一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法
【专利摘要】一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，首先使用场致发射电流Je，利用其产生的电子轰击脱附作用，使吸附量由σ1减少到σ0，然后再使用场致发射电流Je，利用其产生的离子捕集作用，使吸附量由σ0增加到σ1；吸附量的增加将导致触头材料功函数的增加，功函数的增加又引起场致发射电流Je的衰减，真空压强不同，发射电流的衰减速度就不同，公式=ΔJe/Δt，其中，ΔJe为场致发射电流Je的衰减量，Δt为衰减时间，故在Δje一定时，通过检测发射电流的衰减时间Δt就可以测量灭弧室内的真空度。本发明无需施加额外磁场，使得检测效率大大提高，其检测灵敏度高、效率高，且本发明能重复测量，进一步的提高了真空度检测的真实有效性。
【专利说明】一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种检测方法，尤其涉及一种应用于真空断路器的灭弧室内的检测其真空度的检测方法。
【背景技术】
[0002]目前，在随着电力系统的状态检修、无人值守等制度的推行，将原有的断路器改造或更换为真空断路器已经成为趋势，同时对真空断路器的状态检修有了更高的要求。
[0003]而目前电力系统所使用的真空断路器在我国供电系统中的应用始于1978年，真空断路器的优越性不仅是无油化设备，而且还表现在它具有较长的电寿命、机械寿命、开断绝缘能力大、连续开断能力强、体积小、重量轻、可频繁操作、免除火灾、运行维护少等优点。真空断路器其核心部分是灭弧室，由于灭弧室是以真空条件作为其工作基础的(灭弧室真空度通常指的灭弧室内真空泡的真空度，下同)。因此，其真空度将直接影响到电力系统的运行安全性。灭弧室的真空开关较之旧式油开关而言，它具有开断容量大，灭弧性能好，机械寿命长，运行维护量小，检修量小，检修周期长等特点。虽然灭弧室的真空开关缺陷率和故障率较低，但较突出的问题是灭弧室的真空泡的真空度检测问题，它不象油开关、SF6开关那样容易检查其介质量。有些真空开关在运行过程中其真空灭弧室含有不同程度的泄露，有的在寿命范围内就可能泄露到无法正常开断的地步。而因真空泡真空度达不到要求，引起开关爆炸，造成三相短路，酿成重大事故等在电力系统内部也曾有发生，因此，对真空断路器的灭弧室内真空泡的真空度的检测必须弓I起高度重视。
[0004]现有技术下对真空断路器的检测维修的手段如下:
[0005]1.做好调试、交接试验。
[0006]严格把好设备的调试及交接试验关，及时发现并处理设备存在的先天缺陷，才能保证设备以良好的状况投入运行，减轻运行中的压力，降低设备运行中的故障和事故率。做好真空开关调试及交接试验工作，及时发现真空开关本体漏气及附属绝缘件击穿机构(含连杆、分合闸缓冲器等)异常，机械特性(弹跳、速度、同期等)不合格等情况，作出整改处理后才投入运行，对确保运行的安全相当重要。
[0007]2.定期检测。
[0008]真空开关本体常见的缺陷主要有:真空泡慢性漏气、本体绝缘件绝缘击穿等。在目前仍未有完善的在线监测手段的情况下，定期检查绝缘，试耐压即预防试验是检验上述缺陷的主要手段。真空开关出现问题的时间主要集中在投产6个月到2年这段时间，这时真空开关的运行状态较不稳定，需加强运行检测。在新投运真空断路器增加了投运后3个月6个月、I年各进行一次预防性试验的内容，然后再按正常的预试周期进行预试，从而达到在真空开关不稳定期间内加强对其运行检测的目的。实践证明效果很好。
[0009]但需要说明的是开关本体绝缘子，特别是拉杆绝缘子是非“全工况”产品，运行中常因爬距不足和裂痕等原因造成电击穿或闪络放电。更要注意那些为满足爬距而采用内外两层结构的拉杆绝缘子，其内外两层之间的有机填充物在内部有气泡或受潮时亦会产生沿面闪络和电击穿。
[0010]3.加强运行巡视。
[0011]在操作中注意观察有无异常现象，如在分闸操作中，开关断开后，检查电缆头的带电显示装置有无显示带电；拉开母线侧刀闸时，观察刀口有无火花和真空泡有无闪光(玻璃泡)。
[0012]当然仅做到上述3点还不够，针对真空断路器的灭弧室的真空度的检测，现有技术还存在有以下3种测量方法，具体如下:
[0013]1.在灭弧室外围加上磁场线圈的磁控放电法，对真空断路器的灭弧室的真空度进行检测，然而，在实际应用过程中，现场测试人员发现，该种测试方法存在不少的缺点，具体如下:
[0014](I)该磁控放电法需要使用磁场线圈。由于真空开关的型号多种多样，有些真空开关真空灭弧室的外围无障碍空间很小，磁场线圈难以靠近，特别是对于新型的灭弧室绝缘全封闭型真空开关，磁场线圈无法靠近，磁控放电法已无法应用；
