真空斷路器真空度與電場(chǎng)電位關(guān)系研究

2015-11-01 肖慧榮 南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

  基于屏蔽罩電位測(cè)量真空度的方法,是真空斷路器真空度在線檢測(cè)方法中的一個(gè)主要研究方向。但是,目前還沒有一個(gè)基于本方法的實(shí)用高真空度測(cè)量系統(tǒng)。為了進(jìn)一步探究斷路器屏蔽罩電位與真空度間的關(guān)系,本文借助于由克-莫方程建立的相對(duì)介電常數(shù)-壓強(qiáng)間的關(guān)系,通過有限元分析工具對(duì)不同壓強(qiáng)下的真空斷路器進(jìn)行二維電場(chǎng)分析。結(jié)果表明,屏蔽罩電位與真空度具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并可以通過真空斷路器外電場(chǎng)電位的測(cè)量來(lái)反應(yīng);真空斷路器外電場(chǎng)電位在壓強(qiáng)小于10-2 Pa 時(shí)的變化十分微弱,而在大于10-2 Pa 時(shí)電位有較明顯的變化。并通過實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)果的正確性。本文的分析結(jié)果給出了真空斷路器外電場(chǎng)電位隨真空度變化的規(guī)律,對(duì)基于屏蔽罩電位法在線測(cè)量真空斷路器真空度具有一定的指導(dǎo)意義。

  真空斷路器是一種借助真空的良好熄弧性能來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流開斷的開關(guān)裝置。與傳統(tǒng)的空氣開關(guān)、油開關(guān)相比,真空斷路器有開斷可靠、故障率低、維護(hù)量少、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),這使它逐漸在輸配電系統(tǒng)中,特別是在中壓領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。

  作為一種以真空為熄弧環(huán)境的開關(guān),真空斷路器內(nèi)真空度的高低是其重要的一個(gè)參數(shù)。然而,由于內(nèi)部組件放氣、密封口漏氣以及密封組件滲氣的存在,運(yùn)行中的真空斷路器內(nèi)部真空度會(huì)隨著工作時(shí)間的推移而下降。當(dāng)真空度下降到一定程度時(shí),其開斷性能就會(huì)得不到保證,這不僅會(huì)造成本身設(shè)備的損壞,還可能引起整個(gè)電網(wǎng)的故障。因此,對(duì)真空斷路器真空度的檢測(cè)顯得很有必要。真空斷路器真空度的檢測(cè)方法分為離線檢測(cè)與在線檢測(cè)。在線檢測(cè)憑借其操作簡(jiǎn)單,工作量少,實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的青睞。

  目前常用的在線檢測(cè)方法有耦合電容法、光電變換法、旋轉(zhuǎn)式探頭法、比例差分探頭法和電磁波檢測(cè)法,其中耦合電容法、光電變換法和旋轉(zhuǎn)式探頭法均是基于屏蔽罩電位的真空度在線檢測(cè)方法,所以對(duì)真空斷路器屏蔽罩電位的研究成為了真空斷路器真空度檢測(cè)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。文獻(xiàn)通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同壓強(qiáng)下的屏蔽罩電位進(jìn)行了測(cè)量,得出了滅弧室內(nèi)部壓強(qiáng)大于0.1 Pa 時(shí)與屏蔽罩上交直流電位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。文獻(xiàn)通過物理數(shù)學(xué)模型建立了真空滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)與相對(duì)介電常數(shù)間的關(guān)系,對(duì)滅弧室真空度和相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究,得出了兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為這為進(jìn)一步分析真空滅弧室真空度和屏蔽罩電位聯(lián)系機(jī)理提供了新思路。

  為了進(jìn)一步探索高真空度下,滅弧室真空度與屏蔽罩電位及周圍電場(chǎng)間的關(guān)系,本文借助于有限元分析軟件ANSYS對(duì)不同壓強(qiáng)下的真空斷路器滅弧室屏蔽罩及其周圍電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,并通過模擬滅弧室真空測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,借此探索出真空斷路器滅弧室內(nèi)真空度與滅弧室外電場(chǎng)電位間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)真空斷路器高真空度在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估提供參考。

1、理論基礎(chǔ)

  ANSYS 靜電分析以泊松方程為理論基礎(chǔ),結(jié)合電荷或電壓等加載條件求解出分析對(duì)象的電場(chǎng)和電勢(shì)分布。泊松方程如式(1) 所示,φ、ρe和εr分別為靜電場(chǎng)電位函數(shù)、電荷密度和相對(duì)介電常數(shù)。

