真空灭弧室真空度的原理和方法

摘要：介绍了电光法在线检测真空灭弧室真空度的原理和方法，在此 基础上开发了一套试验系统，并给出了部分试验结果，为实现真空灭弧室真空度智能化在线 检测做了准备工作。
1 前言
随着真空开关在中低压领域越来越普遍地应用，真空灭弧室的真空度成为用户关心的重点。 因为只有在一定的真空度下，真空开关的可靠性才能得到保证。真空灭弧室真空度的测试， 随所处场合不同而有不同的要求。从大的方面来说，可分为离线检测和在线检测两大类。离 线检测的方法有很多，而且发展得也比较成熟〔1、2〕。在线检测要在不改动开关主 体结构及运行状态的前提下，随时监测其真空度的变化。目前，国内外还无法实现真空度的直接测量，用于真空度在线检测的两种间接方法是耦合电容法和电光变换法〔2〕。 耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的。设被测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩 间的耐压强度由于真空度降低而下降，则当工频电压从零点升至某一值时，带电触头和屏蔽 罩之间的等值电容发生放电，该局部放电信号可通过位于屏蔽罩与接地箱壳之间的 两个局部放电探头进行在线监测。这种方法的灵敏度还有待于验证。本文介绍利用电光技术 实现真空度在线检测的方法，并给出一些试验研究的结果。

2 测试原理与装置

利用电光技术在线检测真空灭弧室的真空度，其原理框图如图1所示。当灭弧室内的 真空度正常时，仅需几百V的电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩之间由场致发射引起的电 子电流。屏蔽罩积累的负电荷使其负电位几乎达到电极电压峰值。当灭弧室内真空度劣化时 ，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，使得上述电子电流减小，屏蔽罩绝对值电位降低。当灭弧室内真空度劣 化为大气压力时，场致发射电子全部被气体分子吸附为负离子。由于离子在电场下漂移形成 的阻性电流很小，与容性电流相比可以忽略不计，故大气条件下，屏蔽罩电位由C1( 导电杆与屏蔽罩之间的分布电容)和C2(屏蔽罩与机壳之间的分布电容)的分压决定。 因此，通过屏蔽罩电位的变化过程可推知灭弧室内真空度的劣化过程。

一般真空灭弧室的屏蔽罩，金属部分完全密封在灭弧室中，其电位的变化无 法直接测试。但屏蔽罩电位的变化会引起屏蔽罩附近电场的变化，故通过放置于屏蔽罩附近 的POCKELS电场探头可以测知屏蔽罩电位的变化，亦即可以进行真空度的在线测试。

屏蔽罩电场是指灭弧室绝缘壳外屏蔽罩部位与接地机架之间形成的电场，当真空开关结构一 定时，仅与系统电压有关。文〔2〕曾讨论电光法测试真空度的原理，其试验研究的测试系统选用BSO晶体制作POCKELS电场探头，晶体厚度为3.5MM，中心波长选为860NM，试验的原理 接线如图2所示。

为解决POCKELS电场探头温度特性较差的问题，选用了温度特性及电场灵敏度完全一样的三 个电场探头，分别安装于真空开关三相灭弧室的屏蔽罩附近，将三路电场信号及环境温度信 号同时输入计算机进行对比分析，从而消除由于温度波动带来的测量误差。为解决三相灭弧 室外部电场分布的不均匀，进而影响测量灵敏度的问题，我们在POCKELS电场探头的绝缘支 撑件中插入一高压电容C2。该电容的耐压高、电容值很小，不影响整体绝缘配合，但 可为电场探头提供一测量基准，从而提高了整个系统的测量灵敏度。

3 模拟试验测试结果及分析

为了检验真空度在线测试系统的可行性，制作了一套真空灭弧室真空度在线检测模拟 试验系统，如图3所示。在该系统中，真空开关A、B、C三相中的B相灭弧室通过绝缘管与真 空系统相连，三个电场探头分别放置于三个灭弧室屏蔽罩外对应接地机架一侧。A、C相灭弧 室的真空度为10-3PA，B相灭弧室的真空度近似等于真空系统的真空度，可达10 -3PA。试验用真空灭弧室为10KV/20KA陶瓷中封结构，其屏蔽罩支撑可伐外露，可以直接 测量其电位。

为模拟真空开关的工作环境，在三个灭弧室闭合的触头上施加11KV三相交流电压，由上述真 空度在线检测模拟试验系统测得三个灭弧室屏蔽罩外侧的交变电场有效值。同时，使用静电 电压表也可测得三个屏蔽罩的静态电位值。

开始试验时，将B相灭弧室抽至10 -3PA，即令三个灭弧室的真空度相等，测得的三个 电场值和电位值也基本相同。然后，逐渐增加B相灭弧室的真空压强，每半个数量级为一个 数据点，直到10PA，逐点检测A、B、C三相灭弧室屏蔽罩的电场值与电位值。结果发现，与A 、C相的相比，B相灭弧室的电场值和电位值，在真空度下降到10 -1PA时开始逐渐下降 ，如图4所示(A、C相的相应曲线仍为直线)。当真空灭弧室的真空度劣化到10 -1PA 时报警，这一结果也证实了前面的理论分析。另外，测试点的实际静态电场值没有标定，因 为，对于在线检测来说，我们更关心相对值的变化。

4 讨论

真空开关的有关标准规定〔3〕：“用以装配真空断[LL]路器的真空灭弧室内 的 气体压强应低于1.33×10-2PA”。这是指静态条件下的可测参数。运行中真空灭弧室 的真空度实际是一个动态条件，分断电流时的动态真空度可能远高于这一压强值，达到一两 个数量级〔4〕。因此，当灭弧室接近临界真空状态时，遇到分断操作，既可判断出 真空度较低的一相，发出警报。停机后利用现场测试的方法〔1〕，检出真空度临近1 .33×10 -2PA的灭弧室。目前，我们虽然还不能直接在线检出1×10 -2～1×1 0 -1PA的灭弧室，但对于10 -1PA的分辨率，到目前为止，也只有光电法可以在 不改变原开关结构的条件下带电检测到这一真空度水平。

本研究通过真空灭弧室真空度在线检测系统，使用POCKELS电场探头测试灭弧室屏蔽罩 附近的电场变化，可判断出灭弧室内真空度的优劣。使用三个电场探头，由计算机同时采集 三相灭弧室屏蔽罩的电场变化情况，抵消了由于环境温度变化带来的测量误差。使用高压电 容作为电场探头的电场基准，提高了系统的测量灵敏度。通过模拟试验可知，本文研制的测 试系统可以实现真空开关真空度的在线检测。对于电站实际应用场合，还应检验晶体元件长 期运行的可靠性，并进一步解决测试仪器的电磁兼容等问题。