真空断路器真空度检测技术在天水电网的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)甘肃天水供电公司 作者:漆柏林

  阐述了定性与定量检测真空断路器真空度的方法,并介绍了真空度检测技术在天水电网的应用情况。

1、引言

  6~35kV中压真空断路器以其结构简单、使用寿命长、维护量小、适宜频繁操作等独特的优势在电网中得到了广泛应用。真空断路器的核心部件是真空灭弧室,灭弧室是以真空条件作为工作基础的,因此其真空度是保证真空断路器绝缘性能和灭弧性能的重要技术指标,直接影响到电网的运行安全性。受生产工艺和现场使用环境方面的原因,真空断路器在运行过程中可能会出现灭弧室不同程度的泄漏现象,造成真空度降低。真空断路器运行维护中较突出的问题是真空灭弧室的真空度检测问题,统计资料表明,真空断路器事故绝大多数因真空度降低引起。真空度的检测已经成为真空断路器状态检修和试验的重要内容之一。

2、真空灭弧室基本结构和原理

  真空断路器的灭弧室每一只为不可拆卸的整体,动静触头为分别焊在动静导电杆上。静导电杆焊在上法兰盘上,动导电杆上焊一波纹管在导向套内运行。波纹管及导向套焊在下法兰盘上,由瓷柱支撑的金属圆筒屏罩在动静触头外面,再与外壳形成密封的腔体。该腔体经过抽真空,真空度一般在10-6Pa以上。当合、分闸操作时,动导电杆上下波动,波纹管被压缩或拉伸,使真空灭弧室内的真空度得到保持。当断路器分闸时,触头间产生电弧,触头表面在高温下挥发出金属蒸气,由于触头设计为特殊形状,在电流通过产生磁场,电弧在此磁场力的作用下沿触头表面切线方向快速运动,在金属圆筒(即屏蔽罩)上凝结了部分金属蒸气,电弧在自然过零时就熄灭了,触头间的真空介电常数又迅速恢复起来。

3、真空断路器真空度检测方法

  3.1、离线定性检测

  (1)观察法

  此法仅对外壳为玻璃的真空灭弧室可用,根据涂在玻璃内壁上的吸气剂薄膜颜色或观察开断电流时的弧光。也有利用火花探测仪检测根据发光的颜色来鉴定真空灭弧室的真空度。观察法判只能依靠经验判断不准确,通常作为参考使用。

  (2)交流耐压法

  ①检测原理

  电介质物理学的理论及实践经验都表明:在高真空和超高真空中,气体间隙的击穿电压与真空度无关。而在10-2Pa附近(真空灭弧室必须更换的界限)的中真空状态,击穿电压与真空度是单值对应关系。气体间隙的击穿电压随压强的变化曲线见图1。由图1可知真空度在10-2Pa以上时,击穿电压不再随压强的下降而增大。因此,用交流耐压法检测严重劣化的真空灭弧室的真空度是一种简便有效的方法。

气体击穿电压与气体压强的关系曲线

图1 气体击穿电压与气体压强的关系曲线

  ②试验方法

  将真空断路器置于分闸状态下,在真空断路器的动静触头间施加交流电压,根据电压施加过程中相关参数的变化来判定真空度。如果真空灭弧室内发出连续击穿或持续放电,表明真空度已严重降低,否则表明真空度符合要求。

  交流耐压法简单易行是真空灭弧室的传统判定真空度的方法,但只能为真空灭弧室的真空状况提供一个粗略的定性判定,不能判断真空度的变化趋势,是一个定性的判断方法。

  定性检测法只是粗略判定真空度的好坏,最有效的方法还是定量检测真空灭弧室的真空度。国家电网公司《输变电设备状态检修试验规程》(Q/GDW168-2008)中,对真空断路器的试验增加了“真空灭弧室的真空度进行测量”的项目。随着电力检测仪器技术的发展,真空度测试仪大量涌现,真空度测试仪不仅可以测量真空断路器真空度是否在正常范围内,更重要的是,对某些泄漏速度较快的真空断路器,还可通过历年测量结果相比较,可以大致推断它的寿命,真正起到预防意外事故发生的目的。

  3.2、离线定量检测

  目前离线定量检测采用的主要方法为磁控放电法,市售真空度检测仪多基于磁控放电原理的制成,它能更迅速、准确的测出真空度的具体数值。

  (1)磁控放电原理

  在1.33×10-2Pa以下的低气压状态,真空灭弧室内气体分子数很少,在动、静触头中间,游离电子与气体分子碰撞及电离的几率更小,电流极微弱。动、静触头加磁场后,在电磁场的共同作用下,电子、离子受洛仑兹力F=qV×B的作用,在两电极间做螺旋运动,运动路径延长,与气体分子碰撞的几率太太增加,在动、静触头间可以测到放电电流,电场磁场不变时,放电电流是由真空度惟一决定的,呈单值对应关系,放电电流经电路处理,可测出真空度。

  (2)检测方法

  将断路器断开位置,在其触头的两极施加脉冲高压,灭弧室外侧用励磁线圈缠绕,励磁线圈通入大电流,灭弧室内产生与两极高压同步的脉冲磁场。灭弧室中的电子在磁场的作用下螺旋运动与灭弧室中的残余气体发生碰撞产生电离的离子电流(比没有磁场时要大得多),这时产生的离子电流与灭弧室的真空度近似成比例关系。通过实验可以标定出不同管型(灭弧室)的真空度与离子电流的对应关系曲线。当测知离子电流后,就可以通过计算机查询该管型的离子电流—真空度曲线得出真空度的数值。

