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对长期使用的真空断路器样本的研究
L. T. Falkingham R. Reeves 1S. Mistry C. H. Gill1
真空灭弧室有限公司，英国拉格比
摘要
我们研究了已经在公共事业中使用了20年之久明显超过了厂家生产制造的正常的使用寿命的140个真空断路器，但这些断路器还被认为是好的，并仍然在工作，我们的样品来自两家制造商的一系列不同类型的断路器。我们发现一些断路器仍有极好的真空环境，“多数有轻微的泄露但我们可以有信心地进一步预测未来10年或者20年它的使用情况”有几个的真空环境不是很好在耐压试验中失败了需要替换，并不适合真空测量。这项研究得出了结论，虽然真空非常可靠，但断路器的使用很平凡，在使用相当长的时间，超出此断路器的寿命真空泄露的概率更高导致失败，正如经典的“浴缸”曲线预测一样失败了。
真空灭弧室50年前最初是在中压开关设备中作为交换元件使用，今天世界上大多数的高压设备使用的都是真空断路器。
1,介绍
制造商通常引用一次服务（真空）寿命为20年，在制造商的质量计划中最坏的情况下上升的压力不超过一个标准压力值就不会影响真空绝缘的介电性能，对真空灭弧室的寿命进行更详细的描述[1]。
在真空灭弧室工作的已知故障中最常见的是真空泄露，我们希望真空灭弧室按浴缸曲线进行故障，初始有相对较高的故障率，由于制造业制造过程中的失误，其次是长时间的低故障率，在某一点上由于上升的故障率报废的机制开始工作。在真空灭弧室早期工作的时间里，制造商已经明确的知道什么时候真空灭弧室该开始出现这样的情况，或是它会怎样结束寿命，尽管我们对真空这样的表现很失望。因此，他们用最坏的情况计算估计最低寿命，很多厂家设置为20年。
今天，越来越多的灭弧室的寿命为30年到40年，现在可以研究的方向是“如何能够长期保持灭弧室服务的失效概率不明显增加”
灭弧室已经被我们检查和验证了适合在公用事业长期服务还是暂时退役，所有的灭弧室被认为是在良好的条件下，适合服务的结果。2009年我们报告了我们的初步结果10断路器[2]这表明压力在某些断路器有明显退化，对于我们这是一个令人惊讶的结果，所以我们决定检查一个更大的样本，看看这是否只是一个突出的样品。现在我们已经从140个断路器一个更大的样本整理出结果，为了和我们现在目前的试验结果对比为上述问题提供更好的支持。
2，对断路器的样品检查
有三种类型128个断路器，并有十二个小号码灭弧室等等。从两个不同的制造商对该断路器进行了测试，以经被不同的用户所使用。
表1.样品和不同类型的断路器
3.常年测试
当灭弧室发送给我们，我们通常不接受他们的全部信息。然而从断路器的安装日期和序列号，我们相信这些断路器已经有着一个25至40年的工作时间，大多数的寿命为30年以上。
图标表明，几乎所有的断路器都处于良好状态。许多金属部件都有防腐蚀涂料或润滑脂，但没有表现出明显的腐蚀迹象。通常的绝缘陶瓷是相当脏的，但可以用干布擦拭干净，或用水或溶剂去除。
一个断路器有一小片的芯片陶瓷折断，但它可以持续良好的服务。一些制造商采用了灭弧室有放电痕迹和变色陶瓷，但所有这些通过了下面的测试。
我们认为任何的灭弧室正常的外部磨损都不是问题。
4.接触磨损
我们测试了有磨损的样本（71个设备）的信息，但69的样品中的磨损无法测量，我们知道所有的情况下允许磨损3mm。
表格2接触磨损测量
可以看出，接触磨损通常是温和的，有个断路器有2毫米接触磨损的真空试验失败，这会不会是相关的。
- 耐压试验
我们使用10千伏电压持续一分钟，如果有任何电流约0.3毫安以上的RNA的场发射电流，那么必须有气体在灭弧室压力高于临界L，灭弧室是完全无法承受这样的工作电压，完全不适合使用。进行真空测量也不安全。由于在样本中的140个，四次测试失败，通过电流的测试单元的洛娜能力过剩，并使其跳闸。其中两个是由生产商A制造另外两个由制造商B生产。
- 真空度测量
真空断路器通常与小于1.10MPa即，大气压力小于十亿分之一的真空水平进行。如果有一个非常小的泄漏，压力将随时间上升到1.10MPa，或在大气压的百万分之一是个不安全的水平，在该水平的气体将开始导通，从而导致雪崩电流增加并破坏灭弧室。发货之前制造商测量每个灭弧室的真空度。
- 我们的真空度测量设备。
我们已经建立了由制造商进行的测量反磁控工具，，这会导致电子在磁场中以圆形路径断续行进，这就增加了一千倍左右潜在的平均自由路径的，其结果是，当我们在整个断流器应用5kV的电流通过的一个小的脉冲，该脉冲峰值水平由气体在真空容器中的量确定，然后消失。我们捕获这个脉冲，峰值电平就是真空水平的度量。
磁控管的更详细的描述，将在[3] [4]中给出。
b.临时和永久气体.
