真空斷路器滅弧室內真空度與介電常數聯(lián)系機理研究
真空斷路器是中壓配電開(kāi)關(guān)中的核心類(lèi)型，真空滅弧室的真空度是影響其運行質(zhì)量和壽命的重要因素。伴隨著(zhù)國家智能電網(wǎng)和基于可靠性檢修體制的不斷發(fā)展，在線(xiàn)監測滅弧室真空度成為智能斷路器的新要求�；隈詈想娙莘ǖ恼婵斩仍诰�(xiàn)監測方法是目前較為普遍使用的一種監測方法，利用耦合電容傳感器探測滅弧室屏蔽罩電位Uc的變化實(shí)現，而感應電位Uc與滅弧室氣壓下滅弧介質(zhì)的介電常數εr密切相關(guān)。本文對滅弧室氣壓值P(真空度)和εr的關(guān)系進(jìn)行研究，并推導了干空氣條件下P 和εr的關(guān)系公式，為進(jìn)一步分析真滅弧室真空度P 和屏蔽罩電位Uc 聯(lián)系機理提供了研究基礎，希望在理論上為進(jìn)一步提高耦合電容傳感器實(shí)用技術(shù)作支持。
研究背景
真空斷路器近三十年來(lái)在我國中壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，其應用范圍日漸增大。并具有體小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在中壓配電領(lǐng)域開(kāi)關(guān)中占有主導地位。而一旦真空斷路器發(fā)生故障極易引起十分嚴重的后果，不僅會(huì )引起自身設備損壞，更有可能引發(fā)大規模電網(wǎng)故障。真空斷路器的故障往往是由于真空度降低所致，根據國家規定，真空滅弧室內的氣體壓強應低于1.33×10-2 Pa。由于真空滅弧室存在緩慢漏氣現象，真空度會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)呈現持續降低的趨勢，當到達某一臨界閾值時(shí)，就會(huì )引發(fā)安全危險隱患。智能電網(wǎng)對真空度監測的要求逐漸提高，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)建議使用中的真空斷路器采用實(shí)時(shí)監測，特別是對于35 kV、72.5 kV 及以上電壓等級的真空斷路器采用在線(xiàn)監測手段及時(shí)掌握滅弧室真空度狀況更具實(shí)用價(jià)值和意義。
根據動(dòng)態(tài)電荷分布和電容分壓原理構建的耦合電容法具有探頭結構簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)。其應用于實(shí)際檢測的過(guò)程，往往需要先在實(shí)驗室條件下標定某特定型號真空斷路器的耦合電容傳感器輸出電位的變化趨勢與其滅弧室真空度值相對應的關(guān)系曲線(xiàn)，再將該標定曲線(xiàn)應用于實(shí)際檢測。此過(guò)程只能定性的利用真空度變化對屏蔽罩電位產(chǎn)生的影響，并且真空度劣化極限對應屏蔽罩電位的閾值需依靠經(jīng)驗數據來(lái)確定。為理清真空度與屏蔽罩電位的理論關(guān)系，使耦合電容法的實(shí)際應用過(guò)程不盲目。本文從電介質(zhì)理論著(zhù)力，通過(guò)介電常數的引入，希望能夠將屏蔽罩電位隨真空度的變化過(guò)程加以解釋。
此外，以屏蔽罩電位為監測基礎的滅弧室真空度的在線(xiàn)監測方法有許多，如：耦合電容法、旋轉式電場(chǎng)探頭檢測法、光電變換法、比例差分探頭檢測法等。屏蔽罩電位成分分析的意義顯得更加重要。真空斷路器實(shí)際運行時(shí)，屏蔽罩上的電位成分較為復雜，既有直流分量又有交流分量。以下是前人通過(guò)實(shí)驗總結出的真空度降低所導致的屏蔽罩電位的變化規律。
理論上，當真空滅弧室內真空度正常時(shí)，僅需幾百伏的電壓就可維持帶電觸頭與中間屏蔽罩之間由場(chǎng)致發(fā)射引起的電子電流，屏蔽罩積累的負電荷使其負電位幾乎達到電極電壓峰值;當滅弧室內真空度劣化時(shí)，其氣體密度變大，場(chǎng)致發(fā)射的電子被氣體分子吸附后成為負離子，而負離子質(zhì)量大，漂移速度慢，使得上述電子電流減小，屏蔽罩上由場(chǎng)致發(fā)射導致的電位降低。此外當真空滅弧室的運行電壓和內部真空度處在正常范圍時(shí)，滅弧室的屏蔽罩上不帶有靜電荷;當真空度下降導致絕緣強度降低時(shí)，觸頭與屏蔽罩之間會(huì )發(fā)生局部放電，使滅弧室的屏蔽罩上帶有一定量的靜電荷而形成直流電位。文獻得到的結論認為：真空度下降到一定值時(shí)屏蔽罩上形成的交流電位幅值會(huì )發(fā)生變化，同時(shí)屏蔽罩上還會(huì )有直流電位生成。兩種電位的變化都是由于在真空度下降時(shí)金屬導桿和觸頭電極與屏蔽罩之間出現的湯森放電所導致，并且電位變化時(shí)對應的真空度相同。
