关键词：真空断路器；灭弧室检测技术；发展及应用
引言
真空断路器因其优良的开断能力、体积小、无污染等特点，在中压断路器领域替代油断路器已有40年的历史，并正在向高压领域发展，实现了单断口110kV等级，部分取代了六氟化硫断路器。真空断路器的核心器件是真空灭弧室，其开断能力取决于真空度，真空度良好的灭弧室，具有较强的电流切断能力，能够在切断高压后，迅速熄灭电弧并抑制电流。但是，灭弧室在工作过程中会产生一系列的化学、物理反应，致使真空度有所下降，导致开断能力减弱，甚至出现不能正常开断电流的现象。有文献指出，当真空灭弧室内部真空度处于0.01~1Pa之间时，真空断路器将会失去高频电流开断能力。因此，为了保证真空断路器的正常运行，灭弧室真空度的检测必不可少。国家规定,灭弧室真空度的出厂标准为小于等于1.33×10-3Pa；对于使用中的灭弧室，真空度不应大于6.6×10-2Pa。
1弧后电流测量原理
1.1弧后电流测量装置
依据电流转移原理，设计了如图1所示的直流真空断流器弧后电流测量装置，其中TB1是试品开关，TB2是真空断路器，Ｒsh是电流转移支路转移电阻，TA1是高精度电流钳，SG是保护球隙，当试品开关开断失败或者转移电流过大导致转移电阻发生丝爆时，会导致灭弧室两端电压急剧升高，SG导通，对电路起到保护作用。i是主电路电流，i1是电弧电流，ish为转移支路电流。C为预先充好电的换流电容，L为换流电感，LC震荡产生的高频电流与主电路电流反向，用于制造电流零点。MOV为ZnO避雷器，用于吸收系统多余的能量，完成开断过程。
1.2弧后电流测量装置原理
Imov是流过ZnO避雷器的电流，Utrv是暂态恢复电压，测量原理是在发生故障时会产生故障电流，此时试品开关闭合，较大的故障电流主要通过试品开关;在t0时刻，试品开关分闸并在触头间产生电弧，转移电阻开始承受由试品开关转移而来的电流，在t1时刻，试品开关的电弧熄灭，电弧电流完全转移到转移电阻上，转移电阻上承受的最大转移电流为Ishm，△t1为仅有转移支路有电流流过的时间，即完全由转移电阻承受转移电流的时间。电流过零后，由于暂态恢复电压TＲV的存在会产生弧后电流，此时采用高精度电流钳即可测出弧后电流大小。在弧后电流测量过程中，△t表示电流由试品开关完全转移到转移电阻所需的时间，t0是试品开关触头刚分离时刻，t1是电流完全转移到转移电阻上的时刻。TA1的量程由转移电阻上流过的最大电流的决定，电流钳的量程选择越小，测量越准确。综上，为了选取弧后电流测量装置的最优设计参数，需要对电流转移特性进行分析，分别分析转移支路电阻Ｒsh、试品开关开断电流幅值Im、试品开关触头刚分时刻t0的影响。
2大电流强迫换流分断试验研究
采用与1.2节相同的试验参数，对串联了ZPD5100–65型整流二极管D的真空断路器VCB，连续进行了20次强迫换流分断试验，且每2次试验间隔约为5min。其中VCB在电流第1次过零后即可靠熄弧13次，在电流第2次过零后可靠熄弧7次，未发生分断失败现象。试验结果表明，当VCB在第1个电流零点后即可靠熄弧分断时，无论是否串联二极管D，换流分断过程中VCB的电压、电流波形是相同的。这是因为电流阻断过程的本质在于真空断路器的成功熄弧，与串联二极管没有关系。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆然而，当VCB无法在电弧电流第1次过零后可靠熄弧时，则D会进入反向恢复过程，重燃电弧电流峰值约3200A、持续时间约26μs；并在D的反向电流衰减至零后，直至换流电容C上的电压变为正极性前，D一直反向阻断，总共历时约112μs；在此期间，真空电弧处于“零休”状态。但当D的反向电流衰减至零后，VCB两端没有立即建立恢复电压，而是在经过一段延时ΔT后，才开始恢复介质强度，承受恢复电压。当VCB两端的恢复电压超过真空间隙的绝缘强度时，真空间隙会再次发生击穿，但由于D的反向阻断作用，此时不会导致电弧重燃。在D反向阻断期间，真空间隙可能会不断地重复进行“介质恢复–介质击穿–介质恢复”的过程。一旦真空间隙恢复了一定的介质强度，则VCB两端会建立较为明显的恢复电压；若再次发生击穿，则恢复电压减小为0。直到真空间隙完全恢复绝缘强度，可靠承受换流分断过程中建立的恢复电压。
3在线检测
灭弧室真空度在线监测就是要在不改动断路器主体结构以及在带电的前提下（无论断路器处在关合或分断状态）都可以实时监测其真空度的变化。在线检测应避免高压真空断路器的高电场和强磁场的影响。在21世纪初，由于真空灭弧室的制造工艺不成熟，漏气率在万分之三以上。断路器真空度在线监测技术曾经得到很多高校研究人员的重视。目前在线监测的方法包括光电变换法、耦合电容法、基于局部放电的屏蔽罩电位法、高频脉冲法、基于潘宁放电原理的检测方法等。光电变换法利用“电光效应”原理，检测光传感器在不同电场中光学性能的变化来判别真空状态的，再经光纤传到低电场区或控制系统中进行检测，适用于10-1Pa以上的真空度。该方法的缺点在于元件成本高、不适于大批量使用、工作稳定性差。耦合电容法通过屏蔽罩和触头间的等效电容C1、屏蔽罩和传感器之间的电容C2以及分压电容C3内部电荷移动与电压的关系，判断真空度。这种方法能够实现在线检测、预先报警等功能，元件使用寿命长、成本低且抗干扰能力强，是主要的在线检测手段之一，较适合罐式断路器。提出了一种基于AVR单片机的真空度在线检测系统。该系统在“耦合电容法”的基础上，应用AVR单片机的信号采集处理系统，实现对灭弧室的真空度进行在线检测。基于潘宁放电原理的真空度检测方法。该检测方法利用离子流的大小和气体压强的关系计算真空度。该方法对真空断路器进行了设备改装，在真空灭弧室内植入真空度传感器，并利用光纤通信传输信号给DSP，计算真空度变化情况。此方法测量精度高，适用于高压强电磁场环境下对真空度的测量。脉冲电流法应用比较广泛,是具备国际标准的方法。该方法基于局部放电理论，通过采集电极与屏蔽罩间的脉冲电压，判断真空度大小。
结语
中压断路器现场安装、调试完成后投入现场运行，将步入关键的运行阶段。ABB真空断路器普使用寿命为20年，在此生命周期内2年以内属于磨合期，3至9年属于稳定期，10至15年属于关注期，16年以上属于延寿期，运行10年以后需要对真空断路器进行有效的管理，每年年检进行一次年检，如有回路电阻超标，绝缘降低趋势应进行返厂保养延长其使用寿命来确保真空断路器安全、可靠、高效、经济的运行。
参考文献
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论文作者:王泽阳
论文发表刊物:工程管理前沿》2020年2月第4 期
论文发表时间:2020/4/30