灭弧室真空度探讨_电力/水利_工程科技_专业资料。检测原理说明： 当灭弧室真空度正常时，仅需几百伏的电压就可以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，屏蔽罩积累的电荷使得屏蔽罩上点位极高， 最高可接近电源电压的峰值， 且比较稳定：真空
检测原理说明： 当灭弧室真空度正常时，仅需几百伏的电压就可以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，屏蔽罩积累的电荷使得屏蔽罩上点位极高， 最高可接近电源电压的峰值， 且比较稳定：真空断路器的金属导杆和触头与屏蔽 罩之间相当于一个电容器， 真空断路器的屏蔽罩对地也相当于一个电容器。当真 空度降低时，灭弧室内的气体密度变大，内部气体压力的升高将导致气体分子、 金属粒子、各种粒子增多，从而引起绝缘特性下降，预击穿电压降低，发生预击 穿的几率增多，产生预放电，导致屏蔽罩电位下降，并使真空断路器周边电场强 度发生变化。 在内部气体压力开始变化时这种变化不是很明显，但到一定值时电 场变化变得十分明显，然后又趋于缓和，其变化曲线类似于低通滤波器。因此利 用这一曲线，通过外加特定的微博型号穿透 VCB，收集反馈信号的变化，可以 较好的判断内部气体压力的变化趋势。 当内部气体压力进一步升高时， 金属导杆和触头主要通过导电气体对屏蔽罩 充放电， 由于屏蔽罩对地的电容很小，少量的电荷堆积即可大幅度减小触头附近 的电场强度。因此难以形成稳定的导电性通道。而可能在触头的边缘形成电晕， 此刻通过外加特定的微波穿透信号，该电晕使得屏蔽罩上的反馈信号周期性出 现，检测这个特定的反馈信号存在，就可以反应内部气体压力的变化。 由安装在真空断路器现场的天线传感器检测到屏蔽罩周围的反馈信号电场 的变化， 通过信号传送通道和相应的滤波，放大以及转换器件将相关数据送达中 央程序处理器（CPU）进行判断处理。由于真空断路器中的反馈信号和周边的电 场与真空断路器现场的干扰噪声信号处于同一数量级的电场环境之中， 因此必须 从硬件和软件上采取抗干扰措施，保证系统有很强的抗干扰性能，使系统获得有 效可靠的故障真实信号。为此，天线传感器发射、采集元件必须尽可能安放在屏 蔽罩的附近，在硬件额各个环节上必须采用屏蔽、隔离、滤波、放大，选择合适 的频带等措施避开干扰噪声的频谱。 24 小时在线监测功能 国内 VCB 在线监测技术多停留在该联研究阶段，市场少见成熟产品很出现。 本产品通过和德国科学家紧密合作，采用全球最新科技非接触式微波传感技术， 使用电极式天线传感器发出检测信号， 并捕捉真空断路器正常运行状态下真空度 异常时的特殊反馈信号， 必须停电维护， 真正意义上实现了 VCB 在线监测功能。 技术先进，性能稳定 本产品从硬件上采用精密电阻，NPO 级电容及高宽带、高速的运算放大器来 构成隔离、带通滤波、放大回路，有效滤除各种杂波；采用及小功率的微波发射 芯片，实现高可靠的微博信号发射；采用 24 位 AD 实现高分辨率采样；采用高 速大规模浮点 DSP 芯片保证运算的快速性和稳定性。软件采用 VC++语言编程， 借助高速神经元网络技术和小波变换技术， 从大量纷繁复杂的数据中精确提取有 效数据。通过硬件和软件的有效配合，成功的避开了磁场、电场、电弧等各种干 扰信号。 简单可靠，维护方便 不需维护，具有运行中自检和随机的手动自检功能。 装置自身集成了多种抗快速瞬变、抗雷击等抗干扰器件，自身可靠性极高， 寿命长达十年以上。 价格低廉，性价比高 装置采用了世界最新高集成度芯片， 有效降低了造价， 设备得以大范围普及。 由定期检修变为状态检修，将大小减少 VCB 停电检修的时间和次数，带来直接 的经济效益。 目前市场上普遍采用的真空断路器停电离线检测设备相比，成本低 廉，成为真空断路器放入保护神。 体积小巧，安装方便 本产品尺寸为长 150mm 宽 110mm 高 60mm，重量仅为 0.6 公斤，体积小 巧，便于安装于开关柜中。装置不受电压等级及安装环境的影响。 微波天线传感器和 VCB 采用非接触式安装，无需改变运行 VCB 已有状况， 既适用于运行中 VCB 加装在线监测功能，也适用和真空断路器或开关柜生产厂 家配合，自带在线监测功能一体出售。 背景技术 在中压领域，特别是 12KV 和 40.5KV 电压等级，真空开关在电力、冶金、 化工、矿山等部门输、配电系统中已得到广泛的应用。目前，高压真空断路器中 的固封极柱包括真空灭弧室和环氧树脂绝缘体， 真空灭弧室嵌装于滑囊数值绝缘 体内。 高压真空断路器工作时真空灭弧室内的真空度必须大于某一真空度，只有 真空灭弧室内的真空度大于某一真空度时才能保证高压断路器正常工作， 否则真 空灭弧室不能有效灭弧， 严重情况下真空断路器将发生爆炸，造成设备损坏事故 以及输电线路停电，导致严重的经济损失，因此，真空灭弧室内的真空度是高压 真空断路器主要的参数指标。 灭弧室内真空度的劣化，不仅降低了真空开关开断 电弧的能力和在运行过程中耐受内、外过电压的能力，而且极难有效地断开故障 电流。因此，迫切需要对运行中真空开关中真空灭弧室的真空度进行监测。 目前， 对真空开关中真空灭弧室真空度的测量方法可分为离线监测和在线监 测两大类。 离线监测的方法很多，其中的磁控放电法是一种重复性较好的定量测 量方法，并得到了广泛的应用。离线监测必须是在断电情况下进行检测，不能实 时监测真空度， 无法真正意义上排除因真空度降低而造成真空开关丧失开断能力 的隐患。因此，需要采用在线监测，真空开关真空度在线监测即是要在不改动开 关主体结构及运行状态的前提下，随时监测其真空度的变化。目前，用于真空度 在线监测的方法主要有电光变换法和耦合电容法，这类方法存在真空测量范围 窄、 无法实现对真空压力变化过程监测、目测量灵敏度有待于进一步地验证的问 题。 