耦合电容法真空度检测中测量距离对场强影响的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华北电力大学 作者:李赟

  真空断路器是电器设备的保护和控制的重要开关设备。灭弧室真空度会随着真空断路器运行时间而逐渐降低,影响断路器正常工作,所以需要精确观测其变化情况。耦合电容式作为主要的真空度在线监测方法之一,可以有效地测得灭弧室真空度变化。然而电场传感器的插入不可避免的会影响到灭弧室周边电场分布,加大真空度检测误差,从而对电力系统运行造成安全隐患。通过有限元分析软件ANSYS,对加入传感器后不同测量距离下的灭弧室周边电场进行仿真计算。仿真结果表明灭弧室与传感器安全距离范围为50-70mm之间时,对周边电场影最小。并根据模拟数据分析结果,为消除耦合式电容电场传感器对真空度检测安全隐患,提供了理论依据。

  引言

  真空断路器由于具有体积小,容量大、寿命长、可靠性高等优点,被广泛应用于低压与中压的诸多领域。真空断路器灭弧室内的真空度由于运输、安装、运行等原因而降低,这会直接影响断路器开端能力和耐压水平,对电力系统运行造成安全隐患,甚至酿成事故[2]。国内统计资料表面,真空断路器的开断与关合事故比例较高,真空度不足是主要原因,每次真空断路器事故平均损失电量达数百万千瓦时,造成重大的经济损失。根据国家规定,考虑到断路器分断时灭弧性能的需要,真空度应不高于1.33×10-2 Pa,才能够保证真空断路器安全运行。真空灭弧室真空度的检测方法分为离线检测和在线检测两类。真空断路器的离线检测方法主要包括:观察法,电弧电压法,火花计法,高频放电法,工频耐压法,局部放电检测法,X射线法和磁控放电法等。但离线检测方法试验复杂,无法做到即坏即修,耗费人力、财力和时间。真空度在线检测的主要方法有:光电变换法、局部放电发[7]、悬浮电极放电间隙法[8]、检测自闭力的平衡弹簧与千分表法等。

  耦合电容法[10]由于具有成本低,灵敏度高,不易受周围环境影响等优点成为目前主要的真空度在线检测方法之一。但电场传感器的插入不可避免的会影响到灭弧室的电场分布,尤其是在畸变较为严重的感应电极附近电场处误差较大,为电网运行带来安全隐患。若能够消除耦合电容式电场传感器对灭弧室的电场影响,耦合电容式不失为一种有效的真空在线检测方法。

  为了研究耦合电容式传感器对灭弧室电场分布的影响,本文通过使用有限元分析软件ANSYS,求解时采用不完全乔列斯基分解共扼梯度法(ICCG法)对加入传感器后不同距离下灭弧室周边电场进行分析,提出消除耦合式电容电场传感器对真空度检测安全隐患的对策,为断路器安全运行,防止事故重复发生起到指导作用。

1、耦合电容法

  耦合电容法是根据局部放电测量原理所提出的一种在线监测方法,如图1所示为耦合电容法测量原理和等效电路。带电触头、屏蔽罩、探测电极分别构成了图1所示的C1、C2分布电容,C2是耦合电容。当灭弧室正常工作时,屏蔽罩上不带电荷,当真空度下降引发带电触头与屏蔽罩之间的耐压强度下降。屏蔽罩与电极之间放电会使灭弧室内屏蔽罩带有一定量的静电荷。而屏蔽罩和大地之间的工频电场也随之发生变化,当工频电压升到一定值时,等值电容Cl被击穿放电,即图1(b)中的间隙G被击穿,这就使得电极电容C2和耦合电容C3构成的放电回路中的电荷重新分布,同时在M端经光电变换脉冲输出一个脉冲。从而检测灭弧室内真空度。屏蔽罩的交流电位的有效值与真空度之间的关系曲线,如图2所示。

耦合电容法真空度检测中测量距离对场强影响的研究

  由于C1和C2均远远小于C3,故而该电极的电位接近于地电位。因此,电场感应电极的插入会影响灭弧室周边电场分布。

  可以看出距离20mm到50mm之间,灭弧室周边场强有明显下降,之后逐渐趋于平稳。通过距离范围为50-70mm和无传感器的电场强度矢量图相比较,可以看出加入传感器后灭弧室周边电场发生了一定的变化,可知空气的起始电晕场强为30kV/cm(峰值),所以认为场强在20kV/cm以下时,即可保证高压带电部位不会出现电晕放电。如果继续增大灭弧室与传感器的距离,真空度测量将会产生较大误差。因此当传感器插入到断路器时,保持灭弧室与传感器的安全距离为50-70mm,可避免产生电晕等现象危害断路器运行,而且仍能够保证传感器准确测量真空断路器真空度。

4、结束语

  本文利用ANSYS软件对耦合电容式传感器在不同位置时对灭弧室周边的电场影响分析,通过本文的研究工作,可得出如下结论:

  (1)有限元法是计算三维电场的有效方法之一,它对于参数复杂,或者非线性问题都能够清晰展现出计算区域中场强的变化规律。

  (2)由ANSYS软件仿真可知,保持灭弧室与传感器的安全距离为50-70mm,可避免产生电晕等现象危害断路器运行,而且仍能够保证传感器准确测量真空断路器真空度。

  (3)通过对真空断路器三维电场的计算与分析,了解了耦合电容式传感器对灭弧室真空度检测的安全隐患,对真空度检测方法的改进提供了理论依据,确保电力系统稳定运行。

  由于篇幅有限,将来可通过对灭弧室与传感器距离产生电场误差的线性或非线性的规律,进行自适应的滤除干扰的研究,对灭弧性能有进一步了解。

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