【摘 要】应用两种形式的励磁线圈，实测了五种型号的真空灭弧室内气体压强与磁控放电离子电流的关系曲线，并对试验结果进行了理论分析 【叙 词】真空灭弧室 磁控放电 气体压强 1 前言 真空灭弧室是真空断路器的一个主要部件，它担负着分、合短路及负荷电流的作用，而真空灭弧室内残留的气体分子直接影响真空灭弧室的电气性能。为保证灭弧室的可靠工作，其残留气体分子密度，即气体压强，有一允许的最大值，当气体压强高于此值时，真空灭弧室将失去其电气性能。为此，真空断路器用户特别关心灭弧室服役时的真空度状况。尽管现代电真空技术已能保证它们有10年乃至20年的真空寿命，但真空状况不能像SF6或油介质那样，在运行中直接进行检漏。故人们不仅希望在灭弧室出厂前能准确地测出其真空度，算出真空寿命，而且还希望能在使用过程中实现真空度的现场不拆卸测试和在线检测。 真空灭弧室真空度的测试方法主要有工频耐压法和磁控放电法。工频耐压法只是一种定性的测试方法，它仅能测出严重漏气的灭弧室，而对处于半真空状态(10-2～1Pa)的灭弧室，虽然击穿电压没有降低，但从使用标准来说已不合格(一般来说，真空灭弧室真空度的出厂标准为小于10-3Pa，对于使用中的真空灭弧室，其真空度标准可放宽到小于10-2Pa)。故仅使用工频耐压法检测真空度是不合理的。 目前，定量测试真空度较好的方法是磁控放电法〔1〕。该方法首先由J.R.Lucek等提出，并于1962年申请了美国专利〔2〕。其后，西门子〔3〕与日本〔4〕也对该测试方法进行了研究。其测试原理为，将灭弧室置于螺线管内或将电磁线圈置于灭弧室外侧，将两触头拉开一定距离并在其上施加脉冲高压，同时向线圈通以大电流使之在灭弧室内产生与高压同步的脉冲磁场。这样，在脉冲强磁场和强电场的作用下，灭弧室中的电子作螺旋运动，并与残留气体分子发生碰撞电离，所产生的离子电流与残留气体分子密度(即气体压强)近似成正比关系。对于不同结构的真空灭弧室，在同等触头开距、同等真空度、同等电场与磁场的条件下，离子电流的大小会有差异。通过试验可以标定出各种灭弧室的气体压强与离子电流间的对应关系曲线。于是，当测知离子电流后，就可以通过查询该灭弧室的气体压强—离子电流曲线获得该灭弧室的真空度。 2 试验系统简介 螺旋管励磁线圈的磁控放电法，是将真空灭弧室置于螺旋管励磁线圈的中心，并向线圈通以脉冲电流，使灭弧室内产生一个轴向磁场。同时，在分开的触头之间施加高电压脉冲，于是，触头及导电杆与屏蔽罩间的电场便与磁场垂直相交。这相当于一个冷阴极正磁控计与一个反磁控计的串联〔4〕，真空度的测试灵敏度较高。当要求在不拆卸灭弧室的条件下进行其真空度的测量时，需将一种带铁芯的新型励磁线圈，放在灭弧室的侧面以产生与电场相垂直的磁场分量。测试仪的电路框图如图1所示。 其工作过程如下：首先由单片机控制给电容C1、C3充电，当电容C1、C3上的电压达到预定值后，再由单片机触发可控硅D1、D2使之导通，从而使电容C1对高电压升压器初级线圈放电，电容C3对励磁线圈L放电。升压器次级的高电压经硅堆整流、电容C2滤波后输出到灭弧室的触头上。当励磁线圈产生的磁场达到某一临界值时，真空灭弧室的触头间会产生辉光放电和离子电流。经取样电阻R0输入到单片机的总电流中包含有离子电流、容性电流和表面泄漏电流，用数据处理的方法过滤掉容性电流和表面泄漏电流后，就可获得离子电流，该离子电流由串行口输入计算机进行显示，其典型波形如图2所示。 真空灭弧室内气体压强P—放电离子电流i试验曲线的获取通常在一特殊的真空标定测试系统上进行，如图3所示。 该标定测试系统由真空灭弧室、真空池、机械泵、分子泵、离子泵、进气调节阀、N2气瓶和离子规管组成。分别由机械泵、分子泵、离子泵依次连续对真空池抽真空，其极限真空度可达10-7Pa。使用N2气瓶通过进气调节阀对真空池放气来降低真空度。当进气量与抽气量相平衡时，真空池的压强就停留在某一稳定值P0上，因为灭弧室通过管道与真空池相连，可以认为灭弧室的压强也是该稳定值P0，这时，使用真空度测试仪测量真空灭弧室的放电离子电流I0，就可获得P—i曲线上的一标定点(P0,I0)，再通过进气调节阀调节进气量又可得另一稳定气压值P1，测知其离子电流I1后，可又得另一标定点(P1，I1)，依此类推，就可获得该种型号真空灭弧室的P—i试验曲线。换另一种灭弧室或另一种励磁线圈进行试验，就可获得另外一条P—i试验曲线。应该注意，上述与标定测试系统相连的真空灭弧室内的压强为动态平衡值，可以反复测试。实测表明，离子电流的重复性较好。对于封离后的真空灭弧室，由于离子电流有抽气作用，一般来说，离子电流是越测越小，故试验时应以最大值作为测试结果。 3 试验结果及理论分析 在图3所示的真空灭弧室真空度标定测试系统上配用两种励磁线圈(螺旋管solenoid和新型线圈new coil)，我们分别对五种10kV真空灭弧室进行了试验研究，获得的气体压强—离子电流试验曲线如图4所示。 由图4可见，当真空度测试仪使用固定不变的脉冲电压发生电路时，对于特定型号的灭弧室(如td368y)及励磁线圈(如solenoid)，气体压强—离子电流试验曲线基本呈线性关系。理论分析如下： 当灭弧室内的残留气体分子处于正交电磁场的联合作用下时，在某些满足该条件的区域内会形成辉光放电，该辉光放电可以认为是强电离等离子体的行为。在常温下，压强P和中性粒子的浓度n0成正比，在辉光放电区域内，等离子体的电离度x(=ni/n0)可近似为1，所以，其离子浓度 ni≈n0=2.44×1024p (1) 由于离子的质量大，磁场几乎改变不了其运动轨迹，在电场E的作用下漂向阴极形成离子电流i： i=eniμAE=3.91×105μ·A·E·P (2) 式中，μ为粒子迁移率，A为阴极的有效接受面积。 由式(2) 可见，当离子的迁移率μ及极间电场E保持不变时，离子电流的大小与气体压强P(即真空度)及阴极的有效接受面积A(即辉光放电区域)成正比关系。由于辉光放电区域的大小与灭弧室内的电磁场分布，特别是励磁线圈所激励的磁场分布有关，故使用不同的励磁线圈可获得不同的气体压强与离子电流的关系曲线。 4 结论 真空灭弧室内气体压强与离子电流基本成线性关系。这为真空开关真空度测试提供了理论基础。
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