放電脈沖原理在斷路器真空度在線(xiàn)監測中的應用

　　真空斷路器是近十幾年來(lái)廣泛應用于我國10～35kV 配電系統的一種電力開(kāi)關(guān)，真空滅弧室內的慢性漏氣是造成斷路器絕緣下降的主要原因，開(kāi)展真空斷路器真空度在線(xiàn)監測具有重要意義。對放電高頻脈沖檢測原理的裝置進(jìn)行了分析，并在重慶電力公司江津供電局工程中進(jìn)行了應用。

　　真空斷路器的常見(jiàn)故障包括機械故障和電氣故障，而真空滅弧室的真空度下降是真空斷路器運行中威脅電網(wǎng)安全的一個(gè)主要因素。國內研究者在如何監測滅弧室的真空度方面作了大量的工作，提出了各種理論上的在線(xiàn)檢測方法。但在實(shí)際應用和推廣上尚未取得很好的成效，主要是產(chǎn)品的實(shí)用性、準確性、成本等方面受到了一定限制。雖然現代生產(chǎn)工藝能保證真空滅弧室達到15d 左右的壽命，但由于受運輸、使用、保管以及部分真空滅弧室生產(chǎn)材質(zhì)中可能摻雜有雜質(zhì)等方面的影響，會(huì )造成真空滅弧室的損壞和真空度的降低。因此，如何有效地在線(xiàn)監測運行中的真空斷路器真空度的變化一直是行業(yè)內研究的課題。

1、真空度在線(xiàn)監測機理與監測方法

　　目前，在線(xiàn)監測真空度主要有以下幾種方法：一種是改變真空斷路器結構，其真空滅弧室采用內置雙波紋管的特殊設計；另一種是不改變真空斷路器主體結構。

　　當真空滅弧室內真空度下降時(shí)，其氣體密度變大，絕緣特性下降，將導致屏蔽罩電位降低，引起屏蔽罩附近電場(chǎng)強度發(fā)生變化。同時(shí)金屬導桿和觸頭及屏蔽罩之間出現微弱的放電，在內部氣體壓力進(jìn)一步下降時(shí)，則會(huì )在系統高壓的影響下在觸頭的邊緣產(chǎn)生較強的電暈，并使金屬導桿和觸頭及屏蔽罩之間產(chǎn)生明顯的輝光放電現象。因此，在上述真空度下降時(shí)引起的各種電氣和物理上的變化下衍生出各種檢測方法，如檢測屏蔽罩的電平變化法、檢測周邊電場(chǎng)變化的耦合電容法、電光變換法、利用電極和屏蔽罩放電時(shí)聲發(fā)射的電聲發(fā)射法及本文討論的依據放電時(shí)屏蔽罩及觸頭附近放電電暈產(chǎn)生的放電高頻脈沖法。

　　以上幾種檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相對而言，不改變斷路器的主體結構的檢測方法更適用于用戶(hù)的需求�；�于放電現象檢測方法檢測的是真空度下降到一定程度時(shí)出現的放電高頻脈沖信號，不受安裝具體位置、滅弧室尺寸、系統電壓對屏蔽罩電平和附近電場(chǎng)強度的影響，不改變已運行的斷路器安裝方式，安裝時(shí)無(wú)須調試，在工程應用中有很強的實(shí)用性。

2、基于放電高頻脈沖檢測原理及應用

2.1、放電點(diǎn)電壓值和放電發(fā)生的因素

　　由于滅弧室內真空度下降時(shí)會(huì )形成放電電暈，并破壞電極間氣體的絕緣，因此會(huì )影響真空斷路器斷路部分的性能， 對真空斷路器在運行中能否成功分合具有決定性的作用。

