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摘要:真空灭弧室内的真空度直接关系到真空断路器的储存寿命、工作期间的耐压水平和分断能力，也影响着电力系统的安全稳定运行。基于藕合电容法和脉冲放电检测原理，对不同真空度下灭弧室中屏蔽罩上的电位进行试验分析，提出用于真空度在线监测的可靠判据，并基于此研制出10kV真空断路器真空度在线监测装置。实际应用表明，该装置使用效果良好。
0 引言
真空断路器以具有优异灭弧性能的高真空作为触头间的绝缘与灭弧介质，其中最重要的部件是真空灭弧室。真空灭弧室内的真空度是真空断路器的重要性能参数，直接关系到真空断路器的储存寿命、工作期间的耐压水平和分断能力，也影响着电力系统的安全稳定运行。目前，真空度在线监测主要有电光变换法、藕合电容法、放电高频脉冲法、放电声发射法等，但这些方法均存在一定缺陷，难以推广。本文结合藕合电容法和放电高频脉冲法同时检测电场变化和局部放电信号，来实现10kV真空断路器真空度的在线监测。
1 真空断路器真空度在线监测方案设计
1.1真空断路器真空度在线监测试验研究
灭弧室真空度正常时，仅需几百伏电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩间由场致发射引起的电子电流，屏蔽罩积累的电荷使屏蔽罩上的电位较高，最高可接近电源电压峰值且较稳定。真空断路器的金属导杆及触头与屏蔽罩间相当于一个电容器，屏蔽罩对地也相当于一个电容器。当真空度降低时，灭弧室内气体密度变大，内部气压升高，将导致气体分子、金属粒子等增多，从而引起绝缘特性下降、预击穿电压降低、预击穿发生几率增加，产生预放电，导致屏蔽罩电位下降，并使真空断路器周边电场强度发生变化。在内部气压变化初期，电场强度的变化并不明显，但发展到一定程度后电场强度的变化加剧，最后又趋于缓和，其变化曲线类似于低通滤波器，因此利用这一曲线可较好地判断灭弧室内气压的变化趋势。
当灭弧室内气压进一步升高时，金属导杆及触头主要通过导电气体对屏蔽罩充放电。由于屏蔽罩对地电容很小，少量的电荷堆积即可大幅减小触头附近的电场强度，因此难以形成稳定的导电通道，从而可能在触头的边缘形成电晕。该电晕使得屏蔽罩上出现周期性高频脉冲，通过检测屏蔽罩周边的电场变化，即可检测到这种高频脉冲的存在。
以额定电压为12kV的真空灭弧室为试验对象，以放电点气压和放电电压的电场探测传感器输出值为横、纵坐标，绘出如图1所示的一条帕邢曲线。
由图1可知，灭弧室内气压为0. 01Pa时，屏蔽罩上的电位开始呈现下降趋势；气压上升至0. 1Pa后，屏蔽罩上的电位急剧下降，直至帕邢曲线的底部；之后，随着气压的进一步上升，屏蔽罩上的电位开始缓慢上升。据此，可判断灭弧室内真空度的下降趋势。同时试验表明，在灭弧室内气压上升到一定程度时，屏蔽罩上开始出现微弱的脉冲放电现象，这种脉冲放电现象在帕邢曲线底部最为频繁和强烈，之后随着灭弧室内气压的进一步上升又趋于缓和。据此，可辅助判断灭弧室内真空度的劣化程度。
1.2真空断路器真空度在线监测系统方案设计
试验采用的电场探测传感器与12kV/4kA玻璃绝缘外壳、陶瓷瓷柱式灭弧室结构如图2所示。电场探测传感器为倒L型平板结构，铝合金材质，背面和顶部采用环氧树脂板粘合，引出线采用同轴电缆；安装时直接固定在操动机构金属壳体上部，不需改造操动机构本体。
在该试验系统中，灭弧室中屏蔽罩与电场探测传感器间的藕合电容为C1，电场探测传感器与操动机构金属壳体间的藕合电容为C2，操动机构金属壳体对地的藕合电容为C3。当真空度下降时，灭弧室内的气体密度变大，场致发射的电子被气体分子吸附后成为负离子，由于负离子质量大、漂移速度慢，因此电子电流减小，屏蔽罩电位绝对值降低。该过程会引起电容C1、C2和C3上的电荷重新分布，通过检测电容C2与地间的电位U1即可间接检测屏蔽罩电位的变化趋势。当真空度进一步下降时，U1将呈现出周期性的脉冲电位，通过检测这种特定周期性脉冲电位的频率和幅值即可判断真空度的下降程度。通过该试验系统测得灭弧室内真空度下降到一定程度时，屏蔽罩上产生的高频放电脉冲频率主要集中在5～20kHz。
真空度在线监测系统原理框图如图3所示。在监测装置前端采用200M带宽多路复用器分时采集三相电场探测传感器信号，然后经信号调理电路提取工频信号和特定周期的放电脉冲信号。其中，工频信号用于判断真空度的下降趋势，特定周期的放电脉冲信号用于判断真空度的下降程度。最后，两路信号分别经模数转换后交由16位高性能数字信号控制器dsPIC33F进行判据的分析处理及数据存储、报警输出和远程通信等。同时，dsPIC33F产生一路特定频率段的扫频信号（即自检信号），通过多路复用器施加至信号提取电路，用于模拟局部放电信号，从而检验信号提取电路有无故障。三相电场探测传感器信号和自检信号通过通道控制信号控制多路复用器实现对工频信号与放电脉冲信号提取电路的分时复用。