[0015](2)磁控放电法测量真空度的原理是利用正交的电场与磁场，增加电子的行程及与残留气体分子的碰撞几率，导致气体电离放电，测量放电的离子电流获得真空度。放电电流的分散性较大，且放电后有抽气或放气作用，使密闭容器的真空度发生变化，故短期内不能重复测量。
[0016]2.采用工频耐压法:
[0017]即真空开关处于开断状态下，在动静触头之间施加一定的压力，检测泄露电流的大小或观察灭弧室内的放电现象，由此推断真空度的好坏。这种方法的优点是方法简单，其缺点是:
[0018](I)只能定性检测真空度的好坏，而且由于施加的电压不高，真空度在10-5?3Pa之间，无法分辨，即耐压法的实验结果基本是一样的，所以无法合理地判断发展性泄露(即同一个真空开关和上次相比有多大程度的泄露);
[0019](2)这种方法只能粗略地判断其真空度严重劣化的灭弧室，属定质检测。
[0020]3.电离电荷采样法:
[0021]电离电荷采样的测试原理将灭弧室两触头拉开一定的开距施加脉冲高压，将励磁线圈绕于灭弧室内外两侧，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(即真空度)近似成比例关系。这种方法其优点是对于直径不同的真空管，在同真空度条件下，离子电流的大小也不相同。通过实验可以标定出各种管型的真空度与离子电流的对应关系曲线。当测知离子电流后，就可以通过查询该管型的离子电流一一真空度曲线获得该管型的真空度。然而这种方法的缺点也显而易见:
[0022]( I)由于真空灭弧室其几何尺寸、材料的不同，当内部真空度和外加激励电源一定时，其放电电荷量是不同的，并且有相当的差异。为准确测量，对每一种真空灭弧室必须有对应的从电离电荷量到真空推算曲线。如采用电离电荷法采样，有较大区别的是分别具有一条、三条、五条测量曲线，最多的是具有35条测量曲线，所以检测的数据的准确性容易产生争议；
[0023](2)收集该曲线的测试装置整体价格比较昂贵，且较难收集。[0024]综上所述，现有技术下的这些测量方法或不适合真空断路器的灭弧室的真空度的检测，或检测效率不高，或需加装额外检测设备成本较高，导致这些方法或多或少均存在不少缺陷，故现迫切需要一种新型的真空断路器的灭弧室的真空度检测方法，无需施加额外磁场，且检测灵敏度高、效率高，并能重复测量。
【发明内容】
[0025]为了解决现有技术下的对真空断路器的灭弧室的真空度检测存在的技术落后、检测速度慢效率低和短期内不能重复测量的问题，本发明提供了一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，利用500mA的发射电流轰击触头表面，清除触头表面新增的吸附层，获得吸附量为At的表面，与现有技术的利用残余气体分子与清洁触头表面的碰撞来沉积吸附量不同，本发明利用离子流与触头表面的碰撞来增加吸附量。故在同等真空度下，使用本发明测出的发射电流衰减时间比现有技术下的各种测量方法要大2个数量级。且本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法的测量精度、范围、数据重复性都较好，本发明的具体步骤如下所述:
[0026]一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，其步骤如下所述:
[0027]I)在灭弧室内的真空间隙上施加一定的工频电压后，间隙之间产生场致发射电流Je ；
[0028]2)场致发射电流Je对分子吸附量产生离子捕集作用，即场致发射电流中的电子与残余气体分子发生碰撞，产生离子，离子在电场作用下移动形成离子流，离子流撞击触头表面，被表面捕获，导致吸附量由Oci增加到O1 ;
[0029]3)场致发射电流Je产生电子轰击脱附作用，即场致发射电流中的电子轰击触头表面，吸附分子被电子激发或分解而脱附，导致吸附量由O1减少到0(|;
[0030]4)首先使用场致发射电流Je，利用其产生的电子轰击脱附作用，使吸附量由σ I减少到σΟ，然后再使用场致发射电流Je，利用其产生的离子捕集作用，使吸附量由σΟ增加到σ I ;
[0031]5)步骤5中的吸附量的增加将导致触头材料功函数的增加，功函数的增加又引起场致发射电流Je的衰减，真空压强不同，发射电流的衰减速度就不同，公式=Ajy At，其中，AJe为场致发射电流Je的衰减量，At为衰减时间，故在Aje—定时，通过检测发射电流的衰减时间At就可以测量灭弧室内的真空度。
