摘 要 叙述了真空度监测仪的结构原理、应用前景,建立了一套有针对性的真空度校准系统,给出了实测的校准曲线,表明真空开关管真空度与放电电流有一一对应关系,最后分析了实验结果。 关键词 真空度;电网;真空开关管 中图分类号 TM507
随着我国中压开关无油化改造步伐的加快,电网上真空开关所占的比例不断提高,这是由真空开关的诸多优势所决定的。用在电网上的真空开关管,是起控制和保护作用的核心器件,一旦其真空度恶化,低于允许值而未被及时发展,会造成巨大的经济损失。所以网上真空开关管真空度的变化,是输变电行业特别关注的问题。 工频耐压法是沿用至今的大致判断网上真空开关管好坏的方法,其不足之处主要有两方面:其一,不能真正测出真空度值,因此无法知道真空度的变化趋势,也就没有预测的功能。所以为了保证供电的可靠性,只能提前更换开关管,这在经济上是一种浪费;其二,工频试验变压器体积大、笨重、操作不便,而且价格较贵,不是每个输变电单位都能配备的设备。 最近几年,国外正在研制实时在线监测系统,但费用昂贵,从经济上考虑,不符合我国国情。而且因为合格出厂的开关管真空度是渐变量(机械撞击除外),没有必要实时在线监测。针对国内外的现状,我们研制了真空度监测仪,用于电网定期检修时监测开关管真空度,还能用单片机智能系统显示开关管剩余寿命,而且测量时对真空开关无损害,避免了最忌讳的拆卸开关(需专业人员操作,而且易扭伤波纹管),因此测后无需调整开关整机。
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图1 工作原理
1 工作原理 部标JB3855中规定:真空度低于1.33×10-2 Pa的开关管不得使用。这是开关管必须更换的界限。在真空度高于1.33×10-2 Pa时,根据两次测定的间隔时间真空度读数变化,可以推算开关管的剩余寿命。测试仪的工作原理如图1.开关处于分闸状态,直流高压是2 000 V,磁感应强度是0.05特斯拉。 在1.33×10-2 Pa以下时的低气压状态,气体分子数很少,在两个高压电极中间,游离电子与气体分子碰撞及电离的几率更小,电流极微弱。但加磁场后,在电场、磁场的共同作用下,电子、离子受洛仑兹力F=qV×B的作用,在两电极间做螺旋运动,运动路径延长,与气体分子碰撞的几率大大增加,在两电极间可以测到放电电流。电场、磁场不变时,放电电流是由真空度唯一决定的,呈单值对应关系。放电电流经电路处理,可测出真空度。电路框图如图2.
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图2 电路框图
2 校准曲线的测定 在协作单位的帮助下,我们特制了一套测定校准曲线的动态平衡系统, 如图3.密封容器是由真空开关管改制而成,更具针对性。K是针阀(可变漏气装置),G是副准电离真空计(即经过国家计量部门的绝对真空计校准传递的电离真空计)。
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图3 动态平衡系统
校准时, 使校准气体通过针阀K源源不断地流入系统内, 同时,又有气体不断地从容器内被真空泵抽走,一定时间后,系统内压强达到动态平衡。漏入的气体流量为Q Pa*L/s,真空泵在系统接口处的有效抽速为S L/s,系统内各部分放气或吸气总量为±ΔQ,达到平衡时,容器中的压强为P=(Q±ΔQ)/(S),QΔQ,所以P(Q)/(S),即系统内压强(真空度)只由真空泵有效抽速S和针孔K的漏率Q决定。这样,只要调整针阀K的气体流量,读取副标准电离真空计的真空度值,记录监测仪测出的相应电流值,就可以得到一组实测的校准曲线。测试记录如表1,校准曲线如图4.
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图4 校准曲线
表1 试验记录
真空度(Pa)
1×10-1
5×10-2
1×10-2
8×10-3
4×10-3
1×10-3
8×10-4
4×10-4
2×10-4
2×10-5
电流(μA)
580
380
80
60
37
9
8
5
3
1.5
3 实验结果分析 在多次实测校准曲线时我们发现,在监测仪的电场强度、磁感应强度不变的条件下,电流读数只与开关管外壳直径有关,校准曲线形状基本不变。因此我们只需对不同直径的开关管给出不同的修正系数即可,而不必分别给出校准曲线。这一点对监测仪的实用性很重要。 另外,在一定范围内调整电场强度、磁感应强度,可以找出一组“最佳”校准曲线,即在1.33×10-2 Pa附近电流值变化最明显。这样可以增加监测仪在判别开关管用与可用边缘处的灵敏度。
4 结束语 本监测仪的基本功能已经具备,但下一步更细致的工作还有很多,比如智能化的误差修正,在开关柜上的装卡方法等等。另外,由于篇幅所限,一些具体的设计过程还有待于后续文章中再分别讨论。
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