作者：王成江 舒乃秋
摘要：真空灭弧室内存在两种声发射现象，一种是断路器在开断或关合电路时产生的电弧声发射，另一种是真空度降低到一定程度后，电极对屏蔽罩放电激发的声发射波，探讨了利用这两种声发射波进行真空断路器真空度在线检测的可能性，分析及实验结果显示利用电极对屏蔽罩放电声发射原理在线检测真空度是一个可行的方法。
关键词：真空断路器；真空度；在线检测；声发射
真空灭弧室是真空断路器的主要部件，其结构如图1所示，它主要由动电极、静电极、屏蔽罩、波纹管和绝缘外壳等部分构成。真空灭弧室的真空度是确保真空断路器可靠运行的重要指标之一。只有在一定的真空度下，真空断路器的可靠性才能得到保证。随着真空断路器在中低压领域越来越普遍地应用，真空灭弧室真空度的在线检测逐渐成为用户关心的重点。
目前，国内外还无法实现真空度的直接测量，正在研究的真空度在线检测方法主要有光电检测法、耦合电容法和电光检测法等。本文将探讨一种全新的在线检测方法——声学检测法。众所周知，电流流过气体时会发生很多特殊现象，如发声、发光、发热、化学反应等。当真空灭弧室发生泄漏后，能否利用放电声发射波检测真空断路器真空度是本文的研究内容。

电极电弧声发射检测法
1.1 检测原理
在气体中，声速由式（1）决定，

式中，P是静态密度；Y是比热系数；P是静态压力。由（1）式可知，真空度P直接影响灭弧室内声波的传播速度c，若能直接或间接地测定波速的变化，就可以由（1）式确定真空度的变化。
1.2 检测方法
①利用声波的特征参数与真空度之间的关系确定真空度。假定装在断路器外壳上的声波传感器检测到经真空传来的声简谐波，其声压为

式（2）可见，声压是波速的函数，即声波的特征参数中携带有真空度信息。若能预先检测出不同电压等级真空断路器的真空度与声场参数间的关系，实际检测时就可根据声场参数的变化判断灭弧室的真空度。
②利用经稀薄气体传播，又经外壳（或屏蔽罩）透射的电极电弧声波到达的时间确定真空度，假定真空灭弧室的半径为s，声波从电极经垂直距离s传到声接收传感器，所需的时间为t，由式（1）得

从表中的计算值可见：①声波在大气和固体的界面处，能量透射率极低。即使灭弧室内部气压上升到足以能传播声波，然而由于声波在灭弧室内壁几乎产生全反射，要求装在灭弧室外壁上的声传感器具有极高的灵敏度。②在绝对真空与标准大气之间，真空度

这同样也决定了外加超声波给真空断路器，检测反射或透射超声波，利用发射波与接受波到达的时间差确定真空度方法的不易性。
2.1 放电及放电声发射
2.1.1 预放电
真空灭弧室内真空度较高时，带电电极与屏蔽罩之间绝缘良好，自由电子的平均行程都在米到千米数量级，在灭弧室内很少能产生碰撞电离，放电难以产生；当真空度恶化时，灭弧室的绝缘水平下降，在工频电压作用下，带电电极与屏蔽罩之间开始出现预放电电流（参见图1），放电周期性地出现在正弦电压峰值附近，电流幅值在数十微安到数毫安范围之内，且常伴随着放气和电极表面的发光、发声等现象，如图3所示。
2.1.2 击穿放电
当断路器处于合闸状态时，屏蔽罩的电位是高压部分-屏蔽罩之间、屏蔽罩-断路器面板之间分别具有的静电电容分压的电位，即

