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      高壓真空斷路器真空度與電場電位關系研究發布時間:2019-12-04 16:55:45?|?來源:浙江誠高高壓電氣有限公司

      基于屏蔽罩電位測量真空度的方法,是高壓真空斷路器真空度在線檢測方法中的一個主要研究方向。但是,目前還沒有一個基于本方法的實用高真空度測量系統。為了進一步探究斷路器屏蔽罩電位與真空度間的關系,本文借助于由克-莫方程建立的相對介電常數-壓強間的關系,通過有限元分析工具對不同壓強下的真空斷路器進行二維電場分析。結果表明,屏蔽罩電位與真空度具有一定的對應關系,并可以通過真空斷路器外電場電位的測量來反應;真空斷路器外電場電位在壓強小于10-2 Pa 時的變化十分微弱,而在大于10-2 Pa 時電位有較明顯的變化。并通過實驗室模擬測量實驗,進一步驗證了該結果的正確性。本文的分析結果給出了真空斷路器外電場電位隨真空度變化的規律,對基于屏蔽罩電位法在線測量真空斷路器真空度具有一定的指導意義。

       高壓真空斷路器是一種借助真空的良好熄弧性能來實現大電流開斷的開關裝置。與傳統的空氣開關、油開關相比,真空斷路器有開斷可靠、故障率低、維護量少、結構緊湊等優點,這使它逐漸在輸配電系統中,特別是在中壓領域得到了廣泛的運用。

        作為一種以真空為熄弧環境的開關,高壓真空斷路器內真空度的高低是其重要的一個參數。然而,由于內部組件放氣、密封口漏氣以及密封組件滲氣的存在,運行中的高壓真空斷路器內部真空度會隨著工作時間的推移而下降。當真空度下降到一定程度時,其開斷性能就會得不到保證,這不僅會造成本身設備的損壞,還可能引起整個電網的故障。因此,對高壓真空斷路器真空度的檢測顯得很有必要。真空斷路器真空度的檢測方法分為離線檢測與在線檢測。在線檢測憑借其操作簡單,工作量少,實時性好等優點受到了人們的青睞。

        目前常用的在線檢測方法有耦合電容法、光電變換法、旋轉式探頭法、比例差分探頭法和電磁波檢測法,其中耦合電容法、光電變換法和旋轉式探頭法均是基于屏蔽罩電位的真空度在線檢測方法,所以對真空斷路器屏蔽罩電位的研究成為了真空斷路器真空度檢測研究中的一個熱點。文獻通過搭建實驗系統對不同壓強下的屏蔽罩電位進行了測量,得出了滅弧室內部壓強大于0.1 Pa 時與屏蔽罩上交直流電位的對應關系。文獻通過物理數學模型建立了真空滅弧室內氣體壓強與相對介電常數間的關系,對滅弧室真空度和相對介電常數的關系進行了研究,得出了兩者之間的對應關系,認為這為進一步分析真空滅弧室真空度和屏蔽罩電位聯系機理提供了新思路。

        為了進一步探索高真空度下,滅弧室真空度與屏蔽罩電位及周圍電場間的關系,本文借助于有限元分析軟件ANSYS對不同壓強下的真空斷路器滅弧室屏蔽罩及其周圍電場進行仿真分析,并通過模擬滅弧室真空測量實驗對分析結果進行驗證,借此探索出真空斷路器滅弧室內真空度與滅弧室外電場電位間的對應關系,為實現真空斷路器高真空度在線監測和狀態評估提供參考。

      1、高壓真空斷路器理論基礎:

        ANSYS 靜電分析以泊松方程為理論基礎,結合電荷或電壓等加載條件求解出分析對象的電場和電勢分布。泊松方程如式(1) 所示,φ、ρe和εr分別為靜電場電位函數、電荷密度和相對介電常數。

      高壓真空斷路器

      高壓真空斷路器真空度與電場電位關系研究

        在ANSYS 靜電分析中ρe和εr是分析過程中兩個關鍵參數,分別代表著加載和材料屬性。在仿真中,通過對滅弧室內真空區域屬性的設置來模擬不同的真空度條件,即通過改變εr來模擬不同真空度狀態。

        然而通常真空度的高低是以壓強大小來描述的,為實現相對介電常數對真空度的表示必須先建立介電常數與壓強之間的關系。下面借助克勞休斯-莫索締方程和理想氣體氣態方程來建立εr-p 關系。

      高壓真空斷路器2

      高壓真空斷路器真空度與電場電位關系研究

        

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      式(2) 為克勞休斯-莫索締方程,其中NA為阿伏伽德羅常數,α0為空氣分子極化率,ρ 和M 分別為空氣密度和摩爾質量。對于確定的氣體電介質,α0和M 可以看做常數。因此,可以令真空斷路器真空度與電場電位關系研究并做整理,得到相對介電常數與空氣密度間的關系。

      2、高壓真空斷路器模擬測量實驗:

        為進一步探究滅弧室真空度與電場電位間的關系,搭建了一套真空滅弧室真空度在線檢測模擬測量實驗,其實驗系統如圖5 所示。其中,渦輪分子泵(主泵) 與隔膜泵(前級泵) 組成泵組用以真空的抽取,真空腔給滅弧室提供穩定的真空環境,為保證高真空時滅弧室內氣體壓強的準確測量,實驗系統采用了高精度的電容薄膜真空規來測量高真空時的壓強,通過微調閥實現對腔內真空的控制與調節。

      高壓真空斷路器真空度與電場電位關系研究:

      高壓真空斷路器4

      圖5 模擬實驗系統

        圖6 為實驗中的信號傳感探頭及其等效電路。其中,Us為屏蔽罩上電位,C0為屏蔽罩與金屬板間等效電容。金屬板所搜集電場信號經高壓電容C1、C2分壓后經同軸電纜線輸出。

      高壓真空斷路器真空度與電場電位關系研究:

      高壓真空斷路器5

      圖6 傳感探頭及其等效電路

        實驗中,首先關閉微調閥,使真空系統快速到達極限真空,把探頭放置于距屏蔽罩外殼125 mm 處,然后給滅弧室動觸頭加載6 kV 交流電壓,并緩慢調節微調閥,在系統真空穩定到所需壓強時進行信號測量。實驗測量范圍為3.0 ×10 -3 ~ 1 Pa,結果如圖7所示。

        由圖7可知,在所測范圍內U0隨著壓強的上升也同步上升,具有高真空區變化緩慢,低真空變化較大,但在壓強為10-2 Pa 附近變化可測的特點,與仿真結果所呈現的規律類似。

      高壓真空斷路器真空度與電場電位關系研究:

      高壓真空斷路器6

      圖7 模擬實驗結果

      3、結論

        通過以上對高壓真空斷路器在不同真空度情況下的有限元電場仿真分析,以及模擬實驗的測量分析,可以得出以下幾點結論: 屏蔽罩電位與高壓真空斷路器外的測量點電位基本保持同步變化的關系,對測量點處電位的測量能夠很好地反應屏蔽罩的電位; 在壓強小于10-2 Pa 的高真空下,測量電位的變化極其微弱,檢測難度較大。但在壓強處于10-2 Pa 之上時,測量電位有較大的變化,因此可以對此時的電位進行測量,作為真空斷路器檢修的預警信號。本文的分析結果給基于屏蔽罩電位測量真空度的方案提供了參考和依據,對在線真空度測量系統的研究具有積極意義。

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