摘要：真空断路器的核心部件是真空灭弧室，在运行过程中真空灭弧室会有不同程度的泄露，真空断路器的事故大多是由此原因激发。而传统的交流耐压试验法无法准确掌握真空度数值，且为破坏性试验，因此，亟需寻找一种既对设备无损坏又在现场简便易操作的试验方法。本文针对目前国内外真空断路器真空度检测困难的现状，提出一种基于超声波无损检测真空灭弧室真空度的方法，研制检测装置并将装置试运行于现场。结果表明：通过本装置测量真空度数值是准确的；利用本装置可以实现无损无损检测真空灭弧室真空度。
1.背景
真空断路器的核心部件是真空灭弧室，在运行过程中真空灭弧室会有不同程度的泄露，真空断路器事故大多是由此原因激发。《1035kV户内高压真空断路器订货技术条件(DL/T403-2000)》4.15规定，真空灭弧室的允许储存期20年，在允许期之末，真空灭弧室内部气体压强不得大于6.6×10-2Pa。
目前，现场检测真空断路器真空度方法是传统的断口工频耐压法，主要缺点是：试验过程中，施加电压较高，对真空断路器造成不可逆的损坏；无法测得真空度数值，不能满足规程要求。新型的磁控放电法，主要缺点是：在试验过程中对设备有损坏；现场不容易操作。
2.超声法测量真空灭弧室真空度建模
超声波本质是一种机械波，机械波只能在介质中传播不能在真空中传播。利用超声波必须在介质中传播不能在真空中传播的特性，通过寻找超声波衰减量和真空度之间的函数关系，建立数学模型，从而推算出真空度，若大于行业标准6.6×10-2Pa，判别为相关真空灭弧室不合格。
令超声波发生器发出40kHz的超声波脉冲，经过真空灭弧室，超声波接收传感器接收到超声波经转换后得到电压信号为U。通过用真空泵抽灭弧室的气体来实现不同真空度，得出真空灭弧室内的真空度N和对应的电压信号U之间的部分数据并绘制成曲线如图1：
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图2 真空度N和对应的电压信号U关系
由曲线得，真空度N和接收到的超声波电压信号U呈线性关系。
建立数学模型：
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式中的“2.5”为基准电压值，“N”为真空度，“U”为超声波接收器接收电压。
3.超声法测量真空灭弧室真空度装置原理
超声波真空度测量装置，工作原理是利用超声波通过不同真空度所产生的衰减程度不同，即利用超声波在真空中传播的衰减与真空度的关系，将真空度的测量转化为超声波经真空灭弧室的衰减量的测量。
测试时，在真空灭弧室一端安装超声波发生传感器，另一端安装接收传感器，发生传感器发出超声波信号，接收传感器接收超声波信号后转换成电压信号，再经过模数转换及单片机运算，得到真空灭弧室的真空度，由显示器显示真空度数值。
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图2 装置在实验平台测试
4.装置结构
“基于超声法的真空断路器真空度测量装置”由发射系统、接收系统、数据处理与显示系统三部分组成。
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图2 装置结构
（1）超声波发生系统由超声波发生器、功率驱动器、超声波发射探头组成；
（2）超声波接收系统由超声波接收探头组成；
（3）数据处理与显示系统由CPU单元C8051F361、前置放大器、信号放大器、整流放大器、A/D转换器、显示屏单元组成。
5.设备整体调试
通过在试验室实施测量，验证利用本装置测得真空断路器真空度数值的可行性，小组成员调试步骤如下：
（1）接真空泵，拧紧调节阀与真空泵的接头；
（2）将调节阀的出口管接至静触头侧的压力口并拧紧；
（3）将接收电缆和发射电缆插入主机的相应插座；
（4）开机，开始零点和量程的设定；
（5）零点和量程的设定结束后进入测量。
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图3 主机连接图
实验结果：
（1）装置测得的真空度数值与真空灭弧室压力表数值相符。因此，利用本装置检测真空断路器真空度数值是准确的。
（2）装置在测试过程中对被试设备无需施加高电压。因此，利用本装置可以实现无损检测真空断路器真空度。
6.现场应用
2020年×月×日，对110kV××变电站停电检修的11个10kV真空灭弧室和8个35kV真空灭弧室进行真空度测量，有一台10kV真空灭弧室真空度为 7.1×10-1Pa，出现劣化，其余真空灭弧室均在6.6×10-2 Pa标准之内。
测试结果表明：使用该装置可在不用外施高压的情况下快速检测真空灭弧室的真实状况，测试过程对设备无损坏，测试数据准确。测试过程对现场输入输出信号无干扰，且自身抗干扰能力强，测试精度高，在现场易于操作，省时省力，仪器轻便。
7.解决的重大、共性技术问题
7.1解决问题概况：
（1）传统真空断路器断口交流耐压试验无法定量测试真空度，超声法可以测量真空断路器的真空度数值，通过从生产、出厂、安装、运行、退役全过程技术监督管理，掌握真空灭弧室真空劣化趋势，解决了无法掌握真空断路器真空度的真实状况的难题；
（2）传统真空断路器断口交流耐压试验为破坏性试验，超声法在测试工程中对设备无损坏，解决了无损检测真空断路器真空度的难题；
（3）新型的磁控放电法，其磁控线圈在现场狭小的空间内不容易放置，超声法测真空度解决了新型的磁控放电法在现场受限试验困难的难题。
7.2装置开发的重点
（1）真空灭弧室的差异。不同厂家和不同规格的真空灭弧室尺寸和生产工艺差别很大，其外壁对超声波测量的影响程度不一致，对传感器的超声波的适应性要求更高。
研制专用的超声波发射和接收传感器。传感器的谐振频率选取要避开工频的高次谐波以减少干扰，实际动态频率扫描筛选工作频率为42.6kHz，测量最稳定。传感器的谐振频率选取要避开工频的高次谐波以减少干扰。
（2）现场电磁干扰。现场的电场和磁场对超声波输入信号线会产生一定的高频干扰，在1K的取样电阻上会有毫伏数量级的干扰，将会产生数个微安的干扰电流，将对应 X×10－4Pa的真空度误差。
本装置采用了背景噪声差分消除处理技术。当超声波发射传感器不发射时，先启动超声波接收传感器，将接受到的杂波信号存储记忆，再启动超声波发射传感器，此时接受到的信号减去记忆的杂波分量，得到有效信号，抵消背景杂波干扰。
（3）现场电源不稳定，以及内置直流电源的放电特性不均匀，导致超声波供电波动较大。
本装置设计专用电源电路，采用软件动态功率调整技术。当仪器上电时，采用半功率工作，保护发射管，当操作菜单选择到测试时，软件控制功率到全功率模式，测量转为待机时又进入半功率工作模式。
参考文献：
【1】10kV真空断路器运行分析；期刊：河北电力技术；2004；尹继成
【2】真空制盐提高真空度的方法初探；期刊：盐业与化工；2015；杨林
【3】断路器真空度在线监测系统应用研究；学位：华北电力大学；2016；赵飞
【4】真空度测量方法的探讨与实践 ；会议论文：江苏省电机工程学会高电压技术会议；2008；王春宁
【5】新型石材真空吸盘式单臂吊；期刊：石材；2016；晏辉
【6】真空断路器灭弧室真空度的检测 ；期刊：内蒙古电力技术；2013；张猛