耦合電容法真空度檢測(cè)中測(cè)量距離對(duì)場(chǎng)強(qiáng)影響的研究

　　真空斷路器是電器設(shè)備的保護(hù)和控制的重要開(kāi)關(guān)設(shè)備。滅弧室真空度會(huì)隨著真空斷路器運(yùn)行時(shí)間而逐漸降低，影響斷路器正常工作，所以需要精確觀測(cè)其變化情況。耦合電容式作為主要的真空度在線監(jiān)測(cè)方法之一，可以有效地測(cè)得滅弧室真空度變化。然而電場(chǎng)傳感器的插入不可避免的會(huì)影響到滅弧室周邊電場(chǎng)分布，加大真空度檢測(cè)誤差，從而對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成安全隱患。通過(guò)有限元分析軟件ANSYS，對(duì)加入傳感器后不同測(cè)量距離下的滅弧室周邊電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明滅弧室與傳感器安全距離范圍為50-70mm之間時(shí)，對(duì)周邊電場(chǎng)影最小。并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為消除耦合式電容電場(chǎng)傳感器對(duì)真空度檢測(cè)安全隱患，提供了理論依據(jù)。

　　引言

　　真空斷路器由于具有體積小，容量大、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低壓與中壓的諸多領(lǐng)域。真空斷路器滅弧室內(nèi)的真空度由于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等原因而降低，這會(huì)直接影響斷路器開(kāi)端能力和耐壓水平，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成安全隱患，甚至釀成事故[2]。國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)資料表面，真空斷路器的開(kāi)斷與關(guān)合事故比例較高，真空度不足是主要原因，每次真空斷路器事故平均損失電量達(dá)數(shù)百萬(wàn)千瓦時(shí)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)國(guó)家規(guī)定，考慮到斷路器分?jǐn)鄷r(shí)滅弧性能的需要，真空度應(yīng)不高于1.33×10^-2 Pa，才能夠保證真空斷路器安全運(yùn)行。真空滅弧室真空度的檢測(cè)方法分為離線檢測(cè)和在線檢測(cè)兩類。真空斷路器的離線檢測(cè)方法主要包括：觀察法，電弧電壓法，火花計(jì)法，高頻放電法，工頻耐壓法，局部放電檢測(cè)法，X射線法和磁控放電法等。但離線檢測(cè)方法試驗(yàn)復(fù)雜，無(wú)法做到即壞即修，耗費(fèi)人力、財(cái)力和時(shí)間。真空度在線檢測(cè)的主要方法有：光電變換法、局部放電發(fā)[7]、懸浮電極放電間隙法[8]、檢測(cè)自閉力的平衡彈簧與千分表法等。

　　耦合電容法[10]由于具有成本低，靈敏度高，不易受周圍環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)成為目前主要的真空度在線檢測(cè)方法之一。但電場(chǎng)傳感器的插入不可避免的會(huì)影響到滅弧室的電場(chǎng)分布，尤其是在畸變較為嚴(yán)重的感應(yīng)電極附近電場(chǎng)處誤差較大，為電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。若能夠消除耦合電容式電場(chǎng)傳感器對(duì)滅弧室的電場(chǎng)影響，耦合電容式不失為一種有效的真空在線檢測(cè)方法。

　　為了研究耦合電容式傳感器對(duì)滅弧室電場(chǎng)分布的影響，本文通過(guò)使用有限元分析軟件ANSYS，求解時(shí)采用不完全喬列斯基分解共扼梯度法(ICCG法)對(duì)加入傳感器后不同距離下滅弧室周邊電場(chǎng)進(jìn)行分析，提出消除耦合式電容電場(chǎng)傳感器對(duì)真空度檢測(cè)安全隱患的對(duì)策，為斷路器安全運(yùn)行，防止事故重復(fù)發(fā)生起到指導(dǎo)作用。

1、耦合電容法

　　耦合電容法是根據(jù)局部放電測(cè)量原理所提出的一種在線監(jiān)測(cè)方法，如圖1所示為耦合電容法測(cè)量原理和等效電路。帶電觸頭、屏蔽罩、探測(cè)電極分別構(gòu)成了圖1所示的C1、C2分布電容，C2是耦合電容。當(dāng)滅弧室正常工作時(shí)，屏蔽罩上不帶電荷，當(dāng)真空度下降引發(fā)帶電觸頭與屏蔽罩之間的耐壓強(qiáng)度下降。屏蔽罩與電極之間放電會(huì)使滅弧室內(nèi)屏蔽罩帶有一定量的靜電荷。而屏蔽罩和大地之間的工頻電場(chǎng)也隨之發(fā)生變化，當(dāng)工頻電壓升到一定值時(shí)，等值電容Cl被擊穿放電，即圖1(b)中的間隙G被擊穿，這就使得電極電容C2和耦合電容C3構(gòu)成的放電回路中的電荷重新分布，同時(shí)在M端經(jīng)光電變換脈沖輸出一個(gè)脈沖。從而檢測(cè)滅弧室內(nèi)真空度。屏蔽罩的交流電位的有效值與真空度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

　　由于C1和C2均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C3，故而該電極的電位接近于地電位。因此，電場(chǎng)感應(yīng)電極的插入會(huì)影響滅弧室周邊電場(chǎng)分布。

　　可以看出距離20mm到50mm之間，滅弧室周邊場(chǎng)強(qiáng)有明顯下降，之后逐漸趨于平穩(wěn)。通過(guò)距離范圍為50-70mm和無(wú)傳感器的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖相比較，可以看出加入傳感器后滅弧室周邊電場(chǎng)發(fā)生了一定的變化，可知空氣的起始電暈場(chǎng)強(qiáng)為30kV/cm(峰值)，所以認(rèn)為場(chǎng)強(qiáng)在20kV/cm以下時(shí)，即可保證高壓帶電部位不會(huì)出現(xiàn)電暈放電。如果繼續(xù)增大滅弧室與傳感器的距離，真空度測(cè)量將會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此當(dāng)傳感器插入到斷路器時(shí)，保持滅弧室與傳感器的安全距離為50-70mm，可避免產(chǎn)生電暈等現(xiàn)象危害斷路器運(yùn)行，而且仍能夠保證傳感器準(zhǔn)確測(cè)量真空斷路器真空度。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文利用ANSYS軟件對(duì)耦合電容式傳感器在不同位置時(shí)對(duì)滅弧室周邊的電場(chǎng)影響分析，通過(guò)本文的研究工作，可得出如下結(jié)論：

　　(1)有限元法是計(jì)算三維電場(chǎng)的有效方法之一，它對(duì)于參數(shù)復(fù)雜，或者非線性問(wèn)題都能夠清晰展現(xiàn)出計(jì)算區(qū)域中場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律。

　　(2)由ANSYS軟件仿真可知，保持滅弧室與傳感器的安全距離為50-70mm，可避免產(chǎn)生電暈等現(xiàn)象危害斷路器運(yùn)行，而且仍能夠保證傳感器準(zhǔn)確測(cè)量真空斷路器真空度。

　　(3)通過(guò)對(duì)真空斷路器三維電場(chǎng)的計(jì)算與分析，了解了耦合電容式傳感器對(duì)滅弧室真空度檢測(cè)的安全隱患，對(duì)真空度檢測(cè)方法的改進(jìn)提供了理論依據(jù)，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

　　由于篇幅有限，將來(lái)可通過(guò)對(duì)滅弧室與傳感器距離產(chǎn)生電場(chǎng)誤差的線性或非線性的規(guī)律，進(jìn)行自適應(yīng)的濾除干擾的研究，對(duì)滅弧性能有進(jìn)一步了解。