真空开关管内真空度检测的研究

192西安理工大学学报Jour nal of X i’an U niver sity o f T echnolog y(2000)V ol.16N o.2 文章编号:1006-4710(2000)02-0192-04真空开关管内真空度检测的研究李恩玲1,刘峰擘2(1.西安理工大学理学院,陕西西安710048; 2.西安市科委)摘要:真空灭弧室内真空度将直接影响真空开关的性能。

利用自行设计建立的真空实验测试系统研究了灭弧室内真空度与放电电流、两极电压、触头开距之间的关系。

尤其是在灭弧室两侧加一横向磁场情况下,它对真空灭弧室内真空度测量的作用,得到了一些有益的结论,为真空灭弧室内真空度的检测提供了有效的途径。

关键词:真空灭弧室;真空度;放电电流中图分类号:T N107 文献标识码:AThe Detection of the Vacuum Degree Within Vacuum SwithLI En-ling1,LIU Feng-bo2(1.Xi’an U niv ersity o f T echno log y,X i’an710048,China; 2.Scientific Co mmission o f Xi’an M unicipality)Abstract:T he vacuum degree w ithin the v acuum interrupter w ill have the direct effectupon the pro perties of v acuum sw itch.The v acuum ex perimental detection systemdesig ned and established by the authors is used to study the relatio nships among v acuumdegr ee w ithin the v acuum interrupter,leakage current,electrode voltages and co ntactordistance.Par ticularly in the case o f adding the transverse mag netic field to both sides ofvacuum interrupter,it w ill have an apparent effect upon the detection of vacuum degreew ithin the vacuum interr upter w hereby o btaining som e useful conclutions so as to prov idean effectiv e w ay to detect the vacuum degree w ithin the vacuum interr upter.Key words:vacuum interrupter;v acuum deg ree;leakage current真空度是真空灭弧室内的重要参数之一。