[0032]根据本发明所述的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，其特征在于，所述的步骤2、步骤3和步骤4中的场致发射电流Je对分子吸附量产生离子捕集作用与场致发射电流Je产生电子轰击脱附作用，其区别在于场致发射电流Je的大小，当场致发射电流Je大于等于500 μ A时，其产生电子轰击脱附作用，而当场致发射电流Je小于等于35 μ A时，则产生离子捕集作用。
[0033]本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，它是利用发射电流法轰击触头表面，清除触头表面新增的吸附层，获得吸附量为At的表面。该方法的测量机理与弧后发射电流法的测量机理不一样。弧后发射电流法是利用残余气体分子与清洁触头表面的碰撞来沉积吸附量，发射电流法则是利用离子流与触头表面的碰撞来增加吸附量。故在同等真空度下，使用本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法的发射电流衰减时间比使用弧后发射电流法要大2个数量级，使得其测量精度、范围、数据重复性都比较好。
[0034]使用本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法获得了如下有益效果:
[0035]1.本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法与现有技术下的磁控放电法相比无需施加额外磁场，使得检测效率大大提高；
[0036]2.本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法检测出的发射电流衰减时间比现有技术下的各种测量方法要大2个数量级，使得其检测灵敏度高、效率高；
[0037]3.本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法能重复测量，进一步的提高了真空度检测的真实有效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法的发射电流Je、极间电场El与时间t之间的关系示意图；
[0039]图2为本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法的发射电流测量电路不意图。
[0040]图3为本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法的发射电流的衰减时间At与真空灭弧室真空度P的关系示意图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图和实施例对本发明的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法做进一步的描述。
[0042]一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，其步骤如下所述:
[0043]I)在灭弧室内的真空间隙上施加一定的工频电压后，间隙之间产生场致发射电流Je ；
[0044]2)场致发射电流Je对分子吸附量产生离子捕集作用，即场致发射电流中的电子与残余气体分子发生碰撞，产生离子，离子在电场作用下移动形成离子流，离子流撞击触头表面，被表面捕获，导致吸附量由Oci增加到O1 ;
[0045]3)场致发射电流Je产生电子轰击脱附作用，即场致发射电流中的电子轰击触头表面，吸附分子被电子激发或分解而脱附，导致吸附量由O1减少到0(|;
[0046]4)首先使用场致发射电流Je，利用其产生的电子轰击脱附作用，使吸附量由σ I减少到σΟ，然后再使用场致发射电流Je，利用其产生的离子捕集作用，使吸附量由σΟ增加到σ I ;
[0047]5)步骤5中的吸附量的增加将导致触头材料功函数的增加，功函数的增加又引起场致发射电流Je的衰减，真空压强不同，发射电流的衰减速度就不同，公式=Ajy At，其中，AJe为场致发射电流Je的衰减量，At为衰减时间，故在Aje—定时，通过检测发射电流的衰减时间At就可以测量灭弧室内的真空度。
[0048]根据本发明所述的一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，其特征在于，所述的步骤2、步骤3和步骤4中的场致发射电流Je对分子吸附量产生离子捕集作用与场致发射电流Je产生电子轰击脱附作用，其区别在于场致发射电流Je的大小，当场致发射电流Je大于等于500 μ A时，其产生电子轰击脱附作用，而当场致发射电流Je小于等于35 μ A时，则产生离子捕集作用。