本实用新型的目的在于： 提供一种带真空度在线监测的固封极柱，解决享有 真空开关无法实现预警， 采用离线监测不能够实时监测真空度的技术问题，从而 能有效地解决上述现有技术中存在的问题。 背景技术 现在国内有 10kv~35kv 真空开关柜上百万台， 在运行中不时有真空灭弧室损 坏爆炸的坏死骨发生，因此急需一种可靠、精确、实用的真空灭弧室的真空度在 线监测装置。 目前，国内外对于真空灭弧室的真空度的在线监测方法主要有屏蔽罩电位 法、微型冷阴极磁控技法、自闭力法、放电声发射检测法和局部放电法等。利用 屏蔽罩电位的变化在线监测真空灭弧室内的真空度首先由日本提出， 一般采用非 接触的方法通过检测屏蔽罩附近的电场来实现。 由于真空开关灭弧室内的真空度 正常或劣化时，其屏蔽罩电位变化微弱，致使该方法无法在生产中推广使用。 公开日为 1998 年 12 月 2 日，公开号为 CN2299315，名称为“真空开关在 线真空度劣化报警装置” 的中国专利文献公开了一种真空开关在线真空度劣化报 警装置， 其是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，以驱动报警电路。该格标准为 10 Pa 以上，故该装置的缺点是测量精度 低。 公开日为 2010 年 9 月 1 日，公开号为 CN201569538，名称为“一种反磁控 冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置” 的中国专利文献公开了一种反磁 控冷阴极脉冲放电真空开关真空度在线监测装置， 其实现方案是在真空灭弧室静 导电杆上加装一个微型的基于冷阴极磁控放电真空度传感器。 其中真空度传感器 的放电部分是一个工作于脉冲放电测量模式二实用二极型反磁控放电规管， 规管 放电所需要的高压脉冲电源由高能电池锂亚硫酰氯电池经过 DC/DC 升压电路变 换得到， 放电的发生及真空度的测量由一个单片微处理器控制，测量结果通过光 线传送至外部接受装置。 该装置的优点是利用了高真空区域中比较成熟的一种冷 阴极放电法测量真空度的技术， 可适用于各电压等级的真空灭弧室。但是该装置 需要对真空灭弧室进行改造。 公开日为 2010 年 6 月 9 日，公开号为 CN201503328，名称为“真空灭弧室 真空度测量及寿命管理专家系统” 的中国专利文献介绍了一套真空灭弧室真空测 量及寿命管理专家系统， 该系统使用磁控放电法与屏蔽罩电位法测量电网中的灭 弧室真空度，磁控放电法测量线 Pa 以上的灭弧室，屏蔽罩电位法测量线 Pa 及以下的灭弧室，测量数据经过专家系统互补性分析后给出灭弧室寿 命。但是该系统需要停电测量，不能进行在线监测。 上述这些装置或方法，有的监测精度低，有的需要改造灭弧室和真空开关， 故虽然有各种的方法或装置，但尚没有一种符合可靠、精确、和实用要求的装置 和方法。 本实用新型的目的是提供一种在线监测智能开关柜真空开关灭弧室真空度 的装置，其可靠、精确、连续地在线监测灭弧室的真空度，且不需要对真空开关 灭弧室进行改造，因此具有非常广泛的适用性。 本实用新型提供了一种在线监测智能开关柜真空开关灭弧室真空度的装置， 其设置于真空开关的三相灭弧室外侧，所述各相灭弧室内均设有一屏蔽罩，所述 在线监测真空开关灭弧室真空度的装置包括：一测控单元，其与所述三个励磁线 圈装置分别连接：一通信单元，其与所述测控单元相连，接受测控单元的控制依 次与所述各励磁电流输出端连接， 以轮流采集个励磁线圈装置输出的离子电流信 号。 真空灭弧室的压强直接影响真空开关的性能，当压强高于一定值后，真空灭 弧室将失去其性能。 自真空开关问世以来，灭弧室内真空度的监视和测量一直是人们关注的问 题，并提出过多种检测方法，到目前为止，灭弧室内真空度的监视和测量的主要 方法有工频耐压法、高频放电法、高频电流法、吸气剂膜法、磁控放电法等。工 频耐压法、 高频放电法、 吸气剂膜法都只能定性的判断灭弧室内的真空度的上限； 磁控放电法虽然可定量测量、精度较高，但只能对真空灭弧室进行压强测量，测 量时，必须从开关设备上将真空灭弧室拆卸下来，才能测量它的压强，这很不方 便。 真空灭弧室是真空开关柜的核心部件，其以高真空作为绝缘和灭弧介质，对 短路电流与负荷电流起着断开和闭合的作用。 真空灭弧室真空程度由内部残余气 体的压强来表示，压强越低表示灭弧室内真空度越高，当压强高于一定值后，真 空开关将失去绝缘和断开能力。 随着对真空开关运行可靠性要求的不断提高，监 测真空灭弧室内真空度的状况、 保证灭弧室的电气性能已成为电力系统急需解决 的问题。 真空灭弧室的真空监测方法可以分为离线监测和在线监测两大类。离线 监测需要停电进行， 为了保证供电的连续性和可靠性，不便对电网长期处于运行 或热备用状态的关键开关进行停电检测，因此，研制出一种稳定可靠的真空灭弧 室真空度在线监测系统， 既是当前急需解决的重要问题，也是智能化高压电器的 发展方向。为此，国内外专家和学者做了大量的研究，试图找到一种可以不改动 真空断路器主体结构， 并能及时准确地监测运行中的真空开关设备的真空度状况 的有效方法。 目前已经提出的在线监测方法有： 电光变换法、 耦合电容法、 超声波检测法、 脉冲电流检测法、三相桥法、通过分压电容检测屏蔽罩放电电流法、检测自闭力 的平衡弹簧与千分表法等。 笔者采用屏蔽罩电位法，成功研制了一套新的适用于 35KV 真空断路器的真空灭弧室真空度在线监测系统。屏蔽罩电位法使用光纤与 电光晶体探头测试屏蔽罩电场， 但此类探头成本高，无法在生产中大规模推广使 用。为此，该系统采用旋转式电场探头，成本低廉，运行可靠，能够及时获得灭 弧室真空度劣化的信息，减少事故发生，具有较高的推广应用价值。 真空断路器是在低压及中压领域及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。为了实现电流的分段和灭弧，真空灭 弧室内的压强一般不高于 10 Pa.