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.13house.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)。

　　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)置來模擬不同的真空度條件，即通過改變εr來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)方程來建立εr-p 關(guān)系。

　　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)。

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。

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。

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。