真空滅弧室真空度測量和校驗方法的探討

王會友 何維娜 李文藝 王曉琴 孫淑萍

摘要：本文從真空滅弧室真空度測量的意義入手，介紹了真空度離線和在線測量的技術(shù)現(xiàn)狀和成果，并側(cè)重分析了脈沖磁控放電法存在的問題和基于該原理制造的真空度測試儀的校驗方法，最后探討了真空度測量技術(shù)的發(fā)展方向。

關鍵詞：真空滅弧室;真空度測量;校驗;脈沖磁控放電法

引言

真空滅弧室是利用真空優(yōu)異的滅弧和絕緣性能來實現(xiàn)通斷主回路的目的。由于長期的擴散，焊縫中微小的缺陷及外部環(huán)境對焊縫的侵蝕，波紋管疲勞引起的泄漏或者滅弧室內(nèi)吸氣材料活性喪失等原因，會使真空滅弧室內(nèi)的壓強升高，從而影響其絕緣性能和開斷能力，嚴重時將導致其開斷完全失效。據(jù)統(tǒng)計，真空開關的關合和開斷故障中90%以上是由真空滅弧室的真空度劣化引起的[1]。

1.真空滅弧室真空度離線測量技術(shù)

真空度離線測量技術(shù)有脈沖磁控放電、工頻耐壓法、觀察法、高頻電流法等[2]，其中脈沖磁控放電法是目前唯一可較好定量測量真空度的方法，具有較好的重復性和較高的測量精度。

1.1?脈沖磁控放電法

脈沖磁控放電法的研究最早可追溯至1962年，J.R?Lucek等人首先提出了利用磁控放電法進行真空度的檢測，并且申請了美國專利[3];隨后，德國西門子的W?Kuhl?等人對該方法進行了改進，并發(fā)明了專門用于真空滅弧室內(nèi)部壓力檢測的裝置[4];日本的服部惠積、M?Okawa等人也研制出了類似的用于真空滅弧室真空度檢測的儀器[5]。國內(nèi)的上海思源電氣，上海交通大學，西安博能電力公司等研制出了基于磁控放電原理的真空度測試儀。

但是，目前基于脈沖磁控法的真空度測試儀存在以下兩個方面的問題：

1）磁場不穩(wěn)定，線圈發(fā)熱問題嚴重，不能長時間連續(xù)運行，這對真空滅弧室生產(chǎn)廠家來說是不可接受的。

2）該方法直接獲取的數(shù)值是離子電流值，而不是實際的壓強值。

因此，要獲得高精度的真空度測量結(jié)果，必須針對特定的滅弧室結(jié)構(gòu)，采用高精度標定平臺和標定方法，得到電離電流值與壓強值之間的實際關系曲線。

1.2脈沖磁控放電法真空度測試儀的校驗方法

通過管路和法蘭將真空泵、機械泵、真空池、真空滅弧室連接成一個等壓強的密閉系統(tǒng)，由真空泵和機械泵使該系統(tǒng)達到額定的真空狀態(tài);調(diào)節(jié)放氣針閥來改變系統(tǒng)的真空度，通過焊接在滅弧室上的離子規(guī)管獲得壓強值的變化，由磁控放電原理的真空度測試儀來獲得滅弧室的電離電流值;將兩者對應起來即可獲得離子電流與壓強的關系曲線，

但是，對于真空度-離子電流關系曲線的建立，由于磁控放電不僅會將滅弧室內(nèi)部氣體分子電離，同時在電場的作用下，觸頭表面吸附的氣體及表面附著的微粒也會釋放;另外，測量時的環(huán)境濕度及所測滅弧室的表面狀況;這些都會影響離子流的準確測量。所以要想獲得正確的真空度-離子電流關系曲線，就要排除這些干擾帶來的誤差。

2.真空滅弧室真空度在線測量技術(shù)

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對供電可靠性的要求日益提高，電力用戶對真空度在線檢測的需求也變的更加迫切。實現(xiàn)真空度的在線測量一方面可以實現(xiàn)電網(wǎng)運行的智能化，另一方面可以實時監(jiān)測開關的狀態(tài)避免事故的發(fā)生。

目前，真空滅弧室真空度在線檢測的方法有電光變化法、耦合電容法和電聲發(fā)射法等新技術(shù)[6]。對真空開關而言，真空度在線檢測意味著要在不改動開關的主體結(jié)構(gòu)并且?guī)щ姷那疤嵯?，檢測真空度的變化。這就要求測試元件能承受高電壓、強電場、操作時的沖擊與振動、工作的環(huán)境溫度以及操作過程中產(chǎn)生的強電磁場干擾等，此外還要求測試元件的接入不能影響真空開關的各項性能指標。根據(jù)目前的研究結(jié)果，電光變換法在實驗室效果良好，但在現(xiàn)場受溫度的影響，穩(wěn)定性較差，不能準確的定量測量真空度。耦合電容法的靈敏度較差，還不具備實用的條件。

綜合以上分析，目前的真空度在線測量技術(shù)都還存在各種各樣的問題，不具備應用的條件，需要對所面臨的基礎原理進行更深入的研究，以獲取更加可靠的理論模型。

3.結(jié)語

隨著電網(wǎng)發(fā)展的要求，智能化、長壽命、高可靠性正成為各類開關的發(fā)展趨勢，對于真空開關來說獲得高精度的真空度是保證高可靠性的前提，實現(xiàn)真空度的在線檢測是提升電網(wǎng)運行可靠性的重要手段之一。真空測量技術(shù)正在朝著高精度、在線檢測的方向發(fā)展。

綜合以上分析，若要實現(xiàn)真空滅弧室真空度在出廠前的高精度測量和使用過程中的在線化測量需要從以下方面進行研究：

3.1實現(xiàn)真空度離線測量的高精度，一方面是優(yōu)化磁控線圈或永磁鐵的結(jié)構(gòu)設計，使磁場分布更加合理，盡可能保證磁場方向與電子運動方向是垂直相交的;另一方面是研究提高校準系統(tǒng)的極限真空度、降低真空度波動范圍的方法，實現(xiàn)對電離電流值與壓強的高精度標定。

3.2真空度在線檢測技術(shù)研究方面，要分析比較現(xiàn)有在線檢測技術(shù)的特點及優(yōu)劣;研究并重新設計放電規(guī)管，并設計與其相配合的高壓產(chǎn)生及放電控制電路，實現(xiàn)放電電流的在線測量和真空度的計算。

參考文獻：

[1]毛慧勇.真空開關真空度在線監(jiān)測研究[D].北京交通大學，2007.

[2]楊清華，陳仕修，沈遠茂，真空滅弧室真空度檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和方法[J].電工技術(shù)雜志，2003（5）：16-18

[3]John?R.Lucek?et?al.?Apparatus?and?method?for?measuring?the?pressure?inside?a?vacuum?circuit?interrupter.?US-Patent，No.3263162?dated?20.4.1962

[4]Wilfried?Kuhl，?Klemens?Wiehl.?Device?for?Measuring?the?internal?pressure?of?vacuum?interrupters.?Siemens?ReviewXLV?（1978）?No.2：78～89

[5]M.Okawa，?T.Tsutsumi，?T.Aiyoshi.?Reliability?and?field?experience?of?vacuum?interrupters.?IEEE?Trans.?on?PWRD-2，?No.3，?July?1987：?799～804

[6]高中強，真空斷路器真空度在線檢測的研究[D].華北電力大學，2013.