　　1889 年帕邢(Louis C.H.F.Paschen，德國實(shí)驗物理學(xué)者，波恩大學(xué)·蒂賓根大學(xué)教授，在光譜學(xué)上進(jìn)行了重要的研究) 首次在實(shí)驗中明確了均勻電場(chǎng)中的氣體的放電電壓和放電間隙的關(guān)系：“某氣體在均勻電場(chǎng)中的放電電壓為此氣體的壓力p 和間隙距離d 乘積的函數”。用公式表示為Vs=f(pd) ，即某氣體在均勻電場(chǎng)中的放電電壓，通過(guò)改變壓力、間隙距離來(lái)求取，如圖1 所示。

　　在相對較低的壓力范圍內，滅弧室內保持著(zhù)較高的真空度，封入的氣體具有很好的絕緣性，斷路器的開(kāi)斷性能也處于良好狀態(tài)，從而檢測不出真空度的泄漏。而在大氣壓及其以上高氣壓范圍內，放電現象也不會(huì )發(fā)生。通常情況下，運行中的真空斷路器發(fā)生真空泄漏都是通過(guò)及其細小的針孔泄露出來(lái)，速度非常緩慢。滅弧室的內部壓力在達到不放電的壓力范圍之前，要經(jīng)歷幾個(gè)小時(shí)到幾個(gè)月不等的緩慢泄漏過(guò)程。無(wú)論真空斷路器的真空度泄漏快慢與否，在真空泄漏初期就能持續檢測到泄漏時(shí)的放電信號就顯得非常重要。

2.2、真空斷路器電壓等級及觸頭開(kāi)距和開(kāi)始放電氣體壓力的關(guān)系

　　真空滅弧室適用的電壓等級不同，一般觸頭間隙距離也就不相同。用帕邢法則對用于電壓72kV的真空斷路器和用于電壓12kV 的真空斷路器進(jìn)行比較，結果如圖2 所示。

　　試驗表明，用于電壓12kV 的小型真空斷路器，當氣體壓力約為5～10Pa 時(shí)就能產(chǎn)生十分明顯的可識別放電高頻脈沖信號。

　　比較不同電壓等級的真空斷路器，滅弧室在真空度下降到10^-1～5Pa 時(shí)，屏蔽罩電平開(kāi)始出現變化，金屬導桿和觸頭及屏蔽罩之間出現微弱的放電，開(kāi)始產(chǎn)生預放電，并朝電暈及輝光放電現象過(guò)渡，同時(shí)向空間輻射高頻電磁波信號，而使用放置在屏蔽罩附近的天線(xiàn)傳感器元件即能捕捉到斷路器周邊的電場(chǎng)的變化及感應到高頻脈沖信號。

2.3、工程現場(chǎng)應用

　　許繼日立公司與日本AE-POWER 公司采用以上放電高頻脈沖原理，開(kāi)發(fā)了一套用于檢測放電高頻脈沖的真空斷路器監視裝置， 在預放電初始階段開(kāi)始捕捉此放電信號， 能夠準確地實(shí)現在線(xiàn)監視真空斷路器真空度的狀態(tài)。并在重慶電力公司江津供電局項目中投入運行，目前效果良好。

　　真空斷路器在線(xiàn)監測裝置安裝在開(kāi)關(guān)柜二次室內，裝置采用自適應式電源模塊，可選用交流與直流工作電源;裝置信號出口提供了一付無(wú)源節點(diǎn)，可直接啟動(dòng)告警裝置或者上送測控裝置將信號傳送到后臺主機;天線(xiàn)傳感器安裝在真空斷路器內，借助斷路器自身的安裝孔固定天線(xiàn)傳感器，不需要對真空斷路器進(jìn)行改動(dòng)，實(shí)現起來(lái)比較方便，天線(xiàn)傳感器與真空滅弧室距離在安全距離之外，天線(xiàn)傳感器的安裝不影響真空斷路器的絕緣性能。

3、結語(yǔ)

　　在電力系統中開(kāi)展真空斷路器真空度在線(xiàn)監測，減少了設備的檢修周期和運行維護人員的工作量，保障了電力系統的安全運行。