高压真空 断路器 真空 度测 量方 法 的探讨 杨韧 ，王季梅 ，卢江平2，詹世强2，李久红2，赵晨3，乐琨3 ( 1．西安 交通 大学 ，陕西 西安 710049；2 ．西 北 电力试验研 究 院， 陕 西 西安 710054 ；3．西安 高压供 电局 ，陕西 西安 710032) [ 摘 要 ] 通过 对高压真 空断路 器真 空度 测量方 法的计 算、研 究和试验 ，提 出 了以真空灭孤 室触 头上初 始所吸 附的分子为 电 离源 ，同时结合冷 阴极磁控 放 电的新的真 空度测量 方法。 [ 关键词 ] 高压真 空断路 器 ；真空度 ；范德 瓦耳斯 引力；测量 中图分类 号 ：T M561．2 文献标 识码 ：A 文章 编号 ：1008 —4835( 2003) 05 —0001 —04 0...
高压真空 断路器 真空 度测 量方 法 的探讨 杨韧 ，王季梅 ，卢江平2，詹世强2，李久红2，赵晨3，乐琨3 ( 1．西安 交通 大学 ，陕西 西安 710049；2 ．西 北 电力试验研 究 院， 陕 西 西安 710054 ；3．西安 高压供 电局 ，陕西 西安 710032) [ 摘 要 ] 通过 对高压真 空断路 器真 空度 测量方 法的计 算、研 究和试验 ，提 出 了以真空灭孤 室触 头上初 始所吸 附的分子为 电 离源 ，同时结合冷 阴极磁控 放 电的新的真 空度测量 方法。 [ 关键词 ] 高压真 空断路 器 ；真空度 ；范德 瓦耳斯 引力；测量 中图分类 号 ：T M561．2 文献标 识码 ：A 文章 编号 ：1008 4835( 2003) 05 0001 04 0 引言 高压真空断路器在电力系统 中大量应用，若真空 断路器所用的真空灭弧室漏气会使开关在开断事故电 流时发生真空灭弧室爆炸，最终导致越级跳闸的事故。 目前 ，电力系统保证真空灭弧室真空度的方法为 工频耐压法。文献[3]指出，当线 Pa 时 ，击穿 电压 和重击穿 电 压也没有显著地下降。显然工频耐压法的测量精度很 低 ，只能测出严重漏气的真空灭弧室 ，而对处于临界状 态的真空灭弧室将无能 为力 。 真空灭弧室生产厂家所使用的测试方法 ，只能在 断路器未装配真空灭弧室 的情况下进行( 已安装的须 将真空灭弧室从断路器上拆下) 。此种方法将大大的 增加工作量 ，不宜在现场推广。通过大量 的试验和研 究 ，本文提 出了一 种新 的线 磁控式放 电法测量线 磁控式放 电的原 理及 基本 电路 磁控式放电原理见图 1。合上开关 K ，根据巴申 及 Good 定理 ，电极 的极 板上 将 引 起空 气分 子 的 电离 。 电离出的电子，由阴极 向阳极运动，电子在电场和磁场 的综合作用下，将进行螺旋状的 L arn~or 运动。电离电 子碰撞其它空气分子并使之电离 的概率会 大大增加。 又因为阳极为框形 ，故电子不一定第一次就碰上阳极 ， 而是穿过阳极 ，受到阴极的拒斥又返回，如此使得在气 压较低的情况下( 10 Pa 以下 ) ，仍能维持放电( 称潘 宁放 电) 。 l I 圈 1 磁控式放电的原理圈 此放 电电流与气压 的关 系如下 ： l = l 十 l s = K 式中：j 为放电电流 ；j 为离子流；j 。为阴极二次电流 (正离子碰撞 阴极所产生的电流) ；K 为电离计灵敏度 常数 ；以为常数 ，一般在 1 ～ 2 之间。 1．2 磁控 放电所测量 的上 、下限 在压强较高(i o- 。～1 Pa) 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。气体压强继续增高时 ，放 电会熄灭。因此其 量程 [3】为 1O_ 。～ 7 × 10一 Pa。 1．3 现场真 空度测试 所用磁控 放电法 该原理与潘宁放 电的原理基本相同，所不同的是 不能象潘宁放 电时电离 电子一样作往复运动。因此同 等条件下 ，电子所运动的路程应小于潘宁放 电时的情 丽 而 CHIN A N O ．