放电脉冲原理在断路器真空度在线监测中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江西九江供电公司 作者:张伟

  真空断路器是近十几年来广泛应用于我国10~35kV 配电系统的一种电力开关,真空灭弧室内的慢性漏气是造成断路器绝缘下降的主要原因,开展真空断路器真空度在线监测具有重要意义。对放电高频脉冲检测原理的装置进行了分析,并在重庆电力公司江津供电局工程中进行了应用。

  真空断路器的常见故障包括机械故障和电气故障,而真空灭弧室的真空度下降是真空断路器运行中威胁电网安全的一个主要因素。国内研究者在如何监测灭弧室的真空度方面作了大量的工作,提出了各种理论上的在线检测方法。但在实际应用和推广上尚未取得很好的成效,主要是产品的实用性、准确性、成本等方面受到了一定限制。虽然现代生产工艺能保证真空灭弧室达到15d 左右的寿命,但由于受运输、使用、保管以及部分真空灭弧室生产材质中可能掺杂有杂质等方面的影响,会造成真空灭弧室的损坏和真空度的降低。因此,如何有效地在线监测运行中的真空断路器真空度的变化一直是行业内研究的课题。

1、真空度在线监测机理与监测方法

  目前,在线监测真空度主要有以下几种方法:一种是改变真空断路器结构,其真空灭弧室采用内置双波纹管的特殊设计;另一种是不改变真空断路器主体结构。

  当真空灭弧室内真空度下降时,其气体密度变大,绝缘特性下降,将导致屏蔽罩电位降低,引起屏蔽罩附近电场强度发生变化。同时金属导杆和触头及屏蔽罩之间出现微弱的放电,在内部气体压力进一步下降时,则会在系统高压的影响下在触头的边缘产生较强的电晕,并使金属导杆和触头及屏蔽罩之间产生明显的辉光放电现象。因此,在上述真空度下降时引起的各种电气和物理上的变化下衍生出各种检测方法,如检测屏蔽罩的电平变化法、检测周边电场变化的耦合电容法、电光变换法、利用电极和屏蔽罩放电时声发射的电声发射法及本文讨论的依据放电时屏蔽罩及触头附近放电电晕产生的放电高频脉冲法。

  以上几种检测方法各有优缺点,相对而言,不改变断路器的主体结构的检测方法更适用于用户的需求。基于放电现象检测方法检测的是真空度下降到一定程度时出现的放电高频脉冲信号,不受安装具体位置、灭弧室尺寸、系统电压对屏蔽罩电平和附近电场强度的影响,不改变已运行的断路器安装方式,安装时无须调试,在工程应用中有很强的实用性。

2、基于放电高频脉冲检测原理及应用

2.1、放电点电压值和放电发生的因素

  由于灭弧室内真空度下降时会形成放电电晕,并破坏电极间气体的绝缘,因此会影响真空断路器断路部分的性能, 对真空断路器在运行中能否成功分合具有决定性的作用。

  1889 年帕邢(Louis C.H.F.Paschen,德国实验物理学者,波恩大学·蒂宾根大学教授,在光谱学上进行了重要的研究) 首次在实验中明确了均匀电场中的气体的放电电压和放电间隙的关系:“某气体在均匀电场中的放电电压为此气体的压力p 和间隙距离d 乘积的函数”。用公式表示为Vs=f(pd) ,即某气体在均匀电场中的放电电压,通过改变压力、间隙距离来求取,如图1 所示。

放电脉冲原理在断路器真空度在线监测中的应用

  在相对较低的压力范围内,灭弧室内保持着较高的真空度,封入的气体具有很好的绝缘性,断路器的开断性能也处于良好状态,从而检测不出真空度的泄漏。而在大气压及其以上高气压范围内,放电现象也不会发生。通常情况下,运行中的真空断路器发生真空泄漏都是通过及其细小的针孔泄露出来,速度非常缓慢。灭弧室的内部压力在达到不放电的压力范围之前,要经历几个小时到几个月不等的缓慢泄漏过程。无论真空断路器的真空度泄漏快慢与否,在真空泄漏初期就能持续检测到泄漏时的放电信号就显得非常重要。

2.2、真空断路器电压等级及触头开距和开始放电气体压力的关系

  真空灭弧室适用的电压等级不同,一般触头间隙距离也就不相同。用帕邢法则对用于电压72kV的真空断路器和用于电压12kV 的真空断路器进行比较,结果如图2 所示。

放电脉冲原理在断路器真空度在线监测中的应用

  试验表明,用于电压12kV 的小型真空断路器,当气体压力约为5~10Pa 时就能产生十分明显的可识别放电高频脉冲信号。

  比较不同电压等级的真空断路器,灭弧室在真空度下降到10-1~5Pa 时,屏蔽罩电平开始出现变化,金属导杆和触头及屏蔽罩之间出现微弱的放电,开始产生预放电,并朝电晕及辉光放电现象过渡,同时向空间辐射高频电磁波信号,而使用放置在屏蔽罩附近的天线传感器元件即能捕捉到断路器周边的电场的变化及感应到高频脉冲信号。

2.3、工程现场应用

  许继日立公司与日本AE-POWER 公司采用以上放电高频脉冲原理,开发了一套用于检测放电高频脉冲的真空断路器监视装置, 在预放电初始阶段开始捕捉此放电信号, 能够准确地实现在线监视真空断路器真空度的状态。并在重庆电力公司江津供电局项目中投入运行,目前效果良好。

  真空断路器在线监测装置安装在开关柜二次室内,装置采用自适应式电源模块,可选用交流与直流工作电源;装置信号出口提供了一付无源节点,可直接启动告警装置或者上送测控装置将信号传送到后台主机;天线传感器安装在真空断路器内,借助断路器自身的安装孔固定天线传感器,不需要对真空断路器进行改动,实现起来比较方便,天线传感器与真空灭弧室距离在安全距离之外,天线传感器的安装不影响真空断路器的绝缘性能。

3、结语

  在电力系统中开展真空断路器真空度在线监测,减少了设备的检修周期和运行维护人员的工作量,保障了电力系统的安全运行。

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