  (3)测试结果分析

  ①判据:出厂时的真空灭弧室内部气体压强不得大于1.33×10-2Pa;在允许储存期末(20年)),真空灭弧室内部气体压强不得大于6.6×10-2Pa。

  ②测量数据应与前次(历年)相比较(纵向比较)或与邻近的其他设备相比较(横向比较),应无明显变化或差别。当发现测试数据异常时,应反复测试验证,必要时缩短测试周期跟踪分析。

  (4)影响测量准确性的因素

  ①环境因素

  测量仪器周围不应有影响其正常工作的热场、电场和磁场,否则会影响其测量的准确性。测量的环境温度一般应在5℃~40℃之间。环境的相对湿度不应大于85%。

  ②灭弧室自身因素

  应该注意灭弧室的内、外表面的污染而形成的漏电流对测量结果的准确性影响

  ③测量仪器和方法

  在现场的测量中,不同的测量仪,所配备的励磁线圈设计也不同,测出来的结果也存在一定的差异。同时,由于试验人员在试验过程中,励磁线圈缠绕的松紧、缠绕圈数的多少,也导致了检测结果的差异。

  ④管型的选取

  应根据真空灭弧室的管径正确按照试验仪器说明书中对应的真空度直径选管型正确选择管型,如HZK200B真空度检测仪管型的选取见表1。

表1 真空灭弧室直径与管型对照表

真空灭弧室直径与管型对照表

  3.3、在线检测

  在线监测真空度技术尚不成熟,真空度检测手段仍然以离线检测为主,可通过运行监视,结合运行断路器位置,观察带电显示器,从而间接判断真空断路器的真空度。

  4、真空度检测在天水电网应用情况

  4.1、在运真空断路器缺陷统计

  天水主网投入运行的真空断路器数量已经达到328台,其中10kV267台,35kV59台,2007~2012年,真空断路器发现缺陷和发生事故的次数分别为12相次、6相次,缺陷率和故障率为0.138%和0.007%(表1),曾出现了一些因真空灭弧室真空度下降而引发的真空断路器故障。2008年我单位配备了检测真空度的试验设备,对具备停电条件的真空断路器进行了检测,广泛开展真空度的定性和定性测量工作(表2)。

表2 天水主网真空断路器故障统计

天水主网真空断路器故障统计

表3 部分真空度检测数据

部分真空度检测数据

  4.2真空度失效故障案例

  某变电站电容器间隔具备投运条件后需投入运行。运行人员在操作该间隔断路器过程中,听到开关柜内发出“砰”的声响,立即停止操作,分开断路器检查,电容器间隔A相带电显示装置显示异常。断路器A相真空灭弧室内部发黑且有灼伤面,初步怀疑A相真空灭弧室存在漏气。用万用表分别检查断路器三相导通情况,A相导电回路导通,B、C相不导通,说明A相并未在分闸位置,据此判断A相断口绝缘损坏。进一步对断路器进行绝缘检查,A相灭弧室断口绝缘电阻0MΩ,B、C两相合格;A相断口在试验电压升至2.4kV时击穿,B、C相两相均能通过42kV、lmin的交流耐压试验,进一步验证了A相真空灭弧室存在严重漏气。后又定量检测该断路器真空度,断路器A、B、C三相真空度分别为20.5Pa、1.95×10-5Pa、2.14×10-5Pa,A相灭弧室真空度严重超标,A相灭弧室真空度严重失效。

  这起断路器真空度失效故障系真空灭弧室本身质量问题引起。通过该案例可看出真空断路器虽然已通过交流工频耐压,然而还会发生因真空度失效引发的故障,用交流耐压试验并不能完全真正检测到真空断路器真空度。因此有必要进行定量检测分析。

5、真空度检测的现场管理

  (1)检测结果管理

  真空度检测结果的分析,特别是真空度接近临界值时的分析应结合真空度变化的历史过程来分析,因此应做好真空度检测记录的管理工作。在现场使用时应建立真空度检测档案,通过历史数据对比来分析真空度的实际运行情况。

  (2)检测周期

  一般在下列情况下应进行真空度检测:

  ①新设备投运前。

  ②在例行试验过程中(怀疑真空度降低时)。

  ③真空断路器开断规定的故障电流次数之后。

  ④完成规定的开断负荷电流次数和机械寿命之后。

  ⑤运行中发现异常情况时。

  真空断路器出现问题的时间主要集中在投产半年至2年这段时间,这时真空断路器的运行状态较不稳定,需加强运行检测。另外随着真空断路器使用年限的加长,真空断路器难免存在真空渗漏的情况,经过长时间的积累,真空度会有所下降,所以对使用年限较长的真空断路器要加强定期对真空度进行检测必要时可考虑适当缩短测试周期。

6、结束语

  现场真空度的检测对于真空断路器的安全运行有着极其重要的意义,这就要求我们切实加强真空断路器在选型、安装、运行、检修等方面的全过程质量管理工作。设备运维工作中应重视真空度的检测工作。真空度定量检测灵敏度高于定性的灵敏度,但也不能忽视定性判断的辅助作用,应综合分析判断确保断路器的安全运行。离线检测真空度只能在停电状态下进行,在不断提高供电可靠性和设备利用率的要求下,如何在线监测真空断路器灭弧室内真空度的变化,从而有利于开展状态检修,确保运行安全可靠,这是运维人员十分关心的问题,是智能化高压电器的发展方向。相信随着新技术的不断出现,不远的将来真空断路器真空度在线检测将成为主要检测手段。

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