耦合電容法真空度檢測中測量距離對場(chǎng)強影響的研究

　　真空斷路器是電器設備的保護和控制的重要開(kāi)關(guān)設備。滅弧室真空度會(huì )隨著(zhù)真空斷路器運行時(shí)間而逐漸降低，影響斷路器正常工作，所以需要精確觀(guān)測其變化情況。耦合電容式作為主要的真空度在線(xiàn)監測方法之一，可以有效地測得滅弧室真空度變化。然而電場(chǎng)傳感器的插入不可避免的會(huì )影響到滅弧室周邊電場(chǎng)分布，加大真空度檢測誤差，從而對電力系統運行造成安全隱患。通過(guò)有限元分析軟件ANSYS，對加入傳感器后不同測量距離下的滅弧室周邊電場(chǎng)進(jìn)行仿真計算。仿真結果表明滅弧室與傳感器安全距離范圍為50-70mm之間時(shí)，對周邊電場(chǎng)影最小。并根據模擬數據分析結果，為消除耦合式電容電場(chǎng)傳感器對真空度檢測安全隱患，提供了理論依據。

　　引言

　　真空斷路器由于具有體積小，容量大、壽命長(cháng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于低壓與中壓的諸多領(lǐng)域。真空斷路器滅弧室內的真空度由于運輸、安裝、運行等原因而降低，這會(huì )直接影響斷路器開(kāi)端能力和耐壓水平，對電力系統運行造成安全隱患，甚至釀成事故[2]。國內統計資料表面，真空斷路器的開(kāi)斷與關(guān)合事故比例較高，真空度不足是主要原因，每次真空斷路器事故平均損失電量達數百萬(wàn)千瓦時(shí)，造成重大的經(jīng)濟損失。根據國家規定，考慮到斷路器分斷時(shí)滅弧性能的需要，真空度應不高于1.33×10^-2 Pa，才能夠保證真空斷路器安全運行。真空滅弧室真空度的檢測方法分為離線(xiàn)檢測和在線(xiàn)檢測兩類(lèi)。真空斷路器的離線(xiàn)檢測方法主要包括：觀(guān)察法，電弧電壓法，火花計法，高頻放電法，工頻耐壓法，局部放電檢測法，X射線(xiàn)法和磁控放電法等。但離線(xiàn)檢測方法試驗復雜，無(wú)法做到即壞即修，耗費人力、財力和時(shí)間。真空度在線(xiàn)檢測的主要方法有：光電變換法、局部放電發(fā)[7]、懸浮電極放電間隙法[8]、檢測自閉力的平衡彈簧與千分表法等。

　　耦合電容法[10]由于具有成本低，靈敏度高，不易受周?chē)�環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)成為目前主要的真空度在線(xiàn)檢測方法之一。但電場(chǎng)傳感器的插入不可避免的會(huì )影響到滅弧室的電場(chǎng)分布，尤其是在畸變較為嚴重的感應電極附近電場(chǎng)處誤差較大，為電網(wǎng)運行帶來(lái)安全隱患。若能夠消除耦合電容式電場(chǎng)傳感器對滅弧室的電場(chǎng)影響，耦合電容式不失為一種有效的真空在線(xiàn)檢測方法。

　　為了研究耦合電容式傳感器對滅弧室電場(chǎng)分布的影響，本文通過(guò)使用有限元分析軟件ANSYS，求解時(shí)采用不完全喬列斯基分解共扼梯度法(ICCG法)對加入傳感器后不同距離下滅弧室周邊電場(chǎng)進(jìn)行分析，提出消除耦合式電容電場(chǎng)傳感器對真空度檢測安全隱患的對策，為斷路器安全運行，防止事故重復發(fā)生起到指導作用。

1、耦合電容法

　　耦合電容法是根據局部放電測量原理所提出的一種在線(xiàn)監測方法，如圖1所示為耦合電容法測量原理和等效電路。帶電觸頭、屏蔽罩、探測電極分別構成了圖1所示的C1、C2分布電容，C2是耦合電容。當滅弧室正常工作時(shí)，屏蔽罩上不帶電荷，當真空度下降引發(fā)帶電觸頭與屏蔽罩之間的耐壓強度下降。屏蔽罩與電極之間放電會(huì )使滅弧室內屏蔽罩帶有一定量的靜電荷。而屏蔽罩和大地之間的工頻電場(chǎng)也隨之發(fā)生變化，當工頻電壓升到一定值時(shí)，等值電容Cl被擊穿放電，即圖1(b)中的間隙G被擊穿，這就使得電極電容C2和耦合電容C3構成的放電回路中的電荷重新分布，同時(shí)在M端經(jīng)光電變換脈沖輸出一個(gè)脈沖。從而檢測滅弧室內真空度。屏蔽罩的交流電位的有效值與真空度之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。

　　由于C1和C2均遠遠小于C3，故而該電極的電位接近于地電位。因此，電場(chǎng)感應電極的插入會(huì )影響滅弧室周邊電場(chǎng)分布。

　　可以看出距離20mm到50mm之間，滅弧室周邊場(chǎng)強有明顯下降，之后逐漸趨于平穩。通過(guò)距離范圍為50-70mm和無(wú)傳感器的電場(chǎng)強度矢量圖相比較，可以看出加入傳感器后滅弧室周邊電場(chǎng)發(fā)生了一定的變化，可知空氣的起始電暈場(chǎng)強為30kV/cm(峰值)，所以認為場(chǎng)強在20kV/cm以下時(shí)，即可保證高壓帶電部位不會(huì )出現電暈放電。如果繼續增大滅弧室與傳感器的距離，真空度測量將會(huì )產(chǎn)生較大誤差。因此當傳感器插入到斷路器時(shí)，保持滅弧室與傳感器的安全距離為50-70mm，可避免產(chǎn)生電暈等現象危害斷路器運行，而且仍能夠保證傳感器準確測量真空斷路器真空度。

4、結束語(yǔ)

　　本文利用ANSYS軟件對耦合電容式傳感器在不同位置時(shí)對滅弧室周邊的電場(chǎng)影響分析，通過(guò)本文的研究工作，可得出如下結論：

　　(1)有限元法是計算三維電場(chǎng)的有效方法之一，它對于參數復雜，或者非線(xiàn)性問(wèn)題都能夠清晰展現出計算區域中場(chǎng)強的變化規律。

　　(2)由ANSYS軟件仿真可知，保持滅弧室與傳感器的安全距離為50-70mm，可避免產(chǎn)生電暈等現象危害斷路器運行，而且仍能夠保證傳感器準確測量真空斷路器真空度。

　　(3)通過(guò)對真空斷路器三維電場(chǎng)的計算與分析，了解了耦合電容式傳感器對滅弧室真空度檢測的安全隱患，對真空度檢測方法的改進(jìn)提供了理論依據，確保電力系統穩定運行。

　　由于篇幅有限，將來(lái)可通過(guò)對滅弧室與傳感器距離產(chǎn)生電場(chǎng)誤差的線(xiàn)性或非線(xiàn)性的規律，進(jìn)行自適應的濾除干擾的研究，對滅弧性能有進(jìn)一步了解。