真空開關(guān)交流耐壓與真空度試驗意義
本文分析了真空開關(guān)交流耐壓試驗和真空度測量的區(qū)別和聯(lián)系，二者要結(jié)合起來，互相補充，才能及早發(fā)現(xiàn)開關(guān)真空度泄漏的缺陷，防止開關(guān)爆炸事故。
引言
近年來，隨著科技的發(fā)展，真空斷路器在電力系統(tǒng)廣泛應用，其滅弧和開斷電流優(yōu)越性比油開關(guān)強許多，運行較穩(wěn)定，維護工作量很小，但真空斷路器的核心部件是真空滅弧室(真空泡)，真空斷路器在運行過程中其真空滅弧室會有不同程度的泄漏，有的甚至在預期使用壽命范圍內(nèi)就可能泄漏到無法正常工作的地步，在這種情況下進行操作就會造成嚴重的后果，真空斷路器事故大多是由此原因引起。所以定期檢測真空滅弧室的好壞成了一項十分重要的工作。
1、真空度與交流耐壓
1.1、真空滅弧室基本結(jié)構(gòu)和原理
真空斷路器的滅弧室每一只為不可拆卸的整體，動、靜觸頭分別焊在動、靜導電桿上。靜導電桿焊在上法蘭盤上，動導電桿上焊一波紋管在導向套內(nèi)運行。波紋管及導向套焊在下法蘭盤上，由瓷柱支撐的金屬圓筒屏罩在動靜觸頭外面，再與玻璃外殼形成密封的腔體。該腔體經(jīng)過抽真空，真空度一般在10-6 Pa以上。當合、分閘操作時，動導電桿上下波動，波紋管被壓縮或拉伸，使真空滅弧室內(nèi)的真空度得到保持。在真空中由于氣體分子的平均自由行程很大，氣體不容量產(chǎn)生游離，真空的絕緣強度比大氣的絕緣強度要高得多。當開關(guān)分閘時，觸頭間產(chǎn)生電弧，觸頭表面在高溫下?lián)]發(fā)出金屬蒸氣，由于觸頭設計為特殊形狀，在電流通過產(chǎn)生磁場，電弧在此磁場力的作用下沿觸頭表面切線方向快速運動，在金屬圓筒(即屏蔽罩)上凝結(jié)了部分金屬蒸氣，電弧在自然過零時就熄滅了，觸頭間的介質(zhì)強度又迅速恢復起來
1.2、真空滅弧室為什麼要測真空度?
滅弧室的壽命包括電壽命、機械壽命、真空壽命。其中電壽命是指電絕緣強度，觸頭容許的磨損厚度，觸頭多次分段生成金屬蒸氣，附在滅弧罩上，不過現(xiàn)在銅觸頭材料，性能非常好，抗磨損能力很強。機械壽命壽命是指波紋管的壽命10000—20000次。真空壽命國標規(guī)定：1.33×10-3Pa，實際生產(chǎn)中按1.0×10-4 Pa出廠，當真空度降到6.6×10-2 Pa就已經(jīng)不能運行。
1.2.1、材料放氣(慢漏氣、滲漏氣)在真空壽命使用過程中是一個人為不可控制的自然現(xiàn)象。
1.2.2、真空只是一個相對的概念，絕對的真空是作不到的。
1.2.3、獲得一個真空很容易，維持它的真空卻很難。因此必須測量真空度判斷真空泡的使用壽命和安全度。
1.3、交流耐壓與真空之間的關(guān)系
1.3.1、潘寧放電在1×10-1至1×10-4Pa范圍內(nèi)有一個好的線性關(guān)系。
1.3.2、工頻耐壓在真空度低于1×10-1Pa時有效，真空度高于1×10-1Pa時無效。大氣絕緣較好但在斷開時不能熄弧。
1.3.3、目前，檢查真空泡是否漏氣的方法是工頻耐壓法，但很多事例證明，工頻耐壓通過的真空泡并不等于不漏氣，最有效的方法還是檢測真空度。真空度下降至1×103 Pa，還能經(jīng)受起42kV1min的斷口耐壓試驗，可知當真空開關(guān)耐壓試驗不能通過42kV，1min的斷口耐壓試驗時，漏氣已相當嚴重，而能夠經(jīng)受起42kV，1min斷口耐壓試驗的真空泡，不能證明真空泡沒有漏氣。檢測真空度能更準確地反映真空泡的運行狀況。真空度的大小直接影響真空開關(guān)滅弧性能的好壞，真空度下降會給真空開關(guān)的運行造成不良后果。
