真空斷路器滅弧室內(nèi)真空度與介電常數(shù)聯(lián)系機(jī)理研究

真空斷路器是中壓配電開關(guān)中的核心類型，真空滅弧室的真空度是影響其運(yùn)行質(zhì)量和壽命的重要因素。伴隨著國家智能電網(wǎng)和基于可靠性檢修體制的不斷發(fā)展，在線監(jiān)測滅弧室真空度成為智能斷路器的新要求?；隈詈想娙莘ǖ恼婵斩仍诰€監(jiān)測方法是目前較為普遍使用的一種監(jiān)測方法，利用耦合電容傳感器探測滅弧室屏蔽罩電位Uc的變化實(shí)現(xiàn)，而感應(yīng)電位Uc與滅弧室氣壓下滅弧介質(zhì)的介電常數(shù)εr密切相關(guān)。本文對滅弧室氣壓值P(真空度)和εr的關(guān)系進(jìn)行研究，并推導(dǎo)了干空氣條件下P 和εr的關(guān)系公式，為進(jìn)一步分析真滅弧室真空度P 和屏蔽罩電位Uc 聯(lián)系機(jī)理提供了研究基礎(chǔ)，希望在理論上為進(jìn)一步提高耦合電容傳感器實(shí)用技術(shù)作支持。

研究背景

真空斷路器近三十年來在我國中壓開關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍日漸增大。并具有體小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在中壓配電領(lǐng)域開關(guān)中占有主導(dǎo)地位。而一旦真空斷路器發(fā)生故障極易引起十分嚴(yán)重的后果，不僅會引起自身設(shè)備損壞，更有可能引發(fā)大規(guī)模電網(wǎng)故障。真空斷路器的故障往往是由于真空度降低所致，根據(jù)國家規(guī)定，真空滅弧室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)應(yīng)低于1.33×10^-2 Pa。由于真空滅弧室存在緩慢漏氣現(xiàn)象，真空度會隨著使用時間的延長呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一臨界閾值時，就會引發(fā)**危險隱患。智能電網(wǎng)對真空度監(jiān)測的要求逐漸提高，建議使用中的真空斷路器采用實(shí)時監(jiān)測，特別是對于35 kV、72.5 kV 及以上電壓等級的真空斷路器采用在線監(jiān)測手段及時掌握滅弧室真空度狀況更具實(shí)用價值和意義。

根據(jù)動態(tài)電荷分布和電容分壓原理構(gòu)建的耦合電容法具有探頭結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便，抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用于實(shí)際檢測的過程，往往需要先在實(shí)驗(yàn)室條件下標(biāo)定某特定型號真空斷路器的耦合電容傳感器輸出電位的變化趨勢與其滅弧室真空度值相對應(yīng)的關(guān)系曲線，再將該標(biāo)定曲線應(yīng)用于實(shí)際檢測。此過程只能定性的利用真空度變化對屏蔽罩電位產(chǎn)生的影響，并且真空度劣化極限對應(yīng)屏蔽罩電位的閾值需依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。為理清真空度與屏蔽罩電位的理論關(guān)系，使耦合電容法的實(shí)際應(yīng)用過程不盲目。本文從電介質(zhì)理論著力，通過介電常數(shù)的引入，希望能夠?qū)⑵帘握蛛娢浑S真空度的變化過程加以解釋。

此外，以屏蔽罩電位為監(jiān)測基礎(chǔ)的滅弧室真空度的在線監(jiān)測方法有許多，如：耦合電容法、旋轉(zhuǎn)式電場探頭檢測法、光電變換法、比例差分探頭檢測法等。屏蔽罩電位成分分析的意義顯得更加重要。真空斷路器實(shí)際運(yùn)行時，屏蔽罩上的電位成分較為復(fù)雜，既有直流分量又有交流分量。以下是前人通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的真空度降低所導(dǎo)致的屏蔽罩電位的變化規(guī)律。

理論上，當(dāng)真空滅弧室內(nèi)真空度正常時，僅需幾百伏的電壓就可維持帶電觸頭與中間屏蔽罩之間由場致發(fā)射引起的電子電流，屏蔽罩積累的負(fù)電荷使其負(fù)電位幾乎達(dá)到電極電壓峰值;當(dāng)滅弧室內(nèi)真空度劣化時，其氣體密度變大，場致發(fā)射的電子被氣體分子吸附后成為負(fù)離子，而負(fù)離子質(zhì)量大，漂移速度慢，使得上述電子電流減小，屏蔽罩上由場致發(fā)射導(dǎo)致的電位降低。此外當(dāng)真空滅弧室的運(yùn)行電壓和內(nèi)部真空度處在正常范圍時，滅弧室的屏蔽罩上不帶有靜電荷;當(dāng)真空度下降導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低時，觸頭與屏蔽罩之間會發(fā)生局部放電，使滅弧室的屏蔽罩上帶有一定量的靜電荷而形成直流電位。文獻(xiàn)得到的結(jié)論認(rèn)為：真空度下降到一定值時屏蔽罩上形成的交流電位幅值會發(fā)生變化，同時屏蔽罩上還會有直流電位生成。兩種電位的變化都是由于在真空度下降時金屬導(dǎo)桿和觸頭電極與屏蔽罩之間出現(xiàn)的湯森放電所導(dǎo)致，并且電位變化時對應(yīng)的真空度相同。

本文就宏觀電介質(zhì)理論中影響電氣絕緣材料性能的*主要參數(shù)相對介電常數(shù)進(jìn)行討論，并將討論結(jié)果應(yīng)用于電磁場數(shù)值計(jì)算。其中，感應(yīng)電位的求解分析，對真空度在線監(jiān)測理論的深入探討有著十分重要的意義，深入探索滅弧室內(nèi)真空度與屏蔽罩上感應(yīng)電位的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)理是本文的研究重點(diǎn)，該問題的解決不僅能夠?yàn)轳詈想娙莘ㄌ峁├碚撘罁?jù)，更能為諸多通過監(jiān)測屏蔽罩上的感應(yīng)電位實(shí)現(xiàn)真空斷路器滅弧室真空度在線監(jiān)測的方法提供理據(jù)上的理論支持。