5 200 3 o N 玎卜^M；sT 日日 IC只 只 。 V 维普资讯 况 ，故用 此种方 法所 能测 量 的上 限应 小 于潘 宁放 电的 测试上 限。现场所用磁控放 电法原理 见 图 2。 磁 场 电源 图 2 现场 所 用磁 控 放 电法 原理 图 2 现场所用测量方式的相关计算及推导 2．1 有关磁控放电的计算 2．1．1 关 于放 电着火条件 的计 算 设加高 压后 ，电离 电子 的平 均初 始速 度径 向分 量 为 t，r，则电子在作 ~ ． rlnor 运动的半径 R L 和周期 T L 为 ： R E = m e． or ／eB z T L = 2 7c e B z 式中 ：m。为电子质量 ， 为电子电量 ，B。为轴向磁场强 度。 由于电场所在方 向为垂直 ( 轴 ) 向 ，而 电离 的 电子 在运动时又无其它能量来源(先假设磁场是均匀 的，方 向为轴 向 ，磁 场只是让 电子 的运行轨 迹发生变化 ，不 提 供电子有效能量) ，因此可认为每次有效碰撞 ，电子所 用 的能量均 为轴 向动能 。 设气体分子的电离能为 E 1，若电子与空气分子间 两次碰撞 ，由电场所得动能大于或等于 E 1，则会发生 电离碰撞。 根据以上推论 ，设 电子在第 次碰撞后 ，其轴 向速 度 = 0 ，即其轴向动能已完全损失 ，轴向能量为零。 要保证第 + 1次碰撞为电离碰撞 ，则电子在碰撞 前的轴向能量 m。 +1／2 应大于等于 E 1。现讨论极限 情况 ，即 m。 +1／2 = E 1时 ， m。 +1／ 2 = E 1 = = eUS ~ ／d ( 1) 式中：E 为电场强度 ；U 为触头两端所加 电压值 ，d 为 触头开距 ；S 为 电子在第 次碰撞后 到第 + 1次 碰 撞前轴 向所走距离 。 s = ( +1一 ) ／2a (2) a = ( +1 一 ) ／ ( 3) 式中：a 为电子在电场中的加速度 ； 为电子由 点运 。 怂 丽丽 丽 丽 动到 + 1 点所 用 时间 。 将 ( 2) 和 ( 3) 式代入 ( 1) 式得 ： =( 2E 1m d ／e U2) ( 4) 在放 电过程 中 电子 在两次碰撞 的积 累动能应 大于 气体的电离能，即电子所走的总路程 s 应小于电子的 平均 自由程 ，。 应用以上计算 ~ nTlor 运动公式所得 ： S = 27cR L ／T L S = E l d ／U e S = (sL + sL ) ， (5) 式 中 ：S 为两次碰撞 间 电子径 向所走距离按照着 火条 件的定 义 ，电离 电子能量 积 累到 E 1后 ，在 它被 阳极 吸 收前 ，至少应发生一次电离碰撞。即电子轴向总位移为 d 时，电子所走的总路程 S ，。 若 电子 自由通过 电场均匀 的触头间 隙的时 间为 ： T o = d ／ t 则：S = [(21rR2 LTo／TL) + d ] ， (6) T o = ( Ue／2m。d ) (7) 故磁控放 电的着火条件为 ： S ．=I， S [d2 + 8~-2m3 。 3 B 【，] ／2 ， [2 1 m d ／e U2 + (E 1ai nu ) ] ( 8) 以上证 明假设 为零 ，由于气体分子在触头 电 极上 电离 时 ，其轴 向速 度 O，所 以( 8) 式为磁 控放 电的着火条件。通过前面的计算得出了，着火条件与磁 场 大小有关 的结论 。 2．1．2 维持磁控 放 电的条件 根据气体放电理论 ，维持稳定放电应满足 Y2[ exp ( als) 一1] = 1 ， (9) 式中：al 为汤逊第一 电离系数 ，y2 为汤逊第二电离系 数，在本文中 a1与压强无关。 综合式(8) 和式(9) 式即为产生和维持磁控放电 的条件 。 必须指 出以上 的计算 中，应用 IALrlYIOr 运动计算 时 ，并未对真 空灭弧 室屏 蔽罩 的半径 R 予 以考虑 ，因 此公式 中还应 加入 ： m。T)r／eB 。 