2、現(xiàn)場檢測真空滅弧室的方法
現(xiàn)場檢測真空滅弧室常用的方法是工頻耐壓法，隨著測試技術(shù)的發(fā)展，真空度測試法也在現(xiàn)場逐漸得到廣泛運用。
2.1、工頻耐壓法
工頻耐壓法是使真空斷路器處于開斷狀態(tài)下，在動、靜觸頭之間施加一定的工頻電壓(電壓值按廠家技術(shù)標準，一般10kV等級加42kV)，檢測泄漏電流的大小及觀察滅弧室內(nèi)的放電現(xiàn)象，真空滅弧室內(nèi)部不應有持續(xù)的放電現(xiàn)象，否則應更換真空滅弧室，工頻耐壓法實際上是判斷真空滅弧室真空度是否符合要求的一種間接方法。如果真空滅弧室有泄漏，真空滅弧室內(nèi)氣體壓力升高到一定程度，觸頭間比較短的間隙就不能承受試驗電壓，甚至在升壓過程中就會出現(xiàn)放電擊穿現(xiàn)象。工頻耐壓法的優(yōu)點是原理簡單操作方便，能定性地檢測真空滅弧室的好壞。交接試驗時要注意，作工頻耐壓前要把真空斷路器觸頭機械行程調(diào)整為要求值后再加壓試驗。
2.2、真空度測試法
將滅弧室兩觸頭拉開一定的開距，施加脈沖高壓，將電磁線圈繞于滅弧室外側(cè)，向線圈通以大電流，從而在滅弧室內(nèi)產(chǎn)生與高壓同步的脈沖磁場，這樣在脈沖磁場的作用下，滅弧室中的電子作螺旋運動，并與殘余氣體分子發(fā)生碰撞電離，所產(chǎn)生的離子電流與殘余氣體密度即真空近似成比例關(guān)系。對于直徑不同的真空管，同等真空度條件下，離子電流的大小也不相同，當測知離子電流后，通過離子電流──真空度曲線，由計算機自動完成真空度的計算，顯示真空度值。
真空度測試法直接測試真空滅弧室的真空度(此文中真空度表示的其實是滅弧室內(nèi)氣體的絕對壓力，以Pa為單位，與一般的真空度含義不同)來判斷真空滅弧室的好壞�，F(xiàn)場使用的真空度測試儀大多為免拆卸型產(chǎn)品，儀器采用了先進的同步脈沖磁控放電及單片機技術(shù)。簡要機理如下：稀薄氣體分子被強電場激發(fā)出來的電子碰撞而發(fā)生電離，從而形成較大的可測量的離子電流。由于該離子電流與真空度的對數(shù)值基本成線性關(guān)系，只要測量離子電流就可以得到真空度值。加磁場的目的在于加長電子的行程增加與氣體分子的碰撞機率，增大離子電流，從而降低對外加電場的強度要求。離子電流的測量范圍與測量值與外加電場、磁場強度以及觸頭開距都有關(guān)系，但主要取決于外加電場和磁場的強度以及磁場的方向。要注意的是，真空斷路器在施加電場和磁場的情況下，存在吸氣和放氣效應，為了準確測量，往往采用同步施加脈沖磁場和電場的方法，這就是脈沖磁控放電法的基本原理。
2.3、真空滅弧室真空度的標準
真空滅弧室的性能對真空斷路器的安全運行有重要影響，而真空度又是真空滅弧室的關(guān)鍵參數(shù)，對此有關(guān)規(guī)程標準都作出明確要求。行業(yè)標準《10~35kV戶內(nèi)高壓真空斷路器訂貨技術(shù)條件(DL403-91)》規(guī)定，真空斷路器滅弧室在有效期15～20年末，真空滅弧室真空度不得大于6.6×10-2Pa[l]行業(yè)標準《3.6~405KV戶內(nèi)交流高壓真空斷路器(JB3855-1996)》規(guī)定，用于裝配真空斷路器的真空滅弧室內(nèi)的氣體壓力應低于1.33×10-3Pa。
3、工頻耐壓法及真空度測試法對于判別真空開關(guān)性能作用的分析
3.1、耐壓和真空度測試對于真空滅弧室漏氣故障的靈敏度