[0049]真空开关的操作机构是多种多样的，但是绝大多数的真空开关在闭合状态下，两触头的压力和超程是由一个压力弹簧提供的。在闭合状态下，若真空开关的超程为δ，在不拆卸灭弧室、不改变机械参数的条件下拉伸该压力弹簧δ +0.8mm就可以获得0.8mm的真空间隙。对于本实施例中使用的ZN22B-12/T1250-31.5型户内高压真空断路器，只要使用一把扳手旋动拉伸器(该拉伸器由一个螺钉、两个螺母、一个中间可穿过螺钉的盖板和两个垫块组合而成)上的螺母就可以将压力弹簧拉伸(4.1+0.8)mm,从而获取0.8mm的真空间隙。考虑到小真空间隙的量测比较困难，在实验中可利用吸附量为Otl时发射电流的起始电压Ui与起始电场Eja 10kV/mm)的比值进行估算。
[0050]实施例1
[0051]如图1所示,在P=10°Pa, d=0.8mm时,首先使用较大场致发射电流Je (以下简称Je)轰击脱附使吸附量减少到σ C1，然后在真空间隙上施加电场E ^ 90kV/cm并保持不变，真空间隙之间就会有13μ A的Je，随着时间的延长，该13 μ A会逐渐衰减，相应地吸附量由
O。逐渐增长。类似地，分别升高并保持E1 ~ 110及140kV/cm, Je从35 μ A开始逐渐衰减。在E1 ~ 170kV/cm后，Je也是从35 μ A开始逐渐衰减,相应地吸附量逐渐逼近σ m。由图1可见，在逼近过程中有一小雪崩发生，此后，再升高E1 ^ 180kV/cm时，就有大雪崩发生，使Je瞬时增加到90 μ Α,随后逐渐衰减，这一过程会循环发生。最后，使用较大Je轰击脱附，除去覆盖于触头表面的新增分子层，使吸附量减少到Qci，然后再施加电场E1 ^ 110kV/cm,触头间仍然会有35 μ A的场致发射电流，并随着时间的延长，该35 μ A又会衰减。故利用发射电流的指数衰减现象可重复性地测量真空度。
[0052]实施例2
[0053]如图2所示,应用所示的电路测量发射电流，d=0.8mm。实验过程为:首先,在动态真空压强Ptl下，通过瞬时增高电场强度除去分子吸附层，再降低施加电压使发射电流为35 μ A有效值，然后测量发射电流从35 μ A衰减到13 μ A的衰减时间Λ t0,从而获得P~At。曲线上的一标定点(Ptl, At0);通过调节进气量得另一稳定气压值P1，再除去吸附层，然后测量发射电流从35 μ A有效值到13 μ A的衰减时间Λ h得另一标定点(P1, Δ 。依此类推，就可获得真空灭弧室P~Atci曲线上的实验点，结合图3中的“▲”所示。将d=0.8mm和 2 个实验点(10_3Pa，103s)、(KT1Pa, IO2s)代入
[0054]Δ tPa=k2/d
[0055]式中:？为真空压强，？8;八七41一、为发射电流衰减时间，8;&，1^2为常数，0〈&〈1，
【权利要求】
1.一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，其步骤如下所述: 1)在灭弧室内的真空间隙上施加一定的工频电压后，间隙之间产生场致发射电流Je; 2)场致发射电流Je对分子吸附量产生离子捕集作用，即场致发射电流中的电子与残余气体分子发生碰撞，产生离子，离子在电场作用下移动形成离子流，离子流撞击触头表面，被表面捕获，导致吸附量由Oci增加到σ1; 3)场致发射电流Je产生电子轰击脱附作用，即场致发射电流中的电子轰击触头表面，吸附分子被电子激发或分解而脱附，导致吸附量由O1减少到0(|; 4)首先使用场致发射电流Je，利用其产生的电子轰击脱附作用，使吸附量由σI减少到σΟ，然后再使用场致发射电流Je，利用其产生的离子捕集作用，使吸附量由σΟ增加到σ I ； 5)步骤4中的吸附量的增加将导致触头材料功函数的增加，功函数的增加又引起场致发射电流Je的衰减，真空压强不同，发射电流的衰减速度就不同，公式=Λ上/ Λ t，其中，Λ上为场致发射电流Je的衰减量，At为衰减时间，故在Aje—定时，通过检测发射电流的衰减时间At就可以测量灭弧室内的真空度。
2.如权利要求1所述一种真空断路器的灭弧室内真空度的检测方法，其特征在于，所述的步骤2、步骤3和步骤4中的场致发射电流Je对分子吸附量产生离子捕集作用与场致发射电流Je产生电子轰击脱附作用，其区别在于场致发射电流Je的大小，当场致发射电流Je大于等于500 μ A时，其产生电子轰击脱附作用，而当场致发射电流Je小于等于35 μ A时，则产生离子捕集作用。
【文档编号】H01H33/668GK103474288SQ201310247565
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】胡欣俊, 杨颖玲 申请人:国家电网公司, 上海市电力公司