真空断路器真空度检测的研究

[1]赖小红．真空开关的现状与发展．江苏理工大学学报（自然科学版），2000，21(3)：78~82.
[2]杨清华，陈仕修，沈远茂．真空灭弧室真空度检测技术的现状和方法．电工技术杂志，2003(5)：16~18.
离线检测与在线检测的比较（为什么继续研究离线检测方法？）：
目前离线检测的方法已经比较成熟，且有成型产品问世，但是更多的用户更加关注在线检测的问题，这些方法即使能用于在线检测，其测试系统也是非常复杂、劳动量过大。

我们注意到电力系统用户为了保证供电的连续性和可靠性，主要关注于运行中的真空灭弧室内真空度是否达到运行标准。

他们需要一种能够简易、快速、精确的测试方法来对灭弧室内的真空度进行在线检测。

这对于保证真空开关安全稳定的运行具有重要的现实意义。

目前国内外科研机构论证的真空度在线检测方法由于成本过高或者改变灭弧室内部结构等原因并未得到用户的认可，因此并未得到广泛的应用，不能很好的满足电力系统用户的需要。

因此，在已有的测量方法的基础上，进一步展开灭弧室内真空度检测方法和技术的研究与实验，具有较大的理论意义和工程实用价值。

真空度作为衡量真空水平的一种有效数据，从其本质上来说是一定空间内的真空压强值的体现，空间内气体含量越低其压强越小，则真空度越好，对于真空开关来说其使用性能、开断能力等主要指标水平越高，真空开关内部压强为零是一种理想状态，在实际生产和使用中无法达到，科学界习惯于将毫米汞柱或者托尔作为其计算单位，换算关系为1Torr =133.3Pa，本文所讨论的真空灭弧室内真空度即为其内部压强的数值，本文的测量就是针对这个压强数值展开讨论的。

为方便起见常常将它划分为几个区域，我国划分的区域为：
(1)粗真空：气体压力范围为1.01*105Pa～1.33* 102Pa
(2)低真空：气体压力范围为1.33*102Pa～1.33*10-1Pa
(3)高真空：气体压力范围为1.33*10-1,Pa～1.33*10-6Pa
(4)超高真空：气体压力范围为1.33*10-6Pa～1.33*10-10Pa
(5)极高真空：气体压力小于1.33*10-10Pa
根据计算和多次实验的检测，真空灭弧室不发生事故所允许的最大内部压强为1.33*10-2 Pa~1.33*10 Pa，即在高真空范围内，由于气体分子碰撞的几率很小因此两触头的开断能力和触头间的绝缘恢复性能较好，真空灭弧室均可正常工作，灭弧室的性能和绝缘性能很大一部分因素取决于其内部真空度的高低，当其内部真空度高于某一可允许的最大值时，即当灭弧室内气体压强高于这个范围的时候，在触头分断时，由于较大的浪涌电压使得触头间产生较强电场，增大了灭弧室内气体分子的动能，进而增大了气体分子的碰撞电离几率，容易造成触头间产生电弧无法熄灭甚至产生击穿现象无法分断，使其使用性能受到较大影响，从而引起电网事故。

对于真空灭弧室内真空度的标准，各行业间有不通的标准，对于不同的工况，灭弧室内气体压强的要求也不同，我国部标(JB)技术中规定其真空灭弧室内部压强的允许最大值为1.33*10-2Pa，而在国标(GB)中此数值为6.6* 10-2Pa，这是考虑到断路器分断时灭弧性能和绝缘性的需要。

真空灭弧室制成出厂以后并不能永远维持其出厂时的真空压强，随着使用次数的增多和使用时间的加长，其内部真空度必然会下降，从其出厂至由于各种原因真空度无法达到使用要求的最大允许时间即为所谓的真空寿命。

真空灭弧室内真空度降低的原因主要有[6]：
(1)灭弧室内由于密封无法达到绝对封闭的程度引起的慢性泄漏
(2)灭弧室内部零件由于分断时的浪涌电压造成的放气
(3)外壳由于使用事件增长的气体泄漏
特别是(1)即灭弧室内由于密封无法达到绝对封闭的程度引起的慢性泄漏，理论
上根本无法解决，(2)和(3)将随着材料科学的发展进一步得到解决。