R ， ( 10) 即轴向磁场的下限 B。IIliII m。 ，／eR ， 2．1．3 计算中忽略的有关因素 在计算 中未考虑 的因素有 ：质子的运动对于空气 维普资讯 分子电离的影响 ；电子射 向 阳极 产 生 的软 X 射线 所 引 起 的二次分子 电离 ；太 阳光 中紫外 线 引起 的空气 分 子 自然 电离 。 3 新 测量 方 法 的 理论 依 据 及 突破 点 3．1 空气 分子在 触头壁 的物 理吸 附 空 间的气体 分子在 运 动 时与 固体 表 面产 生碰 撞 ， 或 由表面 弹性 反射 回来 ，或附着在 表面一定 时间 ，然 后 按余弦定律逸 回空 间。在无外界 影响下 ，附着 时间有可 能是长久的。故气体在界面上的浓度必将高于其在空 间的浓度 。这种现象称 为“吸 附” 。物理吸 附的作 用力是 范德 瓦耳斯 ( van der W aals) 引力 。 界面上所吸附气体分子 的密度为 ： = ( 个 ／cm2) 式中：U为单位时间内碰撞 到单位面积 固体表面的气 体分子个数 ；r 为气体分子滞 留在固体表面的平均时 间。 U正 比于空间气 体的分子密 度 ( 压强 p ) ，r 与气体 分子与固体表面状况及构成有关。即使在真空度很高 的情况下，表面吸附的分子密度仍大大高于空间的分 子密度 。 3．2 物 理吸附原 理在测试 时的应用 对于开距为 10 mm 的线 kV 左右 的直流高压 ，这时的电离 电流约 nA 级。而从 nA 到 A 的数量级 为 103，即虽然 测试 条 件 已达 到着 火条件 的要求 ，但 由于 电子 平 均 的有效 碰撞 小 于 30 次 ( 考 虑 到满足条件的电子撞击分子 ，并使之电离的概率约为 30％) 。从而使离子 流过 小 ，而无法实现 现场测试 。这 正是 国外同类测试仪器 的测试结果一直无 法突破潘 宁 放电上限的主要原因。若要提高高真空下所测得的离 子流 ，有 如下几 种方法可供选择 。 3．2．1 提 高直流 高压 电源的电压 这 种方 法在 原 理 上 是供 给 电离 电子更 充 足 的能 量 ，希望电子与空气分子碰撞时，使空气分子电离的概 率进一步提高。最终在同等真空度下获得相对较大的 测试 电流 。 经过试验发 现此 种方 法效 果 是有 限的 ，在 电压加 到 22～25 kV 后继续提高电压 ，离子流反而会减少。 这是 因为 ：1) 增 加 电压使 空 气 分子 电离 的概 率 ，在 高 真空下所起的作用 ，本身就是有限的。2) 当电子能量 过高 时 ，电子运 动 速度 很 快 。快速 电子 “ 碰撞 ” 分子 时 在分子场 中滞 留 的时 间很 短 ，来 不 及进行 充分 的能量 交换 ，电离概率也 就减小 了。 3 、2 ．2 提 高 脉 冲 磁 场 的 能 量 目的是为 了减 小 径 向速 度 ／3，较 大的 电离 电子 的 运 动半 径 ，使 之能够 参 加 “碰 撞 ” ，增 大 电离 源 ，并 最终 扩大 电离 电流 。 在脉 冲磁场 较弱 的情 况 下 ，即剐 刚达 到 离子 流点 火条件下 限时 ，增加 磁 场会 收 到 明显效 果 。但 当磁 场 增加到一定 强度后 ，即使成倍 增加磁场 能量 ，离子 流的 测量值也 变化不大 。 3．2 ．3 增加 同等真 空度 下 的电 离源 正如 3．1 节所叙述。真空灭弧室在静态时，其触 头界面的空气分子密度将 大大高 于空间分子密度。 “ 界面”上的分子密度 ，在同等条件下，又与分子的电离 量成比例关系。因此如能很好的利用真空灭弧室触头 “界面” 上初始所形成的物理吸附，将会大大的提高 同 等测试条件下的电离源 ，从而提高测量仪器的测试上 限。 国内外同类仪器所采用的测试方法为，加高压几 十毫秒乃至几秒后 才开启磁 场 。而此 时“界面 ”上 的空 气分子早已电离而被吸收。“界面”上的分子浓度大大 降低，“界面”所能达到的电离分子数最多不会超过空 间分子撞 向“界 面” 的数 量 。 