1国网临汾供电公司输变电运检部；2国网山西省电力公司；3国网临汾供电分公司科信部
4国网临汾供电分公司科信部；5北京国电海明科技发展有限公司
摘要：真空灭弧室是开关电器核心部件，在运行中会出现真空度下降的现象，如何对其进行无损检测一直是电力系统一项重要研究课题。文中讨论了基于激光法测量真空断路器灭弧室真空度的检测方法，介绍了真空度测试仪的硬件框图和工作原理。该测量仪采用C8051F040控制器进行同步控制与数据采集处理。实践证明真空度测试仪能准确地反映真空泡的真空状况。
关键字：真空灭弧室；激光法；C8051F040；真空度
中国分类号：TP274 文献标识码：A
Study of the vacuum degree test of vacuum interrupter by laser
Baoguo Tang,Tao Qiao,Kaiwu Wang,Jianyun Jin,Fengguo Zhang
Abstract: Vacuum breaker is a sort of important electric equipment of switch-wiring which take on control and safeguard in electric power system. The vacuum arc extinguishing chamber is the core component of the switch apparatus, and the vacuum degree is decreased in the operation. In this paper, the method of measuring the vacuum degree of the vacuum circuit breaker based on the laser method is discussed, and the hardware block diagram and working principle of the vacuum degree tester are introduced. The C8051F040 controller is used to synchronize the control and data acquisition and processing. Practical application has shown that this instrument is able to reflect the operational status of the vacuum tubes in an error-free way.
Key word: vacuum interrupter; by laser; C8051f040; vacuum pressure
1 引言
真空断路器是开关电器核心部件， 它是以真空为绝缘和熄弧介质。真空中气体分子极为稀少, 电子与分子相碰撞的机会极少, 故真空断路器的绝缘强度很高。真空断路器与其他类型断路器相比, 具有安全可靠、寿命长、维修工作量小、环境不受污染等优点。为了实现电流的分断和灭弧, 真空灭弧室内的压强一般不高于10 -2Pa 。因此, 真空度是决定真空灭弧室的开断性能的主要因素之一, 真空度的降低将直接影响真空断路器的开断能力, 严重时将导致其开断完全失效。
真空断路器与其他形式的断路器的主要区别在于：它将分合电流的触头置于高真空度的真空灭弧室中,在分断电流时，在触头间形成真空电弧，使真空电弧的特性与其他的高压电弧的特性有很大的区别。由于灭弧室是以真空条件作为工作基础的，所以不象油开关SF6那样容易检查介质质量。有些真空开关在运行过程中真空灭弧室存在不同程度的泄漏问题，在这种情况下进行开断就会出现断不开的现象而造成严重的后果。国内由此而引发的事故不断发生。因此迫切需要测量和记录运行中真空灭弧室的真空度，提高真空开关工作的可靠性已经成为一项重要研究课题。
传统上判断真空断路器灭弧室真空度的方法是工频耐压法，即真空开关处于开断状态下，在动静触头之间施加一定的电压，检测泄漏电流的大小或者观察灭弧室的放电现象，由此推断真空度的高低。这种方法虽然简单。但只能定性检测真空度；而由于施加的电压不高，真空度在10－5～10－3Pa之间，无法分辨，即耐压法的试验结果基本一样，无法合理的判断发展性泄漏。所以，这种方法只能粗略地判断灭弧室真空度劣化的程度。
当真空灭弧室装入真空开关和开关柜以后, 长时间的存放和运行, 再测定真空开关的真空度, 便只能将真空开关从开关柜中拉出, 并把灭弧室从真空开关拆下, 然后再将待测灭弧室套进测量真空度用的圆柱形励磁线圈才能进行真空度的测试, 测试后又要将灭弧室装回原位, 经调试合格最后才能装入开关柜投入运行。因此, 这种常用的真空度测试方法不但使用非常麻烦, 而且耗费人力、财力和时间, 必须寻求新的使用简便、耗费很小、又有足够精度的真空度现场测试方法。
本文针对这些问题，在充分调研各种真空测试方法的基础上，进行自主创新，设计开发出一套基于激光法无损检测真空管真空度的专用仪器。实现真正意义上的现场免拆卸无损检测真空管真空度,该技术利用光从空气中穿越真空再回到空气中发生的两次折射，通过检测通过不同真空度的真空管发生的折射角的大小换算出真空管内的真空度。实践证明该技术思路新颖，能有效解决长期以来困扰业内的真空度检测难题，对现代电网的在线检测以及提高电力企业检修作业水平和工作效率有重要的实用价值。
