目前国内外关于 这方面的研究文献还不多。已提出的些方法，如：工频耐压法、观察法、火花计法、 吸气剂膜法、高频预击穿电流法、分子吸附时间法、德斯拉线圈法、绝缘电阻法、持续 电流开断法、高频电流开断法、电弧电压法、磁控放电法、x 射线法等多数是用于灭弧 室出厂试验时和离线检测时等般情况下的真空度测试，即使能用于在线检测，也是非 常复杂。近年来以磁控放电法原理为核心的一些技术和设各得到应用和推广，已能实现 高精度的离线检测和现场不拆卸测试，这种方法取得了很好的适用性。我们注意到电力 系统用户为了保证供电的连续性和可靠性，开始担心运行中的真空灭弧室内真空度状 况，亦即真空开关设备的开断能力。他们需要一种简单、准确，具有较高分辨力的测试 方法来检测运行中的灭弧室内真空度。因而提出了真空度在线检测的要求。这就意味着 要在不改动断路器主体结构以及运行状态的前提下，及时、准确地检测其真空度的变化。 真空断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 这对于保证奏空牙关安全稳定的运行具有重要意义。磁控放电法测试真空灭弧室内真空 度是目前被公认的精度较高的一种离线检测方法，但该方法需要在火弧室上施加同步的 磁场与高压电场脉冲，故无法将其用于断路器真空度的在线检测。 目前，国内外研究用于真空灭弧室真空度在线检测有几种方法，如电光变换法、耦 合电容法，还有在灭弧室内装微型磁控放电计管的方法，通过外接装置检测自闭力的平 衡弹簧与千分表法，通过分压电容检测屏蔽罩放电电流法，灭弧室内置悬浮电极的放电 间隙法，检测局部放电的超声波法等睁“。但均不很成熟，缺乏好的实用性，不能很好 的满足电力系统用户的需要。因此，以已有的测量方法为参考，进一步开展灭弧室内真 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实用价值。 这些现有的真空度检测方法都各有优缺点，为了能够进一步的完善在线检测技术， 因此，有必要把这些方法做出总结与对比分析。 2 2 真空灭弧室真空度检测方法 2 2 1 真空灭弧室内真空度离线检测方法 ( 1 ) 工频耐压法 对于不拆卸灭弧室的测试真空断路器，用户判断真空管真空度是否劣化的通常方法 是工频耐压法，这种方法只能判断出真空度严重劣化的灭弧室。 由气体放电中的帕申定律知，空气中两电极间的击穿电压与气体压强和电极间距的 乘积有关。当电极间距一定时，击穿电压随气体压强的不同成u 型曲线。在高真空情况 下，帕申定律已不适用。当气体压力介于1 0 3 p a 到1 0 - 1 p a 之间时，击穿电压随气体压力的 降低而减小，当气体压力为1 0 3 p a 或更小时，击穿电压几乎是与气体压强无关的恒值， 当压力高于1 0 1 p a 时，随着真空灭弧室内压力的增大，击穿电压迅速下降，如图2 1 所示。 基于上述原理，：可判断灭弧室内的压力是否满足系统绝缘要求。 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 p ( p a ) 图2 1 灭弧室内真空压力与交流击穿电压的关系 飚2 1r e l a t i o no f v a u mp 豫蜘m 柚da l l e 蚰t 堍 b 托a k d a w nv o l t a g ei n 妯咖p 6 盱 ( 2 ) 脉冲磁控放电法 目前，定量测试真空度较好的方法是脉冲磁控放电法。该方法首先由j r h c c k 等提 三 出，并于1 9 6 2 年申请了美国专利。其后，西门子与日本也研制出了相似的测试仪器。 其测试原理为：将真空灭弧室两触头拉开一定的开距，施加脉冲高压：将真空灭弧室置 于螺线管内或将型电磁线圈置于灭弧室外侧，向线圈通以大电流从而在真空灭弧室内 产生与高压同步的脉冲磁场。这样，在脉冲强磁场和强电场的作用下，真空灭弧室中的 电子作螺旋运动，并与残余气体分子发生碰撞电离，所产生的离子电流与残余气体密 度即真空度近似成比例关系。对于不同的真空灭弧室型号( 管型) ，由于其结构不同，在 同等触头开距，同等真空度，同等电场与磁场的条件下，离子电流的大小也不相同。通 过实验可以标定出各种管型的真空度与离子电流问的对应关系曲线。当测知离子电流后 就可以通过查询该管型的离子电流一真空度曲线获得该管型的真空度。 在常规磁控放电法测试真空灭弧室的真空度时，为了提高其测试灵敏度，需从断路 器上卸下真空灭弧室，并置于螺线管线圈内。这样一来，真空灭弧室在重新装回断路器 真空断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 时需要调整机械参数，工作量很人并需专业人员。使用兀型电磁线圈可以从侧面围住真 空灭弧室，这样就不必拆卸真空灭弧室。但与螺线管相比，兀型电磁线圈测量范围较窄。 目前已有研制出一种新型“半圆组合式”磁场线圈，可以不必从机构上卸下真空灭弧室， 同时又有很好的测量精度和较宽测量范围。半圆组合式磁场线圈的结构如图2 3 所示： 垒蓓扣 蕞垃鞋 主警爵挂右誊翻拄 小壁i l 铰链 戎氍宣 图2 3 新犁“半圆组合式”磁场线圈的结构图 f 嘻2 3s 咖c t u 北f i g i l 陀o fn e w n l i c 沁l ec o m b i dm 印e t i c 地l d i l s 它由两个半圆柱型的线圈组合而成，在每个半圆柱内包含有多匝漆包线，图2 3 中 箭头所指为电流方向。