真空开关交流耐压与真空度试验意义

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)国电靖远发电公司 作者:崔似疑

  本文分析了真空开关交流耐压试验和真空度测量的区别和联系,二者要结合起来,互相补充,才能及早发现开关真空度泄漏的缺陷,防止开关爆炸事故。

引言

  近年来,随着科技的发展,真空断路器在电力系统广泛应用,其灭弧和开断电流优越性比油开关强许多,运行较稳定,维护工作量很小,但真空断路器的核心部件是真空灭弧室(真空泡),真空断路器在运行过程中其真空灭弧室会有不同程度的泄漏,有的甚至在预期使用寿命范围内就可能泄漏到无法正常工作的地步,在这种情况下进行操作就会造成严重的后果,真空断路器事故大多是由此原因引起。所以定期检测真空灭弧室的好坏成了一项十分重要的工作。

1、真空度与交流耐压

  1.1、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,再与玻璃外壳形成密封的腔体。该腔体经过抽真空,真空度一般在10-6 Pa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。在真空中由于气体分子的平均自由行程很大,气体不容量产生游离,真空的绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多。当开关分闸时,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,触头间的介质强度又迅速恢复起来

  1.2、真空灭弧室为什麽要测真空度?

  灭弧室的寿命包括电寿命、机械寿命、真空寿命。其中电寿命是指电绝缘强度,触头容许的磨损厚度,触头多次分段生成金属蒸气,附在灭弧罩上,不过现在铜触头材料,性能非常好,抗磨损能力很强。机械寿命寿命是指波纹管的寿命10000—20000次。真空寿命国标规定:1.33×10-3Pa,实际生产中按1.0×10-4 Pa出厂,当真空度降到6.6×10-2 Pa就已经不能运行。

  1.2.1、材料放气(慢漏气、滲漏气)在真空寿命使用过程中是一个人为不可控制的自然现象。

  1.2.2、真空只是一个相对的概念,绝对的真空是作不到的。

  1.2.3、获得一个真空很容易,维持它的真空却很难。因此必须测量真空度判断真空泡的使用寿命和安全度。

  1.3、交流耐压与真空之间的关系

  1.3.1、潘宁放电在1×10-1至1×10-4Pa范围内有一个好的线性关系。

  1.3.2、工频耐压在真空度低于1×10-1Pa时有效,真空度高于1×10-1Pa时无效。大气绝缘较好但在断开时不能熄弧。

  1.3.3、目前,检查真空泡是否漏气的方法是工频耐压法,但很多事例证明,工频耐压通过的真空泡并不等于不漏气,最有效的方法还是检测真空度。真空度下降至1×103 Pa,还能经受起42kV1min的断口耐压试验,可知当真空开关耐压试验不能通过42kV,1min的断口耐压试验时,漏气已相当严重,而能够经受起42kV,1min断口耐压试验的真空泡,不能证明真空泡没有漏气。检测真空度能更准确地反映真空泡的运行状况。真空度的大小直接影响真空开关灭弧性能的好坏,真空度下降会给真空开关的运行造成不良后果。

2、现场检测真空灭弧室的方法

  现场检测真空灭弧室常用的方法是工频耐压法,随着测试技术的发展,真空度测试法也在现场逐渐得到广泛运用。

  2.1、工频耐压法

  工频耐压法是使真空断路器处于开断状态下,在动、静触头之间施加一定的工频电压(电压值按厂家技术标准,一般10kV等级加42kV),检测泄漏电流的大小及观察灭弧室内的放电现象,真空灭弧室内部不应有持续的放电现象,否则应更换真空灭弧室,工频耐压法实际上是判断真空灭弧室真空度是否符合要求的一种间接方法。如果真空灭弧室有泄漏,真空灭弧室内气体压力升高到一定程度,触头间比较短的间隙就不能承受试验电压,甚至在升压过程中就会出现放电击穿现象。工频耐压法的优点是原理简单操作方便,能定性地检测真空灭弧室的好坏。交接试验时要注意,作工频耐压前要把真空断路器触头机械行程调整为要求值后再加压试验。

  2.2、真空度测试法

  将灭弧室两触头拉开一定的开距,施加脉冲高压,将电磁线圈绕于灭弧室外侧,向线圈通以大电流,从而在灭弧室内产生与高压同步的脉冲磁场,这样在脉冲磁场的作用下,灭弧室中的电子作螺旋运动,并与残余气体分子发生碰撞电离,所产生的离子电流与残余气体密度即真空近似成比例关系。对于直径不同的真空管,同等真空度条件下,离子电流的大小也不相同,当测知离子电流后,通过离子电流──真空度曲线,由计算机自动完成真空度的计算,显示真空度值。

  真空度测试法直接测试真空灭弧室的真空度(此文中真空度表示的其实是灭弧室内气体的绝对压力,以Pa为单位,与一般的真空度含义不同)来判断真空灭弧室的好坏。现场使用的真空度测试仪大多为免拆卸型产品,仪器采用了先进的同步脉冲磁控放电及单片机技术。简要机理如下:稀薄气体分子被强电场激发出来的电子碰撞而发生电离,从而形成较大的可测量的离子电流。由于该离子电流与真空度的对数值基本成线性关系,只要测量离子电流就可以得到真空度值。加磁场的目的在于加长电子的行程增加与气体分子的碰撞机率,增大离子电流,从而降低对外加电场的强度要求。离子电流的测量范围与测量值与外加电场、磁场强度以及触头开距都有关系,但主要取决于外加电场和磁场的强度以及磁场的方向。要注意的是,真空断路器在施加电场和磁场的情况下,存在吸气和放气效应,为了准确测量,往往采用同步施加脉冲磁场和电场的方法,这就是脉冲磁控放电法的基本原理。

