真空开关真空度在线监测研究

【摘要】真空开关的真空度是保证其操作性能的重要条件，实现真空开关真空度的在线监测是智能化变电站的重要组成部分。本文就真空度对开关特性的影响、真空度的检测方法及在线监测方法进行了分析，并结合实际案例提出了在线监测与生产相结合的设想。

【关键词】真空开关;真空度;在线监测

1.引言

真空开关是20世纪初发展起来的一种新型开关电器，从上个世纪60年代初开始在电力系统中得到应用。我国自上个世纪80年代末以来，随着配电系统无油化进程的兴起，真空开关在电力系统中获得了日趋广泛的应用，尤其在10kV、20kV、35kV等中低压电压等级设备中，真空开关产品的占据了绝大部分市场份额，而且现在正向高电压等级和低电压等级两个方面发展，且潜力巨大。另外由于真空开关同其他开关设备相比具有分断能力强、电寿命长、维修工作量小、无火灾爆炸危险、结构紧凑等优点，使其在煤矿井下、石油化工等一些特殊场合也得到了日益广泛的应用。

在实际运行中真空开关的故障率是很低的，而其中因真空度下降造成的故障占有较大的比例。因此，真空度的检测和在线监测是真空开关维护的一个重要内容。

2.真空度对真空开关的影响

真空开关的一个主要特点是将通断主回路的主触头密封在与外界隔绝的真空灭弧室内，利用真空环境中优异的灭弧和绝缘性能来实现通断主回路的目的。因此，真空灭弧室内的真空度对真空开关的性能有至关重要的影响，最终表现为对其绝缘性能和开断能力的影响，其中对绝缘性能的影响是主要的。

2.1 真空度与开关工作特性研究

研究表明，电极间的交流击穿电压随真空度的变化而变化，在低于10-1Pa压强范围内，击穿电压先随真空度的提高而升高，在10-1Pa左右达到最大值，然后随着真空度的进一步提高击穿电压反而有所下降，当真空度高于10-4Pa以后，击穿电压基本不受真空度的影响。虽然击穿电压还受电极材料的影响，但对不同材料的研究结果表明其变化趋势是相似的。

在实际应用中，真空灭弧室内的压强根据不同的使用场合可有不同的数值，对此各国未作统一规定，一般认为最大允许值在1.33×10-1Pa附近。在我国，部标技术中规定真空开关用灭弧室中的最大压强为1.33×10-2Pa，国标中规定为6.6×10-2 Pa，这里是考虑了真空开关分断时灭弧能力的需要。

2.2 灭弧室真空度变化特性

真空灭弧室制成出厂后，并不能永远保持其内部的真空状态，而是具有一定的真空度寿命。在经过严格电真空工艺处理的真空灭弧室内，影响真空度的主要因素为工作表面的放气与吸气过程。波纹管及其他密封部分密封性、长期的扩散、晶体材料间的腐蚀！吸气剂活性的丧失等因素都会引起灭弧室内真空度的降低

3.真空度检测与在线监测研究

3.1 真空度检测

运行中的真空断路器应在达到一定运行条件（开断次数、电流等）后进行灭弧室真空度的检测，以确定灭弧室内的真空度是否在安全范围内。目前己经有很多方法和相关的仪器被提出来并加以研究开发，常用方法有脉冲磁控放电法及耐压法，工频交流耐压法是当前在电力系统中比较通行的做法，可定性判断真空度是否合格。

除上述两种主要方法之外，其他还有绝缘电阻法、持续电流开断法及）吸气剂膜法等可以用来检测真空度的好坏。

3.2 真空度在线监测

近年来，国内外专家学者一直在探索真空开关真空度在线监测的有效方法，并且已经提出了一些具体的技术方案。主要有采用旋转式电场探头的屏蔽罩电位法、光电变换法、耦合电容法、和冷阴极磁控放电法等，但是由于每种方案都存在一些固有的缺陷，使得对真空开关的真空度进行在线监测的技术目前还远未达到大规模推广应用的地步。下面对这些方法进行简单的介绍和分析：

3.2.1 基于电场探头的屏蔽罩电位法

本方法为设计一种适用的电场探头，置于灭弧室外壁，用来测量真空灭弧室内真空度的变化对屏蔽罩电位的影响，并据此来判断灭弧室内的真空度。如图1所示。

图1 检测屏蔽罩电位示意图

本方法的主要优点是基本上不需要对真空开关灭弧室做任何改动就可以在一定的距离以外对其屏蔽罩电位进行不接触测量。但是只有在接近1帕至数十帕的被测压强范围内屏蔽罩电位才随真空度有较明显的变化，但此压强范围己在真空灭弧室真空度的有效范围以外，而且屏蔽罩电位还与灭弧室的具体结构尺寸有关，因此需要针对不同类别的灭弧室分别测量其特性曲线，此工作需由灭弧室生产厂家在生产灭弧室时完成，也使其应用受到一定的限制。另外，开关周围恶劣的电磁环境也会对测量过程产生一定的干扰作用。

3.2.2 光电变换法

光电变换法的实质也是一种基于测量灭弧室内部屏蔽罩电位的变化来判断其内部真空度的方法，不同之处在于本方法是通过一种由晶体材料制成的电场探头（称为Pockels电场探头）来探测真空灭弧室屏蔽罩电位的变化，并据此来判断灭弧室内真空度。本方法除存在与前面旋转电场探头法有同样的问题外，还存在晶体光学元件工作稳定性较差和成本较高的问题。

3.2.3 耦合电容法

耦合电容法是根据局部放电原理提出来的一种在线监测技术。这种种方法虽然能实现灭弧室真空度的在线监测，但是也只能给出定性指示，测试灵敏度也有限，而且同样也不能满足灭弧室真空度的测量范围。

4.案例探讨与生产应用设计

某公司运行至今，已发生了多起因真空开关真空度不合格引起的故障，其中一起较为典型的一例如下：

110kV XX变值班人员进行#2主变停役操作后，监控中心发现2号主变所带的II段母线压变有电压，且2号主变20kV侧三相均有电压，后经检修人员现场检查发现该故障原因为20kV IV段母线开关未能彻底断开，相邻20kV母线对主变反送电。

现场试验证实20kV IV段母线开关A相真空度下降，耐压试验不合格，造成了开关分闸后未能彻底熄狐，使母线带电。

由上述案例可以发现，若对该站内真空开关进行真空度在线监测，则会及早发现真空度下降的现象，从而避免类似故障的发生，提高设备运行的可靠性。

另外，对于设备管理单位来讲，建立真空度在线监测系统，积累了一定数据之后，可对数据进行纵向分析与横向分析，以便快速有效的发现异常。

5.总结

本文对真空开关的真空度及相关内容展开了研究，首先分析了真空开关的真空度对其工作特性的影响，以及真空度的变化趋势。其后对真空度的离线检测和在线监测进行了讨论，目前常用的离线检测方法为工频耐压法，而在线监测常用的方法为屏蔽罩电位法和耦合电容法。最后，结合X局的实际案例讨论了真空度在线监测在实际生产中的应用。

参考文献

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