真空滅弧室真空度測(cè)量和校驗(yàn)方法的探討

王會(huì)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(cè)量的意義入手，介紹了真空度離線和在線測(cè)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(wèn)題和基于該原理制造的真空度測(cè)試儀的校驗(yàn)方法，最后探討了真空度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：真空滅弧室;真空度測(cè)量;校驗(yàn);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(lái)實(shí)現(xiàn)通斷主回路的目的。由于長(zhǎng)期的擴(kuò)散，焊縫中微小的缺陷及外部環(huán)境對(duì)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(huì)使真空滅弧室內(nèi)的壓強(qiáng)升高，從而影響其絕緣性能和開(kāi)斷能力，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致其開(kāi)斷完全失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，真空開(kāi)關(guān)的關(guān)合和開(kāi)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(cè)量技術(shù)

真空度離線測(cè)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(cè)量真空度的方法，具有較好的重復(fù)性和較高的測(cè)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(jìn)行真空度的檢測(cè)，并且申請(qǐng)了美國(guó)專利[3];隨后，德國(guó)西門子的W?Kuhl?等人對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，并發(fā)明了專門用于真空滅弧室內(nèi)部壓力檢測(cè)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(cè)的儀器[5]。國(guó)內(nèi)的上海思源電氣，上海交通大學(xué)，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(cè)試儀。

但是，目前基于脈沖磁控法的真空度測(cè)試儀存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：

1）磁場(chǎng)不穩(wěn)定，線圈發(fā)熱問(wèn)題嚴(yán)重，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，這對(duì)真空滅弧室生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)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(shí)際的壓強(qiáng)值。

因此，要獲得高精度的真空度測(cè)量結(jié)果，必須針對(duì)特定的滅弧室結(jié)構(gòu)，采用高精度標(biāo)定平臺(tái)和標(biāo)定方法，得到電離電流值與壓強(qiáng)值之間的實(shí)際關(guān)系曲線。

1.2脈沖磁控放電法真空度測(cè)試儀的校驗(yàn)方法

通過(guò)管路和法蘭將真空泵、機(jī)械泵、真空池、真空滅弧室連接成一個(gè)等壓強(qiáng)的密閉系統(tǒng)，由真空泵和機(jī)械泵使該系統(tǒng)達(dá)到額定的真空狀態(tài);調(diào)節(jié)放氣針閥來(lái)改變系統(tǒng)的真空度，通過(guò)焊接在滅弧室上的離子規(guī)管獲得壓強(qiáng)值的變化，由磁控放電原理的真空度測(cè)試儀來(lái)獲得滅弧室的電離電流值;將兩者對(duì)應(yīng)起來(lái)即可獲得離子電流與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，

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

2.真空滅弧室真空度在線測(cè)量技術(shù)

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對(duì)供電可靠性的要求日益提高，電力用戶對(duì)真空度在線檢測(cè)的需求也變的更加迫切。實(shí)現(xiàn)真空度的在線測(cè)量一方面可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的智能化，另一方面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)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(cè)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(duì)真空開(kāi)關(guān)而言，真空度在線檢測(cè)意味著要在不改動(dòng)開(kāi)關(guān)的主體結(jié)構(gòu)并且?guī)щ姷那疤嵯?，檢測(cè)真空度的變化。這就要求測(cè)試元件能承受高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)、操作時(shí)的沖擊與振動(dòng)、工作的環(huán)境溫度以及操作過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾等，此外還要求測(cè)試元件的接入不能影響真空開(kāi)關(guān)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。根據(jù)目前的研究結(jié)果，電光變換法在實(shí)驗(yàn)室效果良好，但在現(xiàn)場(chǎng)受溫度的影響，穩(wěn)定性較差，不能準(zhǔn)確的定量測(cè)量真空度。耦合電容法的靈敏度較差，還不具備實(shí)用的條件。

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

3.結(jié)語(yǔ)

隨著電網(wǎng)發(fā)展的要求，智能化、長(zhǎng)壽命、高可靠性正成為各類開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于真空開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)獲得高精度的真空度是保證高可靠性的前提，實(shí)現(xiàn)真空度的在線檢測(cè)是提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的重要手段之一。真空測(cè)量技術(shù)正在朝著高精度、在線檢測(cè)的方向發(fā)展。

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

3.1實(shí)現(xiàn)真空度離線測(cè)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(shè)計(jì)，使磁場(chǎng)分布更加合理，盡可能保證磁場(chǎng)方向與電子運(yùn)動(dòng)方向是垂直相交的;另一方面是研究提高校準(zhǔn)系統(tǒng)的極限真空度、降低真空度波動(dòng)范圍的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離電流值與壓強(qiáng)的高精度標(biāo)定。

3.2真空度在線檢測(cè)技術(shù)研究方面，要分析比較現(xiàn)有在線檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)劣;研究并重新設(shè)計(jì)放電規(guī)管，并設(shè)計(jì)與其相配合的高壓產(chǎn)生及放電控制電路，實(shí)現(xiàn)放電電流的在線測(cè)量和真空度的計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛慧勇.真空開(kāi)關(guān)真空度在線監(jiān)測(cè)研究[D].北京交通大學(xué)，2007.

[2]楊清華，陳仕修，沈遠(yuǎn)茂，真空滅弧室真空度檢測(cè)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(qiáng)，真空斷路器真空度在線檢測(cè)的研究[D].華北電力大學(xué)，2013.