  2.3、真空灭弧室真空度的标准

  真空灭弧室的性能对真空断路器的安全运行有重要影响,而真空度又是真空灭弧室的关键参数,对此有关规程标准都作出明确要求。行业标准《10~35kV户内高压真空断路器订货技术条件(DL403-91)》规定,真空断路器灭弧室在有效期15~20年末,真空灭弧室真空度不得大于6.6×10-2Pa[l]行业标准《3.6~405KV户内交流高压真空断路器(JB3855-1996)》规定,用于装配真空断路器的真空灭弧室内的气体压力应低于1.33×10-3Pa。

3、工频耐压法及真空度测试法对于判别真空开关性能作用的分析

  3.1、耐压和真空度测试对于真空灭弧室漏气故障的灵敏度

  真空灭弧室漏气的故障可分为两种类型,一种为“硬故障”即外壳破裂、波纹管破损而进气,使灭弧室失去真空度,与周围大气相通;另一种为“软故障”即灭弧室并未与大气相通,而是由于制造工艺、运输、安装及使用维护等原因,使灭弧室内的气体压力高于允许值,灭弧室不能满足正常开断容量,存在潜伏性故障。传统的检测方法一工频耐压法,对真空灭弧室的“硬故障”比较有效,能定性的区分真空灭弧室的好坏;但对“软故障”就无能为力。因为当真空度在1×104 Pa~1×10-3 Pa之间时,工频耐压试验都能通过,不能分辨出其中的差别,真空度测试仪可以对1×10-1 pa~1×10-5 pa范围内的真空度进行准确测量掌握灭弧室真空度的变化情况,了解真空灭弧室的泄漏发展情况,使得对真空灭弧室的检测从定性上升到定量阶段,并且可以根据一定间隔时期内真空度的变化情况推算出真空灭弧室的使用寿命,这对保障真空断路器运行的可靠性提供了一种技术手段。例如某电厂同一批10KV真空断路器,绝大多数真空灭弧室真空度压力低于6.60×10-4 pa,但有一只真空度压力为3.12×10-3 pa,虽然也在合格范围内,工频耐压试验也通过,但与同类灭弧室相比较,其真空度差一些,对这类型真空灭弧室应作重点监测,掌握其真空度的变换趋势。

  3.2、在真空度的不同区间耐压试验与真空度试验的区别和有效性

  真空度测试仪受测试范围限制(1×10-1pa~1×10-5Pa),超出测试范围,真空度测试仪所依赖的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例的关系有所变化,不能保证测试结果的准确性。特别是对于全漏(与大气相通)的“硬故障”,测试值刚好与真空度良好时的数值接近,容易引起错误判断。其原因可以用气体碰撞理论及仪器测试真空度的原理来解释:真空灭弧室气体压力增大,也可以同气体压力很小时一样在灭弧室断口间只流过很小的离子电流,因为气体压力大时,气体密度变大,电子的平均自由行程减小,这时虽然碰撞次数增多,但由于电子积累的动能较小引起气体分子电离的可能性反而降低,这就导致真空度测试仪错误的指示为真空度较好(压力小),测试真空度前,我们不能准确判断灭弧室真空度是否在测试范围内,也就不能保证真空度测试仪所测真空度的准确性,因此在现场真空灭弧室检测工作中不能省掉工频耐压试验。如果真空灭弧室通过工频耐压试验,可以保证真空灭弧室的真空度在真空度测试仪的测试范围之内,再进行真空度测试,就能保证真空度测试的准确性。总之,真空度测试和工频耐压试验,两种方法应互相补充才能对真空灭弧室作出准确诊断。现场工作中我们曾经遇到三起真空灭弧室有缺陷但真空度测试良好的例子:如:灭弧室玻璃罩己破碎,但真空度测试值却正常,当地海拔1700m,大气压8.4×104pa;灭弧室断口间电压加至10KV时击穿,真空度测试值正常;灭弧室断口间绝缘仅2MΩ,断口间刚刚升压,电流激增,真空度测试值正常。可见仅仅由真空度测试来判断真空灭弧室的好坏是不可靠的。

结束语

  (1)真空度测试的开展,使我们对真空灭弧室的检测从定性上升到定量阶段,能掌握真空灭弧室泄漏发展变化情况,并能估算其使用寿命。对手车式真空断路器,测试较方便,对固定柜式真空断路器,测试不是很方便。

  (2)真空度测试不能取代传统的工频耐压试验。真空度测试由于受测试范围限制(1×10-1Pa×104Pa),必须配合工频耐压试验才能对真空灭弧室作出准确的诊断。

  (3)测试前应先仔细检查真空灭弧室外观,如有破损不必做其他试验,应立即更换;真空度测试虽良好但工频耐压没通过的灭弧室必须更换;工频耐压通过但真空度不合格的灭弧室也必须更换:耐压通过,真空度合格,但真空度下降较快的要加强检测。

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