我国现有真空灭
弧室大多采用铜铬合金材料作为触头的生产材料，由于铬元素其化学性质中有吸气性
这一属性，但使用固有的火法冶金来制造铜铬材料时无法消除原料中固有的含气量，
所以出厂时的真空灭弧室依然无法使气体处于一个较低的水平上。

另外，真空灭弧室
出厂真空度，对于焊接科学以及人为安装操作、运输时的避免碰撞震动都提出了较高
的要求。

在出厂前接受过严格电真空处理的真空灭弧室依然无法保证真空度不受灭弧
室使用过程中的提起交换和微漏气的影响，其真空度必然随之使用时间而下降，进而
导致开断能力和绝缘恢复性能的恶化，直至完全丧失使用价值，在存放时间内真空灭
弧室内部的压强变化曲线如图1.2所示。

通过图1.2中直线A来模拟当灭弧室内真空度在低真空到高真空范围内由于无法
达到完全密封而引起的慢性气体泄漏，而由灭弧室内部零件由于分断时的浪涌电压造
成的放气引起的压强变化如曲线B，随着使用时间的加长，零件的放弃与稀奇会达到
动态平衡，使其不再发生变化。

由上述两种情况进行叠加即可得到真空灭弧室内真空
度的粗略模拟模型，即曲线A+B。

慢性漏气可用下式表示：
式中L为漏气速度Pa·L/s, 即单位时间内灭弧室内的气体泄入量；V表示真空灭弧室内真空范围体积(L)；P为真空灭弧室内压强(Pa)；真空灭弧室密封出厂后的真空压强随时间变化并不是线性的，但是非线性的分析过于复杂并不适合于真空度检测的模型研究，通常用线性变化的特性来近似推断真空寿命，如图1.3中的直线C。

通过将真空灭弧室密封出厂时的真空压强和时间与存放或使用一定时间后可查出明显压强变化之后的曲线中两点进行连接即可得图1.3中曲线。

根据推断真空寿命的理论分析可得其表达式为：
式中tp--经过使用后，可检测到真空度有所变化的灭弧室的真空压强(Pa)；
tT--与tp想对应的使用时间(s)
ip--灭弧室密封出厂时的真空压强(Pa)
ap--真空灭弧室能够正常工作时的真空压强允许最大值(Pa)
通常，a ip >>p，则有
如果i很小，可以略去i，则又可粗略近似得到：
显然由以上三式中数学模型计算得到的真空寿命值要比实际运行中的真空寿命
eT 要短，如图1.3 所示，因此由这种方法计算得到的真空寿命是有可信度的。

上述所讨论的真空寿命均指真空灭弧室在一般工况下正常运行且没有认为操作事故时的使用寿命。

3.2 在真空度的不同区间耐压试验与真空度试验的区别和有效性
真空度测试仪受测试范围限制(1×10-1pa～l×10-5Pa)，超出测试范围，真空度测试仪所依赖的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例的关系有所变化，不能保证测试结果的准确性。

特别是对于全漏(与大气相通)的“硬故障”，测试值刚好与真空度良好时的数值接近，容易引起错误判断其原因可以用气体碰撞理论及仪器测试真空度的原理来解释：真空灭弧室
气体压力增大，也可以同气体压力很小时一样在灭弧室断口间只流过很小的离子电流，因为气体压力大时，气体密度变大，电子的平均自由行程减小，这时虽然碰撞次数增多，但由于电子积累的动能较小引起气体分子电离的可能性反而降低，这就导致真空度测试仪错误的指示为真空度较好(压力小)，测试真空度前，我们不能准确判断灭弧室真空度是否在测试范围内，也就不能保证真空度测试仪所测真空度的准确性，因此在现场真空灭弧室检测工作中不能省掉工频耐压试验。

如果真空灭弧室通过工频耐压试验，可以保证真空灭弧室的真空度在真空度测试仪的测试范围之内，再进行真空度测试，就能保证真空度测试的准确性。

总之，真空度测试和工频耐压试验，两种方法应互相补充才能对真空灭弧室作出准确诊断。

现场工作中我们曾经遇到三起真空灭弧室有缺陷但真空度测试良好的例子:如：灭弧室玻璃罩己破碎，但真空度测试值却正常，当地海拔1700m，大气压8.4×104pa；灭弧室断口间电压加至10KV 时击穿，真空度测试值正常；灭弧室断口间绝缘仅2MΩ，断口间刚刚升压，电流激增，真空度测试值正常。

可见仅仅由真空度测试来判断真空灭弧室的好坏是不可靠的。