真空斷路器真空度與電場(chǎng)電位關(guān)系研究

  在ANSYS 靜電分析中ρe和εr是分析過程中兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),分別代表著加載和材料屬性。在仿真中,通過對(duì)滅弧室內(nèi)真空區(qū)域?qū)傩缘脑O(shè)置來(lái)模擬不同的真空度條件,即通過改變εr來(lái)模擬不同真空度狀態(tài)。

  然而通常真空度的高低是以壓強(qiáng)大小來(lái)描述的,為實(shí)現(xiàn)相對(duì)介電常數(shù)對(duì)真空度的表示必須先建立介電常數(shù)與壓強(qiáng)之間的關(guān)系。下面借助克勞休斯-莫索締方程和理想氣體氣態(tài)方程來(lái)建立εr-p 關(guān)系。

真空斷路器真空度與電場(chǎng)電位關(guān)系研究

  式(2) 為克勞休斯-莫索締方程,其中NA為阿伏伽德羅常數(shù),α0為空氣分子極化率,ρ 和M 分別為空氣密度和摩爾質(zhì)量。對(duì)于確定的氣體電介質(zhì),α0和M 可以看做常數(shù)。因此,可以令真空斷路器真空度與電場(chǎng)電位關(guān)系研究并做整理,得到相對(duì)介電常數(shù)與空氣密度間的關(guān)系。

2、模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)

  為進(jìn)一步探究滅弧室真空度與電場(chǎng)電位間的關(guān)系,搭建了一套真空滅弧室真空度在線檢測(cè)模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。其中,渦輪分子泵(主泵) 與隔膜泵(前級(jí)泵) 組成泵組用以真空的抽取,真空腔給滅弧室提供穩(wěn)定的真空環(huán)境,為保證高真空時(shí)滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)的準(zhǔn)確測(cè)量,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了高精度的電容薄膜真空規(guī)來(lái)測(cè)量高真空時(shí)的壓強(qiáng),通過微調(diào)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)真空的控制與調(diào)節(jié)。

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圖5 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

  圖6 為實(shí)驗(yàn)中的信號(hào)傳感探頭及其等效電路。其中,Us為屏蔽罩上電位,C0為屏蔽罩與金屬板間等效電容。金屬板所搜集電場(chǎng)信號(hào)經(jīng)高壓電容C1、C2分壓后經(jīng)同軸電纜線輸出。

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圖6 傳感探頭及其等效電路

  實(shí)驗(yàn)中,首先關(guān)閉微調(diào)閥,使真空系統(tǒng)快速到達(dá)極限真空,把探頭放置于距屏蔽罩外殼125 mm 處,然后給滅弧室動(dòng)觸頭加載6 kV 交流電壓,并緩慢調(diào)節(jié)微調(diào)閥,在系統(tǒng)真空穩(wěn)定到所需壓強(qiáng)時(shí)進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍為3.0 ×10 -3 ~ 1 Pa,結(jié)果如圖7所示。

  由圖7可知,在所測(cè)范圍內(nèi)U0隨著壓強(qiáng)的上升也同步上升,具有高真空區(qū)變化緩慢,低真空變化較大,但在壓強(qiáng)為10-2 Pa 附近變化可測(cè)的特點(diǎn),與仿真結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律類似。

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圖7 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3、結(jié)論

  通過以上對(duì)真空斷路器在不同真空度情況下的有限元電場(chǎng)仿真分析,以及模擬實(shí)驗(yàn)的測(cè)量分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論: 屏蔽罩電位與斷路器外的測(cè)量點(diǎn)電位基本保持同步變化的關(guān)系,對(duì)測(cè)量點(diǎn)處電位的測(cè)量能夠很好地反應(yīng)屏蔽罩的電位; 在壓強(qiáng)小于10-2 Pa 的高真空下,測(cè)量電位的變化極其微弱,檢測(cè)難度較大。但在壓強(qiáng)處于10-2 Pa 之上時(shí),測(cè)量電位有較大的變化,因此可以對(duì)此時(shí)的電位進(jìn)行測(cè)量,作為真空斷路器檢修的預(yù)警信號(hào)。本文的分析結(jié)果給基于屏蔽罩電位測(cè)量真空度的方案提供了參考和依據(jù),對(duì)在線真空度測(cè)量系統(tǒng)的研究具有積極意義。