本文就宏觀(guān)電介質(zhì)理論中影響電氣絕緣材料性能的最主要參數相對介電常數進(jìn)行討論，并將討論結果應用于電磁場(chǎng)數值計算。其中，感應電位的求解分析，對真空度在線(xiàn)監測理論的深入探討有著(zhù)十分重要的意義，深入探索滅弧室內真空度與屏蔽罩上感應電位的內在聯(lián)系機理是本文的研究重點(diǎn)，該問(wèn)題的解決不僅能夠為耦合電容法提供理論依據，更能為諸多通過(guò)監測屏蔽罩上的感應電位實(shí)現真空斷路器滅弧室真空度在線(xiàn)監測的方法提供理?yè)系睦碚撝С帧?/p>
1、滅弧室真空度與屏蔽罩電位的關(guān)系模型
現代計算機技術(shù)的發(fā)展使得建模仿真軟件與數值模擬方法能夠方便地應用于處理超大計算量的數值計算及復雜物理模型的仿真分析。本文研究基于電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft，對真空滅弧室內的真空度和屏蔽罩電位對應的關(guān)系進(jìn)行分析，力求找出二者之間的內在聯(lián)系機理，為實(shí)現真空度的在線(xiàn)監測和狀態(tài)評估提供理論基礎和技術(shù)支持。為分析方便，將處于工作狀態(tài)下的滅弧室物理模型圖構建如下。
圖1 真空滅弧室運行狀態(tài)下物理結構模型 圖2 真空滅弧室運行狀態(tài)下抽象模型
如圖1 所示，真空斷路器兩觸頭在額定交流負荷電壓下工作，通過(guò)導電桿和觸頭的交流激勵電流必然會(huì )以?xún)捎|頭為軸心產(chǎn)生環(huán)型磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將在真空為介質(zhì)的金屬屏蔽罩上產(chǎn)生出一系列感應電位。分析該物理過(guò)程的抽象模型，等價(jià)于求解通有額定交流電流IN 的金屬圓柱體在真空環(huán)境下對外環(huán)金屬屏蔽罩上的感應電壓。其抽象模型如圖2所示。
在圖2中導電桿中通有額定負荷電流IN，感應磁場(chǎng)方向符合安培右手定律。求解該模型，需求解觸頭在負載電流IN 條件下，周?chē)婵諈^域的磁場(chǎng)分布情況，及處于該磁場(chǎng)下金屬屏蔽罩上的感應電位Uc。
2、滅弧室真空度與介電常數聯(lián)系機理分析
在上述模型求解的過(guò)程中，真空滅弧室內中間介質(zhì)的介電常數εr 無(wú)疑是一項重要的條件參數�？紤]到真空滅弧室采用真空環(huán)境作為中間絕緣介質(zhì)，即低壓空氣。筆者經(jīng)過(guò)細致檢索發(fā)現，低壓空氣介電常數εr 與壓強P 物理聯(lián)系的文獻資料較少，難以直接得到某真空度P 下對應的精確εr。因此本文工作希望建立物理數學(xué)模型得出低壓空氣和相應介電常數的聯(lián)系關(guān)系，從而得到P-εr- Uc 的對應關(guān)系(其中為屏蔽罩上的感應電位)從而為真空斷路器滅弧室真空度的在線(xiàn)監測提供理論和技術(shù)上的支撐。
2.1、克勞休斯-莫索締方程
引用電介質(zhì)物理中克勞休斯- 莫索締(Clausius-Mossotti)方程，簡(jiǎn)稱(chēng)克- 莫方程。該方程在洛倫茲有效電場(chǎng)條件下，聯(lián)系了電介質(zhì)極化的宏觀(guān)參數和微觀(guān)參數。其數學(xué)表達式如公式(1)所示：
式中：εr、ε0分別為氣體介質(zhì)的相對介電常數和真空狀態(tài)下空氣介電常數;α 為空氣分子極化率;n0為電介質(zhì)單位體積內的極化粒子數。摩爾體積與單位體積內極化粒子數的關(guān)系轉化可得下式：
其中，M和ρ分別為電介質(zhì)的摩爾質(zhì)量和密度，N0為阿佛加德羅常數。在公式2中[P]代表了摩爾極化過(guò)程，式子右端表明，對于某固定電介質(zhì)，當極化率α 有確定的值，并且與密度ρ 無(wú)關(guān)時(shí)，[P]為確定常數。左端式子表明，摩爾質(zhì)量固定，當[P]為常數時(shí)，εr-1/εr+2與密度ρ成比例關(guān)系。通常介電常數εr隨著(zhù)電介質(zhì)密度ρ 的增大而增大，其物理意義也較容易理解，因為隨著(zhù)電介質(zhì)密度ρ增加，單位體積內極化粒子數增多，故介電常數εr也隨著(zhù)電介質(zhì)密度ρ增大而增大。既然εr-1/εr+2與密度ρ成正比，不妨設比例系數為L(cháng)。則有：
