真空灭弧室真空度检测技术的现状和方法

真空灭弧室真空度检测技术的现状和方法杨清华　陈仕修　沈远茂(武汉大学电气工程学院　430072)

摘　要　概述了真空灭弧室真空度检测技术的研究现状,着重介绍了在工程中实用的真空灭弧室真空度检测方法,并对真空灭弧室真空度检测技术的发展前景作了探讨。 关键词　真空灭弧室　真空度　检测

1　引言真空断路器是在低压及中压领域极有前途的电力开断器件,它是以真空为绝缘和熄弧介质的开关电器。真空中气体分子极为稀少,电子与分子相碰撞的机会极少,故真空断路器的绝缘强度很高。真空断路器与其他类型断路器相比,具有安全可靠、寿命长、维修工作量小、环境不受污染等优点。真空灭弧室是真空断路器的核心部分。为了实现电流的分断和灭弧,真空灭弧室内的压强一般不高于10-2Pa。因此,真空度是决定真空灭弧室的开断性能的主要因素之一,真空度的降低将直接影响真空断路器的开断能力,严重时将导致其开断完全失效。因此,在实际应用领域迫切需要测量和记录运行中真空灭弧室的真空度。实际应用中,真空灭弧室真空度的测试方法主要有:工频耐压法、高频放电法、观察法、火花计法,吸气剂颜色变化的判定法、高频电流法、耦合电容法、磁控放电法、电光变换法及射线法等。其中电光变换法和耦合电容法可实现真空度的在线检测。2　常见的真空灭弧室真空度测试方法211　工频耐压法对于不拆卸灭弧室的测试,真空断路器的真空灭弧室真空度检查现场一般采用工频耐压法,就是将真空断路器两触头拉至额定开距,逐渐增大触头间的工频电压至规定值,若能耐受电压1min,即可认为真空度合格,否则即为不合格。实践表明,采用工频耐压法检测严重劣质的真空灭弧室的真空度是一种简便有效的方法,但对处于临界状态的灭弧室则无能为力。对于两个或两个以上串联使用的真空灭弧室,工频耐压法不适用于同时检查串联灭弧室的真空度[1]。此外,用于耐压实验的工频试验变压器体积大、笨重、操作不便,而且价格较贵,不是每个输变电单位都能配备的。212　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,内部颜色就会变得灰暗,在开断电流时将发现暗红色弧光[2]。该法适用于对玻璃外壳真空灭弧室作定性检查。213　火花计法这种方法是采用火花探漏仪检测,检测时将火花探漏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定真空灭弧室的真空度。若管内有淡青色辉光,说明其真空度在1133×10

-3

Pa以上;若管内呈蓝红色,

说明管子已经失效;若管内已处于大气状态,则不会发光[2]。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,且容易受人为因素影响。214　吸气剂颜色变化的判定法在真空灭弧室制造时将玻璃管内壁蒸散一层吸气剂。该吸气剂一方面可以吸附管内残余气体维持高真空,另一方面吸气剂本身可以指示真空度。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。此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。215　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—61—

《电工技术杂志》2003年第5期・测控技术・© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.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外加一直流偏压,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。但是,当压强为10-2Pa或更小时,要建立高频放电很困难,甚至不可能[3]。216　高频电流法把工频高压加在开关两端,预击穿电流会叠加上很多高频分量,把这些高频分量作傅立叶分析,各频率对应的幅值中的最大值是灭弧室内压强的函数。基于这一原理,可测得灭弧室的真空度。但是这一最大值不是压力的单调函数,有时可能会对应两个压强值[3]。217　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。下图为其测试原理及其等值电路,其中C1为带电触头和屏蔽罩之间的电容,C2为探测电极与屏蔽罩之间的电容,C3为耦合电容。设所测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩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升至某一值时,等值电容C1被击穿放电,这相当于图中的间隙G击穿。此后由探测电极电容C2和耦合电容C3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。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,布置于绝缘壳体或支架与接地机壳之间[4]。此种方法可以实现真空度的在线检测,但其灵敏度还有待于验证。图　耦合电容法监测真空度的原理图及等效电路真空灭弧室真空度检测技术的现状和方法218　电光变换法当灭弧室内的真空度正常时,仅需几百伏的电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩之间由场致发射引起的电子电流。屏蔽罩积累的负电荷使其负电位几乎达到电极电压峰值。当灭弧室内真空度劣化时,灭弧室内的气体密度变大,场致发射的电子被气体分子吸附后成为负离子。由于负离子质量大,漂移速度慢,使得上述电子电流减小,屏蔽罩绝对值电位降低。当灭弧室内真空度劣化为大气压时,