真空中的绝缘强度与真空度有着密切的关系,一般认为真空度10-2Pa是真空灭弧室应具有的基本条件[1]。

运行中的真空开关,其真空灭弧室的真空度如低于一定数量级,就可能导致开关不能开断电路,而影响配电系统的正常供电,将造成极大的危害。

真空开关只有在真空灭弧室保证完好的情况下,才能发挥出其所有的优良性能。

目前,关于灭弧室内真空度的测试和检测方法比较多,不同的方法适合于不同的场合且对其要求的条件也不尽相同。

对于制造好的单独的真空开关管成品来讲,脉冲磁控放电法是目前被公认的能较为准确测量灭弧室内真空度的唯一方法[2,3]。

但这种方法在测量真空度时,必须在灭弧室外加一个能产生纵向磁场的笨重线圈,这样就限制了这种方法的使用范围,比较适用于生产真空开关管厂家使用。

在定性检测方面,工频耐压法是我国目前检测真空度的常用方法,但它最大的缺点是,所使用的试验变压器由于其体积和重量的限制无法搬运到现场。

另外几种方法,如高频火花检漏法和吸气剂膜法,则由于它们的检测极限而限制了使用范围。

对于运行中的真空开关管(可停电),要检测其真空度唯一的、能利用的就是管子的两个电极和有限的侧面。

本文给真空开关管两极加一高压和一横向磁场,来研究开关管放电电流与触头开距、电压及真空度等量之间的关系。

特别是横收稿日期:1999-05-13 责任编辑　陈　洁作者简介:李恩玲(1965-),女,西安理工大学讲师,工学硕士。

图1　实验方框图向磁场对灭弧室内真空度测量的作用,为真空开关管真空度的在线检测提供了一条有效的途径。

1　实验装置图1为灭弧室内真空度与其它物理量之间关系的实验框图。

主要由真空校准系统、交直流高压系统、开距调节、横向磁场、放电电流测量等组成。

1.1　真空校准系统研究灭弧室真空度与放电电流、触头开距、电压等量之间的关系时,需建立一套动态的真空系统,图2　真空度校准系统本文设计的真空校准系统如图2所示。

对真空校准系统有以下要求: 真空系统与开关管的连接密封性要好,且方便。

开关管外围要有足够的空间,有利于实验的进行。

系统和开关管可加热烘烤,烘烤温度可达到250℃。

在一定范围内压强(本实验测量范围为10～1.0×10-5Pa )连接可调。

!在系统放气到10Pa 以下时,关闭放气阀门,经一定时间的抽真空,系统内真空度可达到极限真空度的要求。

真空度校准系统是利用动态校准原理,用真空泵抽气,微量调节阀来调节进入系统的放气量。

当放气阀门关闭时,经过一定时间的抽气,系统可达到极限真空度。

当调节微量调节阀时,用真空计监视系统的真空度,使系统平衡于某一真空度。

改变调节阀的放气量,可使系统平衡于任意需要的真空度。

这样,仅用一只真空开关管,可以在10～1.0×10-5Pa 范围内完成该管的真空度校准工作[4]。

图3　测量开距示意图1.2　触头开距的测量在研究真空开关特性时,例如,触头开距与放电电流关系,要使开关管两触头拉开并能方便地测量到两触头拉开的距离。

图3为测量触头开距的装置示意图。

套管是一个内径比导向套外径略大的有一定厚度的铜管,长度比露在外面动导电杆长20～30mm ,以便开距在一定范围内调节。

垫盘是一个厚度约为2mm 的钢板,外径比套管直径大一些,可通过旋转垫盘外面的螺帽来使动导电杆移动,随意地改变两触头的距离。

用游标卡尺穿过垫盘上面的空隙可测出垫盘到动导电杆端的距离,从而就可知道动触头的位置,两触头距离也就知道了。

2　结果分析与讨论实验用真空开关管为ZKB,1250/10-20C,触头材料为CuCr,玻壳。

测试研究得到结果如下。

2.1　两触头间所加电压对真空度检测的作用当触头开距d 为8.0mm ,开关管中心处所加的磁感应强度B 平均值分别为1000GS 和1500GS,测试了在不同的电压下,放电电流与真空度之间的关系。

如图4、5所示。

在直流特性中,由图4可知,当磁感应强度为1000GS 时,在一定的压强下,放电电流随施加于两193李恩玲等:真空开关管内真空度检测的研究 图4　直流特性 图5　交流特性触头间的电压增大而增大,当电压由1kV 增到19kV 时,电流几乎增大了10 A,而可测到的最低压强则随之降低,由1kV 的1.0Pa 降到1.4×10-1Pa 。

当磁感应强度为1500GS 时,电压由1kV 增大到19kV 时,电流几乎增大20 A ,而可测到的最低压强由1kV 的8.0×10-1Pa 降到4.2×10-2Pa 。

在交流特性中,如图5所示,电压同样对放电电流和可测到的压强影响较大。

可见,一方面电压升高使得极间电场加强,外加电场的增强又使电极表面势垒高度下降,势垒宽度变窄,这样可使更多的微粒在极间电场作用下运动,这就意味着参与残余气体分子碰撞的离子增多;另一方面,电压升高使得发射的电子能量增大,因为电子必须具有足够的能量,才能使气体分子碰撞电离,否则,无论电子行程多长,碰撞产生电离的可能性也很小,因此电压升高可使气体电离效率增大,放电电流增大。

由图4可见,即较稀薄气体也能得到一个可测的放电电流,压强的测量范围加宽。

当电极间电场再加大时,对可测到的最低真空度变化不大,也即趋近饱和。

2.2　横向磁场对真空度检测的作用给真空灭弧室加一横向磁场,来研究放电电流与真空度的关系。

加横向磁场方法较多,用线圈图6　在同一开距和电压下,不同场强的对比也可以,这主要是考虑到可以利用在线管子的有限侧面,为在线检测提供方便。

如图6所示,在同一开距和电压下,对于无磁场、1000GS 和1500GS 时的情况作一对比。

磁场对放电电流和可测到的压强范围作用很大,随着磁场的增大,放电电流有显著的增大,并且也加宽了可测的压强范围。

直流时,如图6-a 所示,当磁感应强度为1500GS ,电压u 为19kV ,开距d 为8.0mm 时,可测到的最低压强由2.1Pa 提高到了4.2×10-2Pa,此时放电电流为1.9 A;压强为1.0×10-1Pa 时,电流可达到8.7 A 。

交流时,如图6-b 所示,d =8.0m m,u =15kV,有无磁场作了一下对比。

可见,有磁场时放电电流提高大约16 A ,可测到的最低压强由1.4Pa 提高到8.2×10-2Pa 。

这说明横向磁场的施加有效地提高了离子与残余气体分子碰撞的几率。

在给真空灭弧室加一横向磁场情况下,所建立的电场在两触头间几乎与磁场垂直相交,使存在于真空灭弧室内的少量电子在向阳极运动过程中发生偏移,这部分电子沿着轮摆线路运动,这就显194西安理工大学学报(2000)第16卷第2期著增加了电子运动的自由路径以及与残余气体分子的碰撞几率,从而获得一个稳定的放电过程。

运动的电子在磁场中所受到的力F B =eV ×B ,电子受到的磁场力方向总与其运动速度方向垂直。

因此,磁感应强度不改变电子运动的速度大小,只改变其运动方向。

电子作螺旋形路线运动的螺旋半径与磁感应强度成反比,即磁感应强度越大,螺旋半径越小。

电子的螺旋半径不能太大也不能太小,太大电子发生轻微偏转,并未增加其多少路径;太小电子在很小范围内旋转,其运动范围受到限制,也不能有效地增大其与残余气体分子的碰撞几率[5]。

因此,在一定的电压下,存在一个最佳的磁感应强度,使得电子与残余气体分子的碰撞几率最大,也即放电电流最大。

即使在较稀薄的气体中(即高真空环境中),也能得到一个可测的放电电流,也就是说可测压强范围加宽。

在小于这个最佳的磁感应强度之前,随着磁感应强度的增强,电子与残余气体分子的碰撞几率增大,也即放电电流增大,可测压强范围加宽。