我们在断路器中进行了三次测试，另外的三次在7天后进行 得到的第一个峰通常比第二或第三那些更高不少。某些气体可以通过放电被分解，并从系统中永久删除。例如二氧化碳可能分解成游离碳和氧的单原子，这些是非常活泼的，并且可以和非常干净的铜表面形成碳化物或氧化物的化合物，因此气态形式不在存在。
C.第一压力测量结果。
表2显示了所有样品的第一峰值所指示的真空水平覆盖面广，包含近四十年。我们定义10MPa范围例如作为1.10MPa到9.10MPa（含）之间的压力。
表3.第一压力测量
d.第二压力测量
下表第二组第三个显示的是第一测量。第二和第三个这些测量的相似，这表明在大多数情况下，临时的气体都没有出现过。由此可以看出，该压力现在一般与第一测试预期一样。
表.4第二压力测量
- 对结果的解释
考虑一个断路器具有1.10MPa的真空压力和至少使用了20年，我们不知道什么时候有什么确切的压力，而是从制造商给的说明书，我们知道它会一直在10-6MPa范围会比较好，所以有轻微的真实或虚拟的泄漏压力将会上调。例如虚拟泄漏可能是气体扩散出，在密封的装置内的金属或陶瓷，或污染轻微的孔隙率。如果泄漏持续，我们预计在20年的压力是2.10MPa，这仍然是一个安全的压力，所以我们可以说，这个泄漏率对于这个断路器是适合宗旨为20年。我们在做这个，因为我们只是充满信心复制了制造商的原始试验。在140个断路器中123个至少再过20年也被认为是良好的。
e.真空度故障
如果测得的压力在10MPa的范围，我们将这个作为真空失效的条件，而不考虑它适合进一步使用。断路器五就为该真空故障。
- 结果总结
我们的样品的检查和测试的结果总结在下面的表格
表格5 结果总结
直到最好的使用状态，并应至少在20年内是好的。然而，有哪些要么失败（2.9％）或正在接近失败显著数（3.6％）
9总结
显然，真空灭弧室自推出以来显示出了非常可靠的服务，失败是由于真空损失概率很低引起的。厂家声称的平均每年无故障时间在40000小时，现场经验制造商的索赔MTTF数字同意这一说法[1]，然而，一旦超过设计寿命故障率将则会增加。我们与超过标准的20年寿命断流的测试显示，不适合服务的断流器的比例要高得多，由于高真空压力，甚至HT测试失败，比例将在普通二十年的使用寿命期间可以预期。所测量压力是10MPa范围的事实表明，泄漏的一种形式已经产生，而且，这些断路器将永远不会有足够好的真空。
他的失败率和在20年的使用寿命期内的故障率有显著差异，表明我们看到了浴缸曲线模型预测的向上上升部分。这些结果巩固那些从我们先前[2]报道的10样本的结论，但即使140的样本仍然是相当小的，如果我们想故障率的统计是有效的估算，样本远远太小了，如果我们想让失败率统计是有效的估计，我们得打破灭弧室的类型，困难的是在制造商和服务中的应用。几乎所有的断路器都是在服务才有机会去测试他们，测试他们并公布的结果却很少。
我们打算继续这项工作在一个长期的统计基础上来研究评估许多断路器尽可能获得预测真空断路器寿命的方法。
鸣谢
我们想感谢VIL协助这项工作的其他成员，并感谢提供真空断路器样品的公司和其他开关设备的业主。
参考文献
1] L. T. Falkingham，“在时间上的真空绝缘评估过期条件（gt; 20岁），真空灭弧室和开关”，INSUCON会议，英国伯明翰，2006年6月。
[2] L. T. Falkingham R.里维斯，“真空长期服务真空灭弧室的样品寿命评估”CIRED会议，布拉格（2009年）。
[3] L. T. Falkingham R.Reeves C·H·Hill S. Mistry“在反磁控放电研究真空灭弧室组成：第一部分 - 变异电场”，ISDEIV布加勒斯特，罗马尼亚（2008年）。