上述“界面” 上的分子动态过程 ，在加高压的同时 就已产生。但应注意到，电子在 10 kV 电压的作用下 ， 电子脱离分子场 电离并 由触头的一侧运动到另一侧 ， 平均需要 1．5～2 rns 的 固态 时间。此时 的电子 处于触 头间隙的中间，在条件满足的情况下仍然能够用于“碰 撞” ，从而增大所测离子流 ，大大的提高磁控式测量真 空度 的测试 上限 。 应用以上理论开发出的测量仪器，最高测试点已 达 到了 3 × 10 Pa( 真空灭弧室 型号 BD 360 ，该 点离子 流 67 ) ，因为条 件 的 限制 ，试 验 中真 空断路 器 的真 空度未抽的更高。 从离子流所测数据显示 ，测量仪器的真空度所能 测量的上限应高于 3 × 10 一Pa。远远高于文献上有关 潘 宁放 电的测试 上限 。 对 比试验显示 ，即 10 kV 高压加 20 Ins 后再投入 同样的磁场 和测 量 ，则 直 到真 空 灭弧 室 中线Pa 时仪 器测 出了 2 的离子 流。 虽然前面已有一定量的计算，但真空灭弧室分为 C H IN A ELjE C T R IC F O W E F ~N O ．5 2 003 o N[)R11_M 、T ． 维普资讯 能开断短路电流的真空灭弧室和不能开断短路电流的 真空灭弧室 ，这二者之间从其电容性大小到使用中开 距 的大小 ，均有较大 的差别 ，因此测量 仪器 的最佳 的时 序控制时间最终通过试 验来确定 ( 见 图 3) 。 时刻(110ms开启磁控线msSt：启直流高压电源 时刻(3)2．Ir e s开启CPU测量控制 时~1](4) 7ms直流高压关机 圈 3 仪器 所 用时 间控 制 时序 通过试验研究 发现 ，以往 的测 量 仪 器存 在测 量 的 过燃烧情况 ，即离子流着火会持续数百毫秒。造成这 种情况的主要原因是 ：1) 直流高压始终存在 ；2) 所用 脉冲磁场的爬升和下降速度较慢 ，这样就始终维持着 真空灭弧室的着火条件 ，因此就造成真空灭弧室空间 中的空气分子被大量 电离 ，而最终被触头吸附。使用 这些测量仪器如果要复测须将真空灭弧室静置两周后 方能进行 。 从控制时序图上可看 出，新测量仪器加压时间共 5．6 tnS。另外磁控线圈的放 电速度又较快 ，从而使测 量仪器完成离子流峰值的测试后 ，维持离子流着火的 条件很快被破坏 ，不会造成上述现象 的发生。经试验 只须将真空灭弧室少许静置 ，仪器就能做到很好的重 复测试。以下是应用新 的测试方法，对真空灭弧室真 空度的测试结果。灭弧室管型 BD 360；管号 5118；测 量方式为仪器四次不问断连续测量 (每次间隔时间小 于 1 vain) ；示波图见图 4。 T ek R un：2,5． 0 千 Sample T rig? R l R 2 R 3 R 4 { ，v 一 一 f 千 I 【 ， 一 I ，， -t i l l一 《⋯ 。V 1 ，， I { R ef l 40． 0V 2．00 ms 图 4 示 波 图 。 怂 而 丽 以下 是应用该 原 理 开发 的 仪器 ，所测 的部 分 定标 试 验相应 的离子 流 图。 (1) BD360 型真空灭弧室相关主要参数 ： 额定 电压 12 kV 线．0E ．．0 3 1．0 E - 02 I ．OE --OI 1．OE +O0 P a 圈 5 Bl3~ O型线A ~ 真空灭弧室相关主要参数： 额定 电压 12 kV 线．OE 02 1．0E O5 1．0 E 一04 I ．OE --0 3 1．0 E 02 1．OE - O I 1．OE + O0 P a 圈 6 T I~ I I IA 型真空灭弧宣离子漉 图 (3) T D311A 型真空灭弧室相关主要参数： 额定 电压 12 k V 线．0E 02 1．0E 05 1．0 E O4 I ．0E 一03 1．0E 02 1．0 E 0 1 1．