使用磁控放电法测试真空度时，需要在灭弧室触头间施加高电压， 这时，在触头与屏蔽罩之间及两触头之间便建立了强电场。根据场致发射学说，在强电 场作用下，阴极( 包括低压电极及与高压电极相邻的屏蔽罩) 表面上会有电子发射电流。 在没有磁场时，该电子电流沿电场方向直接流向阳极，由于灭弧室内残留气体分子密度 较小，即电子的平均自由行程a 大于极间距d 使电子几乎不与残留气体分子相碰撞。当 在灭弧室上套装新型的“半圆组合式”磁场线圈并通以励磁电流后，触头与屏蔽罩之 间及两触头之间的空间内，有些区域其磁场与电场垂直相交，使场致发射电子做螺旋线 运动，也有些区域的磁场与电场问有一夹角。电子的运动轨迹可分解为两种运动： ( 1 ) 在磁场b 和与b 垂直的电场分量e n 的联合作用下，电子在与b 垂直的平面内做 螺旋线运动： 1 4 沈阳 业大学硕士学位论文 ( 2 ) 在与b 平行的电场分量e l 的作用下，电子沿b 方向做加速，碰撞后减速，再加 速的运动。两种运动的叠加，使场致发射电子沿b 做偏斜的螺旋线运动，这样一来就大 大地加大了电子运动的自由程以及与残留气体分子的碰撞游离概率。 为使灭弧室内残留气体分子在电场、磁场作用下产生足够的电离，并形成稳定的自 持放电，必须使得从阴极发射的每个电子在抵达阳极时，由其产生的众多正离子轰击阴 极，再轰击出一个新的二次电子。用数学公式可表示为 r，、1 巾p 妒硼j - 1 j 。1 q 。 式中，y 为阴极受正离子轰击时的二次电子发射系数，与阴极材料性质及正离子能 量有关，口为汤生第一电离系数。欲使( 2 1 ) 式成立，必须要满足两个条件：第一是从 阴极发射的每个电子在抵达阳极前己与气体分子发生o 苫) 1 次碰撞( g 为考虑每次碰撞时 电离几率小于1 而引入的修正系数) ，即要求电子在抵达阳极前的行程堤够长，也就是 要求磁场线圈产生的轴向磁场必须大于某一数值；第二是电子与气体分子在碰撞时能产 生碰撞电离，并至少产生r 1 个正离子，即要求电子在两次碰撞间积累足够多的动能，也 就是要求触头间的电场强度必须大于某一数值。 根据上述理论分析，在设计时，灭弧室内的轴向磁场和极间电压尽量大一些实验 表明，高真空( 1 0 4 l o 巧p a ) 时，当极间电压大于一定数值( 1 0 k v ) 后，在灭弧室内施加 的轴向磁场越大( o 3 t ) ，点火越容易，且离子电流的大小与极问电压成正比。由于点 火和碰撞电离的随机性电场与磁场的作用时间也不能太短，通常在1 0 m s 以上。在真空灭 弧室内压力较高( 1 0 - 1 l p a ) 时放电电流逐渐趋于饱合，放电电流几乎与压强无关，这是 由于电子自由程变短的原故。气体压力继续增高时，放电会熄灭。因此其量程为1 0 1 7 1 酽p a 。 2 2 2 真空灭弧室内真空度在线检测方法 用脉冲磁控放电法测试真空灭弧室真空度，需要在灭弧室上施加同步的磁场与高压 电场脉冲，故无法将其用于断路器真空度的在线监测。对于像石油化工等重要部门，为 了提高供电的连续性和可靠性，人们提出了开关柜在线监测的要求。对真空断路器而言， 真空断路器真空灭弧室内真空度的在线检测 现在最难达到的就是真空度的在线监测，这意味着要在不改动断路器主体结构以及在带 电的前提下，无论断路器处在关合或分断状态，都可以随时监测其真空度的变化。 在线检测是电力系统预防性试验中的一个重要组成部分，它在很多方面能够弥补定 期停电预试的不足之处。另外，对被试设备的当前试验数据( 包括停电及在线检测) ， 结合过去的数据及经验用先进的方法及时而全面的进行综合分析判断，为捕捉早期缺 陷，确保安全运行带来好处。在线检测的推广有利于从定期维修制( 计划维修制) 过渡 到更合理的状态维修制( 预知维修制) 。我国目f i i 执行的大多是定期维修制，一股都要 求到期必修，没有充分考虑设备实际状态如何，以致超量维修的不少，造成了人力及物 力的大量浪费。状态维修的基础就在于在线检测及诊断技术，既要通过各种检测手段来 正确诊断被试设备的目前状况，又要根据其本身特点及变化趋势等来确定能否继续运行 或检修周期。 我国对在线检测的重要性早有认识，六十年代时就提出过不少带电试验的方法。在 运行中进行在线检测会比停电后再加一定的试验电压更加真实和及时，然而要实现起来 困难不少。近年来，随着传感器、计算机、光纤和新的测量技术的迅速发展与应用，在 线检测技术也有了较大发展和改进。 目前，真空开关真空度在线监测方法主要有电光变换法、耦合电容法、三相桥法和 电弧电近法，还有在真空灭弧室内装微型磁控计的方法，检测自闭力的平衡弹簧与千分 表法，通过分压电容检测屏蔽罩放电电流法，真空灭弧室内置悬浮电极的放电间隙法， 检测局部放电的超声波法等。 在线检测是由各种传感器所采集的信号，经过必要的转换或处理后，统一送进数据 处理系统进行分析。为采集及处理不同的信号就需要相应的硬件或软件支撑。综合分析 判断后输出结果，其结果可以屏幕显示或打印，也可存盘待用：有的如发现有异常，根 据不同的设计可发警报或进行相应的操作；也可以与上一级检测中心相连，即形成多级 监控系统s o k d a ( s