至此，得出了空氣密度和介電常數的關(guān)系，進(jìn)而將滅弧介質(zhì)(空氣)的密度轉換為氣體壓強便可以得到真空度和介電常數εr的關(guān)系。
2.2、干空氣密度與壓強的關(guān)系的建立
空氣的密度的國際定義式為：
式中：m0是空氣的質(zhì)量，單位kg;V是空氣的體積，單位m3;ρ 單位為kg/m3�？諝饷芏扰c空氣壓力、溫度及濕度有關(guān)，本文將空氣假定為干燥空氣(此種假設符合真空滅弧室的實(shí)際工作條件)。公式(4)只是關(guān)于氣體密度的一般定義式，在通風(fēng)工程中，干、濕空氣密度是由氣態(tài)方程求得。氣態(tài)方程表達式為：
式中：ρ、ρ0 分別為特定狀態(tài)(非標準狀態(tài))及標準狀態(tài)下干空氣的密度，單位kg/m3;P、P0 分別為特定狀態(tài)(非標準狀態(tài))及標準狀態(tài)下空氣的壓強，單位kPa;T、T0 分別為特定狀態(tài)(非標準狀態(tài))及標準狀態(tài)下空氣的熱力學(xué)溫度，單位。標準狀態(tài)下，T0=273 K、P0=101.3 kPa 時(shí),組成成分正常的干空氣的密度ρ0=1.293 kg/m3。將這些數值代入公式(5)，即可得到干空氣密度ρ 的計算式為：
使用上式計算干空氣密度時(shí)，應注意壓強、溫度的取值，式中P 為空氣的絕對壓強，單位為kPa;T 為空氣的熱力學(xué)溫度，單位為K;T=273+t,t為空氣的攝氏溫度，單位為℃。將公式(6)代入公式(3)可以得到：
對公式(7)進(jìn)行分析可知，當溫度恒定時(shí)，只有P 和εr 兩個(gè)變量，可設一常量Q= 3.48LT并將其代入公式(7)，可得：
由此可以得到介電常數εr 的表達式如下：
已知標準大氣壓強，P0=1.013×102 kPa, 空氣相對介電常數為εr=1.0005548，將其代入公式(9)可以得到Q=1.825×10-6。故公式(9)又可以寫(xiě)成：
于是，可以得到干空氣條件下真空度P 與空氣介電常數εr 的確定對應關(guān)系。
2.3、真空度與介電常數的關(guān)系驗證
文獻中列舉了一組通過(guò)把干空氣介電常數εr 轉換為波長(cháng)測量得到的值。由公式(11)計算得到的P- εr 值也在表1 中給出，以方便與文獻的結果進(jìn)行對比。如表1 所示為干燥空氣條件下，壓強P 和介電常數εr 的對應關(guān)系數據。
表1 干燥空氣壓強P與相對介電常數εr 對應關(guān)系
經(jīng)過(guò)驗證，干燥空氣介電常數εr 的計算值與實(shí)驗測量結果非常接近，相對誤差很小。因此根據公式10 得出的壓強與相對介電常數的關(guān)系，可以作為進(jìn)行進(jìn)一步仿真模型建立的參數條件使用，將仿真分析所需真空壓強值代入公式，即可得到對應的相對介電常數值。計算實(shí)際滅弧室內壓強范圍對應的介電常數值于表2。
表2 滅弧室內壓強范圍對應干空氣相對介電常數
這樣便為進(jìn)一步得到滅弧室內真空度壓強與屏蔽罩電位的對應函數關(guān)系表達奠定了條件基礎，作為真空斷路器滅弧室真空度在線(xiàn)監測和狀態(tài)評估的特征檢測變量據理才能更為充分，本文工作可以為真空斷路器真空度在線(xiàn)監測技術(shù)應用提供理論和技術(shù)支持。
3、結論
本文針對電力系統中廣泛應用的真空斷路器的核心部件之一真空滅弧室的在線(xiàn)監測的機理問(wèn)題展開(kāi)研究，以耦合電容法作為在線(xiàn)監測真空度手段。通過(guò)工作條件下的真空滅弧室的實(shí)際工作條件分析，為屏蔽罩電位檢測為途徑的真空度在線(xiàn)監測方式提供依據，建立了簡(jiǎn)化的真空滅弧室真空度在線(xiàn)監測物理模型，引入電介質(zhì)物理學(xué)和高電壓工程中的克勞休斯- 莫索締方程，建立了真空滅弧室內真空度P 與相對介電常數εr的物理聯(lián)系，并給出了相應的表達式。以電解質(zhì)的相對介電常數εr 為中間變量，可見(jiàn)建立真空滅弧室內真空度P 與屏蔽罩上感應電位的聯(lián)系機理。通過(guò)Uc 的連續在線(xiàn)檢測便可以實(shí)現真空斷路器滅弧室真空度的在線(xiàn)監測和狀態(tài)評估。雖然在分析過(guò)程對模型做了必要的簡(jiǎn)化，本文研究工作為真空斷路器的智能化和狀態(tài)檢修提供了必要的理論和技術(shù)支持，具有較好的借鑒價(jià)值。
