[发明专利]真空开关器件中高压状况的声波检测方法和设备

说明书

发明背景 

发明领域

本发明涉及高功率电开关器件中失效状况的检测，具体涉及通过采用声波传感器检测真空断继器中的高压状况。 

相关领域描述 

在过去几年中，北美电网的可靠性已经处于严格的监视下，尤其当消费者和工厂增加了对于电能的需求时。该电网中单个组件的失效会引起波及整个系统的灾难性的电力中断。电网中采用的关键组件之一是用于打开和关闭高电流、高压AC电源的机械开关。尽管半导体器件在该应用中取得了一些进展，但是超高电压和电流的组合使得机械开关仍旧是用于这种应用的最佳装置。 

这些高功率机械开关基本上具有两种结构；充油式和真空式。充油式开关采用浸入具有高介电强度的烃类基液中的触头。该高介电强度需要能在触头打开以中断电路时抵挡该开关触头处的电弧势。由于高压使用(service)状况，油的周期性更换是需要的，以避免在油的击穿期间发生的爆炸性气体的形成。这种周期性维护要求将电路切断，这可能是不方便的且昂贵的。烃油可以是有毒的，而且如果使其溢出到环境中可能会造成严重的环境危害。另一个结构在开关触头周围采用真空环境。如果开关触头周围的压强足够低，就能避免开关触头的电弧和损伤。这种类型的断继器中的真空损失会在触头开关负荷时在这些触头之间引起严重的电弧，从而破坏开关。在某些应用中，真空断继器处于长期备用中。在它们被投入使用前，都不会检测真空损失，这会导致开关在最为需要的时候立即失效。因此，在开关因触头电弧产生而失效之前，预先知道断继器中的真空是否降低是有益的。目前，这些装置的封装方式使得检查即困难又昂贵。检查可能需要将电源从连接到该装置的电路移除，这也许是不可能的。期望能远程测量开关中的压强状态，因此不需要直接检查。也期望能在开关运 行中并处于工作电压时，周期性监测开关中的压强。 

也许看起来，对这些断继器的真空包封中压强的简单检测已被现有技术中的器件完全涵盖，但是实际上，并不是这种情况。主要因素是开关用于开关具有高出地7到100千伏的电压的高AC电压。这使得对现有技术中的压强检测器件的应用非常困难且昂贵。由于成本和安全的限制，现有技术中的复杂高压隔离技术是不合适的。所需要的最好是一种在离开关较远的地方，且当该开关处于工作电压时，能安全并廉价地检测高压断继器中的高压状况的方法和设备。另外，期望具有一种可翻新为现有开关器件而无需大量重做或淘汰，并且不需要将真空断继器模块从开关外壳的绝缘材料和包封中移除的方法和设备。 

图1(现有技术)是现有技术的真空断继器的第一示例的剖视图100。该具体单元是由加利福尼亚州圣荷西市的杰宁斯技术公司(Jennings Technology)制造的。触头102和104负责开关功能。通常在10^-4托(torr)以下的真空存在于触头附近的区域114中，以及为端盖108、端盖110、波纹管112和绝缘套筒106所包围的机壳中。波纹管112使触头104能相对于固定触头102移动，以建立或断开电连接。 

图2(现有技术)是现有技术的真空断继器的第二示例的剖视图200。该单元也是由加利福尼亚州圣荷西市的杰宁斯技术公司制造的。在现有技术的这个实施例中，触头202和204执行开关功能。通常在10^-4托以下的真空存在于触头附近的区域214中，以及由端盖208、端盖210、波纹管212和绝缘套筒206所包围的机壳中。波纹管212使触头204能相对于固定触头202移动，以建立或断开电连接。 

图3(现有技术)是包含真空断继器302的示例性VBM(真空断继路器模块)300的局部剖面图。该VBM模块300用外部绝缘壳体304和内部绝缘层306来隔离通过真空断继器302开关的高电压。一般在发电和配电系统中广泛用来实现开关目的的这种模块是由例如俄亥俄州克莱文德市(Cleveland)的Joslyn高压公司制造的。 

图4(现有技术)是包含真空断继器402的示例性VSV(Versa-Vac)电容器开关模块400的剖面图。该VSV模块400用外部绝缘涂壳体406和内部绝缘层404来隔离通过真空断继器402开关的高电压。一般在发电和配电系统中广 泛用来实现开关目的的这种模块是由例如俄亥俄州克莱文德市的Joslyn高压公司制造的。