因此，真空度是决定真空灭弧室的开端性能的主 要原因之一， 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量方法主要有：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 真空度的在线监测。 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。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。 观察法 由于真空灭弧室内部真空度降低时常常便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， 在开断电流时将发生暗红色弧光。该法适用于对玻璃外壳真 空灭弧室作定性检查。 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。 根据发光的颜色来剪定真空灭弧室 的真空度。若管内有淡青色辉光，说明其线 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。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。 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定真空度的好坏。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。 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 Pa 或更小时，要建立高频放电很困难，甚至不可能。 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 分量作福利也分析， 名额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，有可 能会对应两个压强值。 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。下图为其测试原理图及其等 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， 3 为耦合电容。 C 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发布，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保护层，布置于绝缘壳体或支 架与接地机壳之间。 此种方法可以证实真空度的在线监测，但其灵敏度还有待于 验证。 电光变换法 当灭弧室内的真空度正常时，仅需要几百伏的电压就可维持带电触头与中间 屏蔽罩之间有场致发射仪器的电子电流， 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吸附成为负离子。 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，屏蔽罩电位由导线干预 屏蔽罩之间的分布电容和屏蔽罩的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 Pa 及以下范围内的测试敏感。采用电广发可实 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。 射线法 X 射线是一种能量很大的电磁波，其波长值为 10 ~10 m 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 eV，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所用，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。 磁控放电法 对于在制造过程中的真空灭弧室，其真空压力通常使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及规管便被摘下，伺候灭弧室内的真 空度常用含圆柱型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 上施加的是宽度为及时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 共同作用下作螺旋运动， 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。 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。 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。因此，这种常用的真空调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调试方法。 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型励磁线圈，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。 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。 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极 为普遍的方法是脉冲磁控放电， 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，光电测量法在真空度的在线监测领域中具有非常好的应用前景。
