真空断路器真空度与电场电位关系研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室 作者:肖慧荣

  基于屏蔽罩电位测量真空度的方法,是真空断路器真空度在线检测方法中的一个主要研究方向。但是,目前还没有一个基于本方法的实用高真空度测量系统。为了进一步探究断路器屏蔽罩电位与真空度间的关系,本文借助于由克-莫方程建立的相对介电常数-压强间的关系,通过有限元分析工具对不同压强下的真空断路器进行二维电场分析。结果表明,屏蔽罩电位与真空度具有一定的对应关系,并可以通过真空断路器外电场电位的测量来反应;真空断路器外电场电位在压强小于10-2 Pa 时的变化十分微弱,而在大于10-2 Pa 时电位有较明显的变化。并通过实验室模拟测量实验,进一步验证了该结果的正确性。本文的分析结果给出了真空断路器外电场电位随真空度变化的规律,对基于屏蔽罩电位法在线测量真空断路器真空度具有一定的指导意义。

  真空断路器是一种借助真空的良好熄弧性能来实现大电流开断的开关装置。与传统的空气开关、油开关相比,真空断路器有开断可靠、故障率低、维护量少、结构紧凑等优点,这使它逐渐在输配电系统中,特别是在中压领域得到了广泛的运用。

  作为一种以真空为熄弧环境的开关,真空断路器内真空度的高低是其重要的一个参数。然而,由于内部组件放气、密封口漏气以及密封组件渗气的存在,运行中的真空断路器内部真空度会随着工作时间的推移而下降。当真空度下降到一定程度时,其开断性能就会得不到保证,这不仅会造成本身设备的损坏,还可能引起整个电网的故障。因此,对真空断路器真空度的检测显得很有必要。真空断路器真空度的检测方法分为离线检测与在线检测。在线检测凭借其操作简单,工作量少,实时性好等优点受到了人们的青睐。

  目前常用的在线检测方法有耦合电容法、光电变换法、旋转式探头法、比例差分探头法和电磁波检测法,其中耦合电容法、光电变换法和旋转式探头法均是基于屏蔽罩电位的真空度在线检测方法,所以对真空断路器屏蔽罩电位的研究成为了真空断路器真空度检测研究中的一个热点。文献通过搭建实验系统对不同压强下的屏蔽罩电位进行了测量,得出了灭弧室内部压强大于0.1 Pa 时与屏蔽罩上交直流电位的对应关系。文献通过物理数学模型建立了真空灭弧室内气体压强与相对介电常数间的关系,对灭弧室真空度和相对介电常数的关系进行了研究,得出了两者之间的对应关系,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这为进一步分析真空灭弧室真空度和屏蔽罩电位联系机理提供了新思路。

  为了进一步探索高真空度下,灭弧室真空度与屏蔽罩电位及周围电场间的关系,本文借助于有限元分析软件ANSYS对不同压强下的真空断路器灭弧室屏蔽罩及其周围电场进行仿真分析,并通过模拟灭弧室真空测量实验对分析结果进行验证,借此探索出真空断路器灭弧室内真空度与灭弧室外电场电位间的对应关系,为实现真空断路器高真空度在线监测和状态评估提供参考。

1、理论基础

  ANSYS 静电分析以泊松方程为理论基础,结合电荷或电压等加载条件求解出分析对象的电场和电势分布。泊松方程如式(1) 所示,φ、ρe和εr分别为静电场电位函数、电荷密度和相对介电常数。

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  在ANSYS 静电分析中ρe和εr是分析过程中两个关键参数,分别代表着加载和材料属性。在仿真中,通过对灭弧室内真空区域属性的设置来模拟不同的真空度条件,即通过改变εr来模拟不同真空度状态。

  然而通常真空度的高低是以压强大小来描述的,为实现相对介电常数对真空度的表示必须先建立介电常数与压强之间的关系。下面借助克劳休斯-莫索缔方程和理想气体气态方程来建立εr-p 关系。

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  式(2) 为克劳休斯-莫索缔方程,其中NA为阿伏伽德罗常数,α0为空气分子极化率,ρ 和M 分别为空气密度和摩尔质量。对于确定的气体电介质,α0和M 可以看做常数。因此,可以令真空断路器真空度与电场电位关系研究并做整理,得到相对介电常数与空气密度间的关系。

2、模拟测量实验

  为进一步探究灭弧室真空度与电场电位间的关系,搭建了一套真空灭弧室真空度在线检测模拟测量实验,其实验系统如图5 所示。其中,涡轮分子泵(主泵) 与隔膜泵(前级泵) 组成泵组用以真空的抽取,真空腔给灭弧室提供稳定的真空环境,为保证高真空时灭弧室内气体压强的准确测量,实验系统采用了高精度的电容薄膜真空规来测量高真空时的压强,通过微调阀实现对腔内真空的控制与调节。

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图5 模拟实验系统

  图6 为实验中的信号传感探头及其等效电路。其中,Us为屏蔽罩上电位,C0为屏蔽罩与金属板间等效电容。金属板所搜集电场信号经高压电容C1、C2分压后经同轴电缆线输出。

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图6 传感探头及其等效电路

  实验中,首先关闭微调阀,使真空系统快速到达极限真空,把探头放置于距屏蔽罩外壳125 mm 处,然后给灭弧室动触头加载6 kV 交流电压,并缓慢调节微调阀,在系统真空稳定到所需压强时进行信号测量。实验测量范围为3.0 ×10 -3 ~ 1 Pa,结果如图7所示。

  由图7可知,在所测范围内U0随着压强的上升也同步上升,具有高真空区变化缓慢,低真空变化较大,但在压强为10-2 Pa 附近变化可测的特点,与仿真结果所呈现的规律类似。

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图7 模拟实验结果

3、结论

  通过以上对真空断路器在不同真空度情况下的有限元电场仿真分析,以及模拟实验的测量分析,可以得出以下几点结论: 屏蔽罩电位与断路器外的测量点电位基本保持同步变化的关系,对测量点处电位的测量能够很好地反应屏蔽罩的电位; 在压强小于10-2 Pa 的高真空下,测量电位的变化极其微弱,检测难度较大。但在压强处于10-2 Pa 之上时,测量电位有较大的变化,因此可以对此时的电位进行测量,作为真空断路器检修的预警信号。本文的分析结果给基于屏蔽罩电位测量真空度的方案提供了参考和依据,对在线真空度测量系统的研究具有积极意义。

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