2激光法检测真空灭弧室真空度
2.1 测试原理[1]
【光的折射定律】：n1 sin i = n2 sin r
任何介质相对于真空的折射率，称为该介质的绝对折射率，简称折射率(Index of refraction)。对于一般光学玻璃，可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。公式中n1和n2分别表示两种介质的折射率。
折射率：光在两种介质种的传播速度之比，即n2/n1 = v1/v2，一种介质的绝对折射率为n = c/v，式中c是真空中光的速度，v为该介质中光的速度。
激光法气体真空度测量装置，工作原理是利用光从一种介质进入另一种介质将发生反射和折射。通过测量穿越真空管的入射光和出射光间的折射角就可以检测出介质的真空度。采用一对450um芯径的单模光纤分别作为发射和接受光纤，通过测量基于光纤合出射光纤的折射角就可以确定管内真空度的变化。如图1所示。
2.2 测量原理
1，测量原理
当一束光线照射到真空泡的玻璃罩上时，有一束光形成反射光，另有一束光透过玻璃罩照射到真空泡的灭弧罩上。在玻璃罩上的反射光与本测量无关，在此不做讨论。
在真空泡的内部与外部压力相同时（真空泡真空丧失），真空室（如图1所示）内外都处在相同大气压下，（由于入射光和反射光都经过玻璃罩，为了便于讨论则略去玻璃罩的影响），有：
θ1=θ2
该束光在灭弧罩的O点成反射，这时有：
θ4=θ2
在真空泡完好时，真空室内外的压力不同，真空室内的压力为真空状态，真空室外的压力为大气压力，根据折射定律有：
2, 真空测量装置测量原理
2.1在真空室内外压力相同时：
测得点A到点C的夹角∠AOC，定义这个角为设定角
2.2 在真空室内为真空时，测得点B到点C的夹角∠BOC，定义这个角为测量角，在这里引进偏移角的概念：
偏移角=测量角－设定角
那么 偏移角=∠BOC－∠AOC
结论：当偏移角为正时，即测量角>设定角, 说明真空室内真空下降；当偏移角为负时，即测量角<设定角, 说明真空室内真空良好
3 测试仪的结构和数据分析
3.1 结构和工作原理
真空度测试仪的硬件框图如图2所示，主要是MPU单元C8051F040、探测光源、定位光源、传感器、步进电机、LCD显示器、微型打印机及按键单元组成。
真空测量仪的核心部件为单片机，由它指挥系统各部件的协调动作。由显示器显示各步骤的操作与提示及检测结果。
真空测量仪的执行部分采用激光光源和步进电机组成，光源由单片机控制，在测量时，点亮激光光源，同时启动步进电机，当传感器采集到激光光源在灭弧罩上的反射光为最大值时，步进电机停止，然后再次启动步进电机，当步进电机到达图2的参考点D时，步进电机停止，从而得到图2所示的∠BOC，计算设定角与测量角之差，从而得到偏移角。
设定角是在测量真空破坏的真空泡时，用上面的方法得到的设定角∠AOC.
3.2 数据分析
经过大量的实验，该真空度测试仪可以获得满意的效果，图3为测试仪针对管型为TD15B-12/630-20测量数据形成偏移角－真空度曲线图，可以发现真空度与偏移角之间呈线性对应关系。
4 结论
由于真空开关灭弧室在运行过程中会因为各种原因造成失效，导致事故发生。因此对真空灭弧室有效的过程监控是必要的。真空开关灭弧室真空度的周期性定量检测对于最大限度避免由真空灭弧室失效而引发的事故具有十分重要的作用。文中设计的真空度测试仪采用基于激光穿越真空折射技术，保证了无论是装于整机上还是待装的真空灭弧室的真空度计量精度，实践证明真空度测试仪能准确地反映真空泡的运行状况。
本文作者创新点：采用激光检测真空技术，即以采集激光折射位移作为计量依据，使得测量结果更为准确。以高性能微控制器C8051F040作为主控制器。
参考文献：
[1]金大志，唐平瀛等，高压真空断路器测量方法研究[J]，电器世界，2010.8：459－475
[2]唐政清，真空测量[M]，北京：宇航出版社，1992
[3]张欲晓, 黄兴泉 用射线法检测真空灭弧室的真空压力 河南电力, 2001 (3)
[4]程礼椿, 赵子玉, 邹积岩 真空开关灭弧室真空度不拆卸测试 华通技术, 1999 (3) 8
作者简介：
乔涛（1966-），男，山西临汾人，国网临汾供电公司输变电运检部，工程师，主要研究方向：电力系统自动化。
唐保国（1968-），男，山西太原人，国网山西省电力公司，工程师，主要研究方向：电力系统自动化。
王凯武（1971年－）男，山西临汾人，国网临汾供电分公司科信部，工程师，主要研究方向：计算机保护，嵌入式系统设计。
靳建云（1966年－）男，山西临汾人，国网临汾供电分公司科信部，工程师，主要研究方向：高电压技术。
张凤国，（1971年-）男，河北承德人，北京国电海明科技发展有限公司，工程师。研究方向：电力系统安全与节能。
论文作者:乔涛1, 唐保国2, 王凯武3,靳建云4,张凤国5
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/25
标签：真空论文; 真空度论文; 测量论文; 临汾论文; 介质论文; 折射率论文; 激光论文; 《电力技术》2016年第4期论文;