[4]在真空灭弧室的反磁控放电L. T. Falkingham R.Reeves C·H·Hill S. Mistry“研究：第一部分2 - 在变化磁场“，ISDEN不伦瑞克，德国（2010年）
一种长期服务于真空灭弧室的真空度寿命评估
莱斯利福金厄姆 理查德李维斯
真空灭弧室英国有限公司真空灭弧室英国有限公司
falkingham@vil.org.ukreeves@vil.org.uk
摘要：
电力分配行业依赖于一个逐渐老龄化的真空灭弧室，那我们问道“真空灭弧室能够被持续使用多长时间”就很合理了。为了回答这个问题，那我们就要说一下真空断路器和真空绝缘的基本情况和难以判断真空室是否还能够持续使用一段时间。高压耐压试验指出了现阶段测量真空条件仪器的缺点，老的评估真空灭弧使用寿命的技术是使用真空测量装置，我们已经得到三种类型的九种经典断路器的使用寿命在25年到40年之久，同样还发现有的在这期间后还可以再被使用20年，或者短一点的时间而有的则要立即更换。我们可以得出灭弧室在这样条件和技术下还能够允许使用多长时间。
简介：
真空灭弧室（VI）是40多年前最开始是作为主要中压开关柜电流开关元件，随着时间的发展它以成为中压开关柜的主导技术。早期时候制造商通常给的是有20十年使用寿命的IV设备[1]，这还取决于复杂的真空测量系统和评估制造过程中的泄漏率。现在使用的灭弧室已经越来越多的超过了这个使用寿命。现在是时候考虑通过测量现在灭弧室的具体情况来预测它还能使用多久使操作者能可靠的离开测量装置。这种想法于10年前首次由Belnaves[2]提出，但是知道现在任然没找到合理的解决办法。
真空灭弧室的基础：
VI型灭弧室是生活中密封的真空装置，这就意味着我们要将装置抽空到合适的真空水平然后把它密封起来。密封后就没有任何主动地漏气行为，靠自身的真空度来提供合适的正空环境。真空绝缘是真空灭弧室的基本要要求，这就有必要解释一下什么是真空，和真空度减小对真空性能的影响。我们已经在其他地方详细的描述了真空断路器的设计[3]，在这里做个简短的描述还是有助于理解的。
真空断路器的设计与操作：
图一所示为典型VI真空断路器，它是由两个在厚铜导线末尾可以通过开关柜移动分开的电极组成，触点被密封在真空容器中，其中一个触头通过金属文波管来使得触头可以进行必要的移动
现今VI真空断路器是在一个真空度很高的环境中组装而成的，真空环境使得零件的溶解性气体和水分被抽到泵中，当温度升高时将零件焊接起来。可是在过去许多产商使用的是各种需要计入账目的技术。
由于真空需要极高强度的介质，通常我们需要在12kV系统中开6-8毫米的触头，36KV系统开12毫米。
真空强度对性能的影响：
我们需要考虑VI真空灭弧室需要什么样的真空强度来工作，图二为干燥空气中的帕邢曲线。我们感兴趣的是左手边的曲线，当介质强度突然上升到MPa和介质强度降低到MPa以下，10以下的气压对灭弧室的性能没有任何影响。
当VI型灭弧室的气压从制造时的10MPa随着时间的推移降低到10MPa前对装置没有什么影响。临界点后气压上升到了右边但是真空度却上升到了左边表明气压上升绝缘效果下降的很明显。真空灭弧室的设计假定一旦灭弧室来到了下降区域就不能使用，因为它将很
图一：真空灭弧室的剖面图
图二：帕邢曲线，击穿电压随真空压力的变化而变化
快到达一个点，在那里不能够承受瞬态恢复电压并且很小的电流将会使灭弧室性能中断。
真空断路器的寿命：
在制造过程中，以下封闭灭弧室压力测试使用的是一个压力测试仪，图三所示灭弧室放置在磁场线圈中，电压穿过其中。其中通过的电流单脉冲可以测量出灭弧室内的气体有多少，通常第二次试验要进行几天，任何增加的脉冲大小是一个泄露迹象。一些泄漏可以容忍，如果他可以计算出在20年的时间里压力仍将在安全范围内。这样的测试设备现在被所有的制造商使用，但它是工厂设
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