0 E +00 P a 圈 7 T D311A 型真空灭弧室离子漉图 【下转 第 15 页 1 维普资讯 整 改效 果 分 析 第一次停炉后 ，对引风 机静 叶 、预热 器漏风 进行 了 处 理 ，启机 后机组增负荷 闭锁次数 明显减 少 ；第 二 次停 炉后对预热器进行了化学液浸泡、高压水清洗 ，启机后 风机 电耗大 幅度减少 ，机组增 负荷 闭锁 现象 消失 ，可 以 安全实现调度 额定负荷 出力运行 ( 见 表 4) 。 表 4 预热器整改后效果分析 * 已考虑环 境温 度影 响 。 若 2 号机组按 5 000 h／a 运行计 ，机组设计发电煤 耗 315 g／(kW ．h) ，设计供电煤耗 335 g／(kW ．h) ，年发 电量 12 亿 kW h，标准煤按 300 元／t 计算 ，则 以设计 煤种进行预热器整改后效果分析计算可知： ( 1) 引 、送风机 电流 均下 降 了 8 A ，全 年 可节 省 电 量 166 万 kW h，折合人 民币约 33．2 万元。 (2) 考虑预热器排烟温度下降 6 ℃ ，就可以使锅炉 效率提高 0．432％，发电煤耗降低了 1．5 g／(kW h)，供 电煤 耗 降低 了 1．9 g／( kW h) ，全 年则 可 节 约标 准煤 2 280 t左 右 ，折 合人 民币 约 68 万元 。 5 结 语 ( 1) 锅炉 运行 过 程 中 ( 含 启 停 炉 ) ，要 加强 预 热器 吹灰 ，建立严格 的预热 器吹灰 管理制度 。 (2) 低 负荷 运 行期 间或 环 境 空 气 温度 较低 时 ，采 取热风再循环提高预热器进 口空气温度 ，保证预热器 排烟温度大于 100 ℃ ，有效防止预热器低温腐蚀及蓄 热元件粘 灰 。 (3) 要加强预热器停炉检查处理 ，尤其加强大、小 修锅炉受热 面和预 热器清灰 、干燥 管理 。 (4) 进一步核实当前预热器蒸汽吹灰的效果，必 要时可改造为燃气脉冲冲灰装 置，增强预热器吹灰的 效果 。 (5) 积极做好预热器 的各项漏风改造 ，建议 阶段 性或选择性地进行预热器径向、轴向、旁路双密封 以及 扇形板固定密封 的双密封改造 。 (6) 要定期对烟风挡板 、引风机静叶和出口导叶 、 送风机动叶进行检查 、核实、校正。 (7) 加强运行人员对运行异常参数的第一手资料 的搜集 、整理 、信息反馈 ，加强专业技术人员对在线运 行参数的变化趋势分析 和判断，对设备 的劣化程度做 到诊断准确，及时采取措施进行维护和检修。 收 稿 日期 ：2003 一o6 24 ( 上接第 4 页 ) 4 试验数据的相关分析 通过试验所得测试数据可看 出： (1) 离子流的测试值随着真空度的降低而增高。 (2) 线Pa 以上时 ，仪 器均实现有效测量。最高达到 3 X 10- 5Pa。 (3) 当线Pa 变化 时所测得的数据已出现饱和趋势。 (4) 随着所测真空灭弧室直径 的缩小 ，相同真空 度下所测离子流会显著减小。 (5) 通过对型号为 TD 311A 和 TD 3111A 所测离 子流数据对 比，可 以看 出在工艺、外 形( 高度) 有所变 化 ，而内部结构基本无变化的情况下 ，同等真空度下所 测 得 的离子 流大小是 相近 的 。 参 考 文 献 ． [1] 王季梅 ．真空断路器理论及应用 [M ] ．西安交通 大学 出版社 ，1986． [2] 唐政情 ．真空测量 [M] ．宇航出版社 ，1992 ． [3] 赵宝升 ．真空技术[M ] ．科学出版社 ，1998． [ 4] L ucek ，Peerce．A pparatus and method for measur ing the pr essur e inside a v acuum circuit inter rupter ．U S P tI眦 N o ．3 26 3 16 2 ． 收 稿 日期 ：2003 07 09 NCR TbW ES T EL - _ jE CT啦R K2 ~必 NO ．5 2 盟2003 9 Q{ 。 ， 维普资讯