真空滅弧室漏氣的故障可分為兩種類型，一種為“硬故障”即外殼破裂、波紋管破損而進氣，使滅弧室失去真空度，與周圍大氣相通;另一種為“軟故障”即滅弧室并未與大氣相通，而是由于制造工藝、運輸、安裝及使用維護等原因，使滅弧室內(nèi)的氣體壓力高于允許值，滅弧室不能滿足正常開斷容量，存在潛伏性故障。傳統(tǒng)的檢測方法一工頻耐壓法，對真空滅弧室的“硬故障”比較有效，能定性的區(qū)分真空滅弧室的好壞;但對“軟故障”就無能為力。因為當真空度在1×104 Pa～1×10-3 Pa之間時，工頻耐壓試驗都能通過，不能分辨出其中的差別，真空度測試儀可以對1×10-1 pa～1×10-5 pa范圍內(nèi)的真空度進行準確測量掌握滅弧室真空度的變化情況，了解真空滅弧室的泄漏發(fā)展情況，使得對真空滅弧室的檢測從定性上升到定量階段，并且可以根據(jù)一定間隔時期內(nèi)真空度的變化情況推算出真空滅弧室的使用壽命，這對保障真空斷路器運行的可靠性提供了一種技術(shù)手段。例如某電廠同一批10KV真空斷路器，絕大多數(shù)真空滅弧室真空度壓力低于6.60×10-4 pa，但有一只真空度壓力為3.12×10-3 pa，雖然也在合格范圍內(nèi)，工頻耐壓試驗也通過，但與同類滅弧室相比較，其真空度差一些，對這類型真空滅弧室應作重點監(jiān)測，掌握其真空度的變換趨勢。
3.2、在真空度的不同區(qū)間耐壓試驗與真空度試驗的區(qū)別和有效性
真空度測試儀受測試范圍限制(1×10-1pa～1×10-5Pa)，超出測試范圍，真空度測試儀所依賴的離子電流與殘余氣體密度即真空度近似成比例的關(guān)系有所變化，不能保證測試結(jié)果的準確性。特別是對于全漏(與大氣相通)的“硬故障”，測試值剛好與真空度良好時的數(shù)值接近，容易引起錯誤判斷。其原因可以用氣體碰撞理論及儀器測試真空度的原理來解釋：真空滅弧室氣體壓力增大，也可以同氣體壓力很小時一樣在滅弧室斷口間只流過很小的離子電流，因為氣體壓力大時，氣體密度變大，電子的平均自由行程減小，這時雖然碰撞次數(shù)增多，但由于電子積累的動能較小引起氣體分子電離的可能性反而降低，這就導致真空度測試儀錯誤的指示為真空度較好(壓力小)，測試真空度前，我們不能準確判斷滅弧室真空度是否在測試范圍內(nèi)，也就不能保證真空度測試儀所測真空度的準確性，因此在現(xiàn)場真空滅弧室檢測工作中不能省掉工頻耐壓試驗。如果真空滅弧室通過工頻耐壓試驗，可以保證真空滅弧室的真空度在真空度測試儀的測試范圍之內(nèi)，再進行真空度測試，就能保證真空度測試的準確性�？傊婵斩葴y試和工頻耐壓試驗，兩種方法應互相補充才能對真空滅弧室作出準確診斷�，F(xiàn)場工作中我們曾經(jīng)遇到三起真空滅弧室有缺陷但真空度測試良好的例子:如：滅弧室玻璃罩己破碎，但真空度測試值卻正常，當?shù)睾０?700m，大氣壓8.4×104pa;滅弧室斷口間電壓加至10KV時擊穿，真空度測試值正常;滅弧室斷口間絕緣僅2MΩ，斷口間剛剛升壓，電流激增，真空度測試值正常�？梢妰H僅由真空度測試來判斷真空滅弧室的好壞是不可靠的。
結(jié)束語
(1)真空度測試的開展，使我們對真空滅弧室的檢測從定性上升到定量階段，能掌握真空滅弧室泄漏發(fā)展變化情況，并能估算其使用壽命。對手車式真空斷路器，測試較方便，對固定柜式真空斷路器，測試不是很方便。
(2)真空度測試不能取代傳統(tǒng)的工頻耐壓試驗。真空度測試由于受測試范圍限制(1×10-1Pa×104Pa)，必須配合工頻耐壓試驗才能對真空滅弧室作出準確的診斷。
(3)測試前應先仔細檢查真空滅弧室外觀，如有破損不必做其他試驗，應立即更換;真空度測試雖良好但工頻耐壓沒通過的滅弧室必須更換;工頻耐壓通過但真空度不合格的滅弧室也必須更換:耐壓通過，真空度合格，但真空度下降較快的要加強檢測。