场致发射电子全部被气体分子吸附为负离子。由于离子在电场下漂移形成的阻性电流很小,与容性电流相比可以忽略不计,故大气条件下,屏蔽罩电位由导电杆与屏蔽罩之间的分布电容和屏蔽罩与机壳之间的分布电容的分压决定。因此,通过屏蔽罩电位的变化过程可推知灭弧室内真空度的劣化过程。一般真空灭弧室的屏蔽罩,金属部分完全密封在灭弧室中,其电位的变化无法直接测试。但屏蔽罩电位的变化会引起屏蔽罩附近电场的变化,故通过放置于屏蔽罩附近的Pockels(泡克尔斯)电场探头可以测知屏蔽罩电位的变化。电光变化法可以实现真空度的在线监测,但是其只对气体压强10

-1

Pa

及以下范围内的测试敏感[5]。采用电光法可实现真空度的在线测试,但是Pockels(泡克尔斯)电场探头温度特性较差,容易受温度波动的影响,长期运行的可靠性有待进一步研究。此外,电光变换法应用到现场时还应考虑电磁兼容问题。219　射线法X射线是一种能量很大的电磁波,其波长值为10-12～10-8m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,

工业用X射线光子的能量约为1124×102～1124×106eV,这个能量远远大于气体的电离能。因此,当气体分子受X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X

射线强度等相关。利用X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X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[6]。2110　磁控放电法对于在制造过程中的真空灭弧室,其真空压力通常是用电离真空计来测定。当灭弧室制造完成后,其上带有的真空电离计规管便被摘下,此后灭弧室内的真空度常用含圆柱形励磁线圈的磁控放电法来测定。磁控放电法是测量成品灭弧室真空度的比较好的方法之一,也是目前唯一的重复性较好的—71—

真空灭弧室真空度检测技术的现状和方法《电工技术杂志》2003年第5期© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.定量测量方法。由于放电过程中灭弧室内的吸气效应影响测量的准确性,因此在真空灭弧室上施加的是宽度为几十毫秒至上百毫秒的脉冲电压。其基本原理是将真空灭弧室的触头拉开一定距离,在触头间施加一脉冲电压,以便在其间产生一强电场,同时在灭弧室触头间又施加一轴向强磁场。此时灭弧室内的电子在强电场和磁场的共同作用下做螺旋运动,并与灭弧室内残余气体分子发生碰撞电离,电离出来的离子在电场内形成离子电流[7]。理论和实验证明,此离子电流与残余气体密度近似成正比。因此,通过测定离子电流,便可知道灭弧室内的真空度。对一定型号的灭弧室,先通过实验校定其压强—离子电流曲线,以便实际测量时可根据电流查得真空度[8]。当真空灭弧室装入真空开关和开关柜以后,经长时间的存放和运行,再测定真空开关的真空度,便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,测试后又要将灭弧室装回原位,经调试合格最后才能装入开关柜投入运行[7]。因此,这种常用的真空度测试方法不但使用非常麻烦,而且耗费人力、财力和时间,必须寻求新的使用简便、耗费很小、又有足够精度的真空度现场测试方法。文献[9]中提出了新的脉冲磁控放电法,实现了真空开关灭弧室真空度不拆卸测试的预期目标。新的脉冲磁控放电法测试灭弧室内的真空度不用圆柱形励磁线圈,而改为带铁心的开口形励磁线圈,它可以直接放在真空开关灭弧室的侧面,而不必将灭弧室从真空开关上拆下。为了提高真空度测试的灵敏度,将励磁线圈通过强脉冲励磁电流以产生强磁场,它与触头间施加的脉冲高电压同步,共同作用而产生离子电流。通过离子电流与真空度关系的标定,即可获得所测灭弧室内的真空度。3　未来的发展对真空断路器而言,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的主体结构并且带电的前提下,随时监测真空度的变化。这就要求测试元件能承受高电压、强电场、断路器操作的冲击与振动、工作的环境温度以及断路器操作过程中产生的强电磁场干扰等,此外还要求测试元件的接入不能影响断路器的各项性能指标[4]。前面提到的若干种真空度测试方法中,目前被真空灭弧室生产厂家采用的较为普遍的方法是脉冲磁控放电法,但是它不能实现在线测试。工频耐压法只能用于定性测量,确定真空灭弧室是否可以正常开断关合电流。电光变换法在实验室效果良好,但在现场受温度的影响,不能准确的定量测量真空度。随着新型光纤传感器的不断采用,同时利用光纤信号便于远距离、无干扰传输的优点,光电测量法将在真空度的在线检测领域中具有非常好的应用前景。

参考文献1　王季梅1真空开关理论及其应用1西安∶西安交通大学出版社,1986

2　梅开锋1真空灭弧室的真空度检验方法1农村电气化,2001(11)3　廖从容,邹积岩1脉冲磁控真空计不拆卸测量方法研究1高压电器,1997(1

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4　邹积岩等1真空灭弧室的真空度测试与在线监测1高压电器,1993(5