国内真空断路器真空度在线监测的应用现状

张举海 李文生

（1.中煤国际工程集团重庆设计研究院，重庆 400016；2.四川省电力设计院，成都 610000）

1 引言

真空断路器的常见故障包括机械故障和电气故障。电气故障中的真空灭弧室真空度下降是真空断路器运行中威胁电网安全的一个主要因素。为了保障真空灭弧室的可靠运行，国内外科研人员做了多方面的工作，但是作为一个机械性的机构，在灭弧室慢性漏气方面仍然没有得到根本性的解决。

电力企业均按电气设备预防性试验要求，进行定期停电进行检测和检修，对真空灭弧室的真空度进行测量。但由于预防性试验周期时间间隔较长，在检修间隔时发生的真空下降是不易被发现的；且检修时需要断路器退出运行，其检测条件与运行状态相差较大，难以对运行时的真空度状态做出正确判断。因此，在断路器运行时监测灭弧室的真空状态，是保障真空断路器安全运行的可靠措施。

国内外许多专家学者提出了多种断路器真空度在线的理论，但能形成产品并应用于工程大量推广使用的却很少有。四川英特莱电气公司研发出了VM 型真空断路器在线监测装置，通过了相关试验验证，成功应用在电网、石化、冶金、铁路、煤矿等领域。

2 真空灭弧室在线监测的方法

2.1 利用磁控放电方法（离线检测）

磁控放电法测试真空灭弧室的真空度是目前被公认的准确度较高的一种离线检测方法，但该方法需要真空断路器处于分闸状态，并需在灭弧室上施加同步的磁场与高压电场脉冲，试验方法较为复杂，故无法将其用于真空灭弧室真空度的在线检测。

2.2 灭弧室静触头端安装真空传感器法

真空灭弧室在制造过程中，在静触头端安装了真空传感器，利用真空传感器来测量真空灭弧室内的真空度。但是这套在线监测系统必须使用特殊的、安装有真空传感器的真空灭弧室，因此必须是掌握了此项技术的真空灭弧室制造厂家才可能实现此功能。且其成本较高，在实际中使用较少，对于已经使用了真空开关的用户更是不可能实现。

2.3 局部放电法、耦合电容法、光电变换法

局部放电法监测方式为接收高频脉冲信号，通过对高频脉冲信号的处理来判别真空状态。耦合电容法是通过对比屏蔽罩电平与基准电平的变化来判别真空状态。光电变换法是通过检测光传感器在不同电场中光学性能的变化来判别真空状态的，因为接收的是高频信号，所以不受安装位置、灭弧室尺寸、系统电压等的影响。

耦合电容法因为要对屏蔽罩电平与基准电平进行比较，它的传感器在不同的位置时，其感应到的屏蔽罩电平不同，而且在系统电压和灭弧室尺寸变化时，传感器感应的屏蔽罩电平也不同，所以它受安装位置、灭弧室尺寸、系统电压的影响较大，在工程应用中难以应用。

光电变换法采用光纤传输信号，其抗干扰性较好。但是因为光传感器感应的电场变化与传感器的安装位置、系统电压的影响，使它具有与耦合电容法一样的缺点，而且它使用了光电、电光转换元件，所以造价较高。

2.4 VM型断路器真空度在线监测装置原理

基于局部放电法与帕邢法则的工作原理如下所述。

放电电压的相似法则是在 1889年由德国实验物理学家帕邢首次在实验中明确的法则，它的定义是“气体在均匀电场中的放电电压为此气体的压力p和间隙距离d乘积的函数”，即某气体在均匀电场中的放电电压，可通过改变压力、间隙距离来求取得，用公式表示即为Vs=f(pd)。

在内部气体压力开始变化时这种变化不是很明显，但到一定值时电场变化变得十分明显， 然后又趋于缓和。 因此利用这一曲线可以较好地通过放电压力判断内部气体压力的变化趋势，进而完成对真空状态的监测功能。

电压等级与气体压力有关，即电压等级越高，初始放电的气体压力越小。12kV的真空断路器在气体压力约为5～10Pa，能产生明显的可识别放电信号。

电力系统的运行环境是一种异常复杂的电磁环境，尤其是在高压系统开关柜中表现得更为严酷，它包括了磁场，电场，电弧干扰及电火花干扰。硬件上采取屏蔽、隔离及合适频带等措施避开干扰。经试验研究表明，放电造成的高频脉冲主要集中在一段频带范围内。通过高通滤波和低通滤波的组合，可提取5～70kHz之间的信号。

真空泄漏是一个持续的过程。真空泄漏时的放电信号和其他干扰信号相比具有次数频繁、持续时间长的特点，在软件上通过一个周期内至少有一个高频脉冲和高频脉冲持续一定延时的方式避开干扰。

VM 型产品包括接收高频脉冲信号的天线传感器、传输信号的屏蔽电缆、对信号进行判别并输出告警的装置组成。当灭弧室真空度正常时，受系统电压的影响，屏蔽罩积累的电荷使得屏蔽罩上的电位较高，最高可接近系统电压的峰值，且比较稳定；当真空度降低时，灭弧室内的气体密度变大，引起绝缘特性下降，导致屏蔽罩电位下降，引起周边电场强度发生变化；在触头边缘形成电晕，产生高频脉冲。因为接收的是高频信号，所以不受安装位置、灭弧室尺寸、系统电压等的影响，在工程应用中比较容易实现。

3 安装成果对该现状和技术发展的作用

在装设VM型断路器真空度在线监测设备后，将对真空断路器内部真空度进行实时监控，杜绝了由于断路器真空度下降而导致的设备损坏和停电事故。同时，该型号真空度在线监视设备体积小巧，无需改变真空断路器的结构，信号接收天线不受安装位置的影响。

由于是实时在线监测，故可以省去传统的定期停电检测真空断路器真空度试验，延长设备的维修保养周期，减少维修保养费用，提高设备的利用率。

4 安装实施

4.1 装置安装

真空断路器在线监测装置安装在开关柜二次室内，考虑到不影响开关柜内其他装置正常工作的因素，装置电源取用照明回路交流电源。装置信号出口接在开关柜内空端子上，由远动人员进行上送后台的处理与定义。装置均可靠接地。

4.2 天线传感器安装

天线传感器安装在真空断路器附近，借助断路器自身的安装孔固定天线传感器，不需要对真空断路器进行改动，实现起来比较方便。天线传感器与真空灭弧室距离在安全距离之外，故天线传感器的安装不影响真空断路器的绝缘性能。

5 结论

在电力系统中开展真空断路器真空度在线监测，减少了设备的检修周期和运行维护人员的工作量，保障了电力系统的安全运行。

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