2.1.3 放电声发射
在工频电压下，当气隙上的电压幅值达到该气隙的击穿电压时，气隙放电，放电产生的电荷建立起反向电场，使间隙中的实际场强低于击穿场强，气隙放电暂停。之后，当外加电压由瞬时值继续上升使气隙的电压又达击穿电压时，气隙又开始放电。每次放电经历的时间很短，放电波形如图4所示。Ua是试样两端电压，Uc是气隙上的电压。这些突变电流流过气体间隙时，产生的热能部分转化成机械能，以声波的形式通过电极和屏蔽罩与外壳的连接体直接传出真空灭弧室，被传感器接收，这便是声发射波。总之，随真空度降低，带电电极与屏蔽罩之间开始出现放电并从预放电阶段逐渐进入自持放电阶段，对应图3中每一个放电脉冲，都产生一次声发射过程。在每一个工频周期，对应于电压的正负峰值，出现两轮放电过程并伴随着两轮声发射过程。因此某一真空度下的放电声发射是一个长期的、周期的、继续的过程。
2.2 检测原理
实验证实，放电声发射波的声响应大小与视在放电量（图中用Q表示）近似呈线性关系，如图5所示。利用磁控放电法，改变不同的真空压力可以获得不同的放电电流，从而可以测出真空压力-放电电流的关系曲线。因此通过理论分析及试验可以找出声响应大小与真空度之间的确切关系，通过声接收传感器在线实时监视声发射波，根据接收波的大小就可确定真空度。

2.3 一种简单的方法
用上述方法虽然能正确地测量真空灭弧室内部的气体压力，但是需要特殊专用的测量装置，而且还必须要有该灭弧室的真空压力-声响应标准曲线。对大多数真空开关用户来说，显然是不适合的。
真空灭弧室为不检修设备，从安全运行的角度考虑，现场关心的是它到底还能不能使用，即只要知道灭弧室内部气体压力是否离于1.33×10-2Pa就行了，而真空度的大小并不重要。为此，可以采用一种简单实用的方法，即判断灭弧室是否还能继续使用。
声响应大小与内部气体压力之间的是同向变化关系，在巴申曲线的最低点以前，随着内部气体压力增加（真空度的降低），声响应的大小也在增加。那么，对应于灭弧室可用真空度的下限，设定一个声发射波强度门槛值，此门槛值可由试验测定，当接收到的声发射波超过门槛值时，认为灭弧室不可再用。
实际上，由于正常运行时屏蔽罩的分压作用，电极和屏蔽罩间的电压远小于系统电压（35kV或10kV）。由气体放电的巴申曲线可知，要使
电极和屏蔽罩在较低电压下出现放电，必须灭弧室内部气体压力上升到巴申曲线的最低点附近。也就是说，出现电极对屏蔽罩的放电声发射时，灭弧室内部气体压力已经高于1.33×10-2Pa了。因此，只要检测有无电极对屏蔽罩的放电声发射波，就可以大致判断灭弧室是否能再继续使用。
3 试验结果及分析
用真空灭弧室做实验室放电声发射试验，试验在武汉高压研究所局部放电实验室完成。声波传感器的带宽为20kHz-200kHz，装在电极上，灭弧室的真空度为1Pa，当逐步升高电压到500V时开始出现放电，典型试验结果见图6a所示，其频谱如图6b所示。从其波形图上看，t1时刻开始放电，放电伊始有一段强噪声干扰，它是由传感器周围的分布电容静电耦合的放电电信号，在t2时刻收到放电声信号，声波持续时间约0.8ms。从频谱图上看，放电声发射波的主频在83.98kHz附近，而噪声谱分布于全频范围内，其幅值远小于放电声发射波的幅值。
真空断路器真空检测装置现场运行时，将会受到两类噪声干扰，即电磁噪声和机械噪声干扰。传感器处于强电磁干扰环境下，电磁噪声干扰非常严重。解决办法除了对检测电路采用电磁屏蔽隔离措施外，还可以运用适当带宽的带通滤波器过滤，这不仅有利于降低电磁噪声，而且对低频机械振动噪声也有抑制作用。对连续背景噪声，可改变门坎电压值进行抑制；对于机械振动噪声和载波信号干扰，因为他们和放电声发射波的频谱范围不同，因此可以用滤波器来控制；而对于电晕及其他位置的放电产生的机械噪声，可以采用合理地放置传感器的位置并且在软件中利用波形识别的方法来消除其干扰。

4 结论
①真空断路器的电极电弧声发射波和放电声发射波携带有真空度信息。
②受传感器灵敏度和真空度多变量影响的限制，目前电极电弧声发射检测实现起来存在一定困难。
③放电声发射检测法在线检测真空度是一个现实可行的方法，但在实际应用中，必须解决好信号衰减、干扰和绝缘等问题。