真空灭弧室真空度测量和校验方法的探讨

王会友 何维娜 李文艺 王晓琴 孙淑萍

摘要：本文从真空灭弧室真空度测量的意义入手，介绍了真空度离线和在线测量的技术现状和成果，并侧重分析了脉冲磁控放电法存在的问题和基于该原理制造的真空度测试仪的校验方法，最后探讨了真空度测量技术的发展方向。

关键词：真空灭弧室;真空度测量;校验;脉冲磁控放电法

引言

真空灭弧室是利用真空优异的灭弧和绝缘性能来实现通断主回路的目的。由于长期的扩散，焊缝中微小的缺陷及外部环境对焊缝的侵蚀，波纹管疲劳引起的泄漏或者灭弧室内吸气材料活性丧失等原因，会使真空灭弧室内的压强升高，从而影响其绝缘性能和开断能力，严重时将导致其开断完全失效。据统计，真空开关的关合和开断故障中90%以上是由真空灭弧室的真空度劣化引起的[1]。

1.真空灭弧室真空度离线测量技术

真空度离线测量技术有脉冲磁控放电、工频耐压法、观察法、高频电流法等[2]，其中脉冲磁控放电法是目前唯一可较好定量测量真空度的方法，具有较好的重复性和较高的测量精度。

1.1 脉冲磁控放电法

脉冲磁控放电法的研究最早可追溯至1962年，J.R Lucek等人首先提出了利用磁控放电法进行真空度的检测，并且申请了美国专利[3];随后，德国西门子的W Kuhl 等人对该方法进行了改进，并发明了专门用于真空灭弧室内部压力检测的装置[4];日本的服部惠积、M Okawa等人也研制出了类似的用于真空灭弧室真空度检测的仪器[5]。国内的上海思源电气，上海交通大学，西安博能电力公司等研制出了基于磁控放电原理的真空度测试仪。

但是，目前基于脉冲磁控法的真空度测试仪存在以下两个方面的问题：

1）磁场不稳定，线圈发热问题严重，不能长时间连续运行，这对真空灭弧室生产厂家来说是不可接受的。

2）该方法直接获取的数值是离子电流值，而不是实际的压强值。

因此，要获得高精度的真空度测量结果，必须针对特定的灭弧室结构，采用高精度标定平台和标定方法，得到电离电流值与压强值之间的实际关系曲线。

1.2脉冲磁控放电法真空度测试仪的校验方法

通过管路和法兰将真空泵、机械泵、真空池、真空灭弧室连接成一个等压强的密闭系统，由真空泵和机械泵使该系统达到额定的真空状态;调节放气针阀来改变系统的真空度，通过焊接在灭弧室上的离子规管获得压强值的变化，由磁控放电原理的真空度测试仪来获得灭弧室的电离电流值;将两者对应起来即可获得离子电流与压强的关系曲线，

但是，对于真空度-离子电流关系曲线的建立，由于磁控放电不仅会将灭弧室内部气体分子电离，同时在电场的作用下，触头表面吸附的气体及表面附着的微粒也会释放;另外，测量时的环境湿度及所测灭弧室的表面状况;这些都会影响离子流的准确测量。所以要想获得正确的真空度-离子电流关系曲线，就要排除这些干扰带来的误差。

2.真空灭弧室真空度在线测量技术

随着电力系统的不断发展和对供电可靠性的要求日益提高，电力用户对真空度在线检测的需求也变的更加迫切。实现真空度的在线测量一方面可以实现电网运行的智能化，另一方面可以实时监测开关的状态避免事故的发生。

目前，真空灭弧室真空度在线检测的方法有电光变化法、耦合电容法和电声发射法等新技术[6]。对真空开关而言，真空度在线检测意味着要在不改动开关的主体结构并且带电的前提下，检测真空度的变化。这就要求测试元件能承受高电压、强电场、操作时的冲击与振动、工作的环境温度以及操作过程中产生的强电磁场干扰等，此外还要求测试元件的接入不能影响真空开关的各项性能指标。根据目前的研究结果，电光变换法在实验室效果良好，但在现场受温度的影响，稳定性较差，不能准确的定量测量真空度。耦合电容法的灵敏度较差，还不具备实用的条件。

综合以上分析，目前的真空度在线测量技术都还存在各种各样的问题，不具备应用的条件，需要对所面临的基础原理进行更深入的研究，以获取更加可靠的理论模型。

3.结语

随着电网发展的要求，智能化、长寿命、高可靠性正成为各类开关的发展趋势，对于真空开关来说获得高精度的真空度是保证高可靠性的前提，实现真空度的在线检测是提升电网运行可靠性的重要手段之一。真空测量技术正在朝着高精度、在线检测的方向发展。

综合以上分析，若要实现真空灭弧室真空度在出厂前的高精度测量和使用过程中的在线化测量需要从以下方面进行研究：

3.1实现真空度离线测量的高精度，一方面是优化磁控线圈或永磁铁的结构设计，使磁场分布更加合理，尽可能保证磁场方向与电子运动方向是垂直相交的;另一方面是研究提高校准系统的极限真空度、降低真空度波动范围的方法，实现对电离电流值与压强的高精度标定。

3.2真空度在线检测技术研究方面，要分析比较现有在线检测技术的特点及优劣;研究并重新设计放电规管，并设计与其相配合的高压产生及放电控制电路，实现放电电流的在线测量和真空度的计算。

参考文献：

[1]毛慧勇.真空开关真空度在线监测研究[D].北京交通大学，2007.

[2]杨清华，陈仕修，沈远茂，真空灭弧室真空度检测技术的现状和方法[J].电工技术杂志，2003（5）：16-18

[3]John R.Lucek et al. Apparatus and method for measuring the pressure inside a vacuum circuit interrupter. US-Patent，No.3263162 dated 20.4.1962

[4]Wilfried Kuhl， Klemens Wiehl. Device for Measuring the internal pressure of vacuum interrupters. Siemens ReviewXLV （1978） No.2：78～89

[5]M.Okawa， T.Tsutsumi， T.Aiyoshi. Reliability and field experience of vacuum interrupters. IEEE Trans. on PWRD-2， No.3， July 1987： 799～804

[6]高中强，真空断路器真空度在线检测的研究[D].华北电力大学，2013.