灭弧室内真空度与局部放电关系的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华北电力大学电气与电子工程学院 作者:张 阔

  为研究真空断路器灭弧室内真空度与局部放电状态的关系,设计了一套模拟断路器运行的试验平台,采用特高频方法测量了灭弧室内不同真空度下的局部放电信号,并利用统计参数法统计出不同压强下的局放信号特征参数。试验结果表明随着灭弧室内真空度在0.5~300Pa之间变化,灭弧室局部放电量和次数有明显区别,压强在15~20Pa之间局部放电强度最大、次数最多,同时易发生间隙击穿。在此基础上通过对局部放电数据处理分析,得到不同压强下局部放电PRPD谱图,作为间接诊断断路器灭弧室真空度的依据。

  真空断路器在电力系统中具有控制和保护双重功能。它具有不爆炸、体积小、可靠性高等特点,是电力系统一次设备中维护工作量最大的设备之一。如其存在缺陷不仅起不到控制和保护作用,严重时会影响其他设备运行而造成事故。真空断路器的主要性能参数是真空灭弧室的真空度,真空度的高低直接影响真空开关使用期间的耐压水平和开断能力,而真空度主要由于制造质量、运输、安装、运行过程和现场使用环境等原因导致下降。灭弧室的真空度在工程领域有重要意义。

  目前已经提出多种真空度在线检测的方法,如光电变换法、耦合电容方法、屏蔽罩电位检测方法等,其中光电变换法使用Pockels电场探头测试灭弧室屏蔽罩附近的电场变化来判断灭弧室内真空度状况;耦合电容法是基于局部放电原理提出的,其灵敏度还有待验证,目前很多问题需进一步研究。文献验证了屏蔽罩上的电位和真空度变化之间的对应关系,同时提出了局部放电对屏蔽罩电位的影响,设计了测量屏蔽罩电位的传感器。

  超高频局部放电检测能够有效避开低频电磁干扰,它利用检波器从高频载波信号中提取出低频调制信号,而仅保留局部放电信号的幅值和相位信息,因此频谱范围远宽于脉冲电流信号,抗干扰能力强,灵敏度高。本文通过建立一套模拟真空断路器运行的试验平台,设计了真空断路器使其真空度可控,模拟真空断路器的不同真空度故障类型,通过超高频法来测量真空断路器在不同压强下的局部放电信号,统计放电信号在不同压强下具有的特征,从而诊断灭弧室的真空度。

1、试验原理和装置介绍

  在电磁屏蔽良好的实验室内(背景噪声<1pC)设计一套模拟真空断路器运行环境和控制真空度的试验系统(如图1),主要包括真空控制系统、真空测量仪表、断路器运行环境、局部放电测试系统。真空控制系统采用两级真空泵构成,以便能抽到灭弧室正常运行时的高真空度;真空腔和灭弧室通过绝缘胶管相连,绝缘胶管不能过长,同时要保证足够的电气安全距离,绝缘胶管长度约为50cm,若太长会导致两端有压强差,真空测量仪表测量的数值不是灭弧室的压强。

系统平台示意图

图1 系统平台示意图

  局部放电测试系统主要包括:试验变压器的工频相位信号、超高频传感器、高速数据采集处理系统。断路器运行工作环境通过在断路器导电杆施加5.8kV的工作电压来模拟。试验前真空断路器灭弧室内处于大气状态,加5.8kV工作电压检测是否有局部放电,同时检测周围是否有局部放电的干扰,确定周围噪声干扰后,在数据处理时消除外部环境带来的干扰,再抽真空到断路器工作状态10-4 Pa等级,此时调节试验变压器使断路器工作电压为5.8kV。稳定后逐渐减小灭弧室真空度,使灭弧室真空度压强平缓降到300Pa,并记录不同等级真空度下的局部放电波形。图2为试验回路示意图,试验电源经自耦调压器T1输出后接入到工频试验变压器T2上,T2额定电压150/0.22kV,额定电流0.1/68.2A。Zch为保护电阻,阻值为10kΩ,串联在T2的输出端,以限制断路器发生闪络击穿造成断路器表面灼热损伤。其中C1是连接变压器高压侧与真空灭弧室并联的电容,其值大小为3 000pF(电缆的长度为15m,单位长度的电容值为0.2μF/km),模拟断路器线缆终端。

试验及检测回路示意图

图2 试验及检测回路示意图

  数据采集处理设备采用了荷兰TIEPIE公司的HANDY SCOPE HS4数据采集卡,该采集卡有4个数据通道,使用其中两个通道,局部放电的传感器采用目前最常用的特高频传感器,采集卡其中一个通道采集特高频传感器测量的局部放电信号,另一通道采集工频相位,同步采集和记录试验变压器的工频相位和特高频传感器测量的局部放电信号,将采集到的数据传输到后台计算机进行数据处理。

结论

  ① 搭建了模拟真空断路器运行的平台,通过真空度控制系统模拟断路器在不同压强下的气体放电,利用特高频传感器测量真空灭弧室局部放电信号。

  ② 根据试验可知,真空灭弧室内的真空度降低到0.5Pa以上会发生局部放电,随着真空灭弧室真空度的劣化,局部放电密度变大,放电量增强。当压强达到300Pa时,由于电子平均自由程减小,削弱了分子电离,阻碍了局部放电。

  ③ 通过PRPD二维谱图分析出灭弧室不同真空度下局部放电的特征,作为诊断灭弧室真空度的依据。

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