机车车辆真空断路器真空度检测研究

0 引言

真空断路器作为电力机车车辆的主开关及保护电器，其绝缘和开断性能主要由真空灭弧室决定。除驱动机构可靠性问题及装配问题外，真空灭弧室绝缘、开断性能的好坏还主要取决于灭弧室内部残余气体压强值，即真空度(压强值越低，说明真空开关管的真空度越高)[1]。

机车车辆真空断路器灭弧室出厂时真空度约为1×10-5 Pa～5×10-3 Pa。真空断路器在分断一定负载的主回路时，触头间会产生真空电弧，在真空较高的条件下真空电弧是一种金属蒸汽电弧，并在极短时间内迅速向真空灭弧室屏蔽罩进行扩散，从而实现电流的快速分断。如果真空灭弧室真空度较低，将对真空电弧的熄灭过程产生影响，严重时导致真空断路器分断失败，灭弧室击穿。据统计，2010-2016年机车车辆由于真空灭弧室击穿引起的故障共计59起，其中11起机破，1起救援，由真空灭弧室引起的质量问题已不容忽视。因此，定量、准确测量灭弧室的真空度，对于预防由真空度降低引起的灭弧室击穿故障具有较大的意义。

1 检测现状

目前机车车辆真空断路器主要采用工频耐压法来判定灭弧室的好坏。工频耐压法是一种定性检测方法，检测严重劣质的灭弧室的真空度是一种简便有效的方法，但对处于临界状态，已不能承受过电压或过电流的灭弧室则无能为力，即存在耐压通过，但实际应用时不能开断的情况。有关研究表明，当灭弧室内真空度低于10-2 ～1 Pa的某一个值时，灭弧室将失去其高频电流开断能力[2]，但此时工频耐压试验有可能通过。

2 检测方法及原理

借签电力系统真空断路器真空度检测方法及原理，沿用其运用较成熟的磁控放电法进行测量：将灭弧室的两触头拉开一定的距离，施加电场脉冲高压，将灭弧室置于固定式线圈内或将移动式线圈置于灭弧室外侧，向线圈通以大电流，从而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，灭弧室中的带电离子作螺旋运动，并与残余气体分子发生碰撞电离，所产生的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例关系。对于不同的灭弧室型号(管型)，由于其结构不同，在同等触头开距、同等真空度、同等电场与磁场的条件下，离子电流的大小也不相同。通过实验标定出灭弧室的真空度与离子电流间的对应关系曲线，如图1所示。当测知离子电流后，就可以通过查询该管型的离子电流一真空度曲线获得该管型的真空度。

3 测试仪的结构和工作原理

3.1 测试仪的结构

真空度测试仪主要由控制测量单元、高压单元、线圈、磁控电流控制单元、键板、显示界面等组成。

3.2 工作原理

测试仪以微处理器为主控单元，测试过程完全实现自动化。该仪器在原理上改变了国内外同类产品采用电流峰值做标定的方法，而采用离子电荷来做标定。这样，在物理原理上有更好的准确性，而且，有效地抑制了测试过程中脉冲电源的干扰，使测试稳定可靠。该仪器采用2次采样的方法扣除由于环境因素产生的漏电电流，并且在测量过程中考虑了完全漏气的真空灭弧室的判别，真正做到了对安装于整机上的真空灭弧室的准确计量。

测试仪工作过程为：由控制测量单元发出指令，由开关电源给磁场电容充电，通过控制电路监控，当磁场电容上的电压达到预定值后，控制电路发出两路控制信号分别控制电场高压的输出和磁场线圈电流的导通，使灭弧室处于强电场、强磁场的状态中，灭弧室开始放电，产生离子电流I，如图1中的曲线所示。该电流经取样电阻R和预处理电路后输入单片机，最后经运算由显示界面显示测得的真空度值，工作原理如图2所示。

图1 机车车辆真空断路器真空度(压强)-离子电流曲线

图2 测试仪工作原理图

4 结语

将工频耐压法与真空度检测结合应用，使灭弧室从入库检到后期的运用维护都能得以监控，从而确保机车车辆的可靠、安全运行。