CN103996564A - 一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室 - Google Patents

Abstract

一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，涉及输配电设备技术、真空技术和微机电传感器领域，包括真空灭弧室本体、无线无源真空传感器，微型无线无源真空传感器置于真空灭弧室本体内。所述的微型无线无源真空传感器与真空灭弧室本体外部的真空检测与预警装置无线信号连接，具有真空灭弧室真空度在线实时、直接监测，不改变现有真空灭弧室结构和制造工艺，安全、经济、维护方便、监测精度高的优点。

Description

一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室

技术领域

本发明属于输配电设备技术、真空技术和微机电传感器技术领域，特别涉及一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室。

背景技术

真空断路器以其无以伦比的优点在输变电电网中压领域得到了大量的应用，其核心部件——真空灭弧室作为一种电真空器件，影响其可靠性的主要因素是其内部的真空度。真空灭弧室的结构包括瓷壳、包裹在灭弧室瓷壳上的绝缘材料以及内部构件屏蔽罩、触头系统和波纹管等。真空的绝缘强度与真空度有着密切的联系，因此，真空灭弧室的真空度是保证真空开关绝缘开断性能和灭弧性能的重要技术指标。运行中的真空断路器，其真空灭弧室的真空度若低于一定数量级，如1.33×10^-2Pa，就可能导致真空开关不能正常开断电路故障电流，真空断路器事故大多是由此原因引起。在线监测真空度则是事故预警的一种有效方法，当真空度低于某一限值时，提前自动预警，及时更换灭弧室，可以防止事故发生。

目前对真空灭弧室进行监测的方法有：

（1）间接的测量方法如脉冲电流法、放电脉冲法、电光变换法等，其共同的特点是可测量的真空度不够高，只能高于0.1Pa，且准确度不高，难以满足真空度监测的要求。其中脉冲电流法、放电脉冲法需要断电甚至将灭弧室拆卸下来才能测量，操作麻烦，浪费人力物力，无法实现在线测量。而电光变换法是基于“电光效应”原理，利用某些光学元件( 如Pockels 元件) 在电场中能改变光学性能，从而把与真空度对应的电场变化转换成光通量的变化，该方法的主要问题是光学元件的工作稳定性差、成本高，不能大范围普及推广。

（2）直接的测量方法如外接真空压力传感器如潘宁真空传感器，该方法在真空灭弧室上预装冷阴极潘宁放电真空测量规，传感器内部空间与真空灭弧室相通，它通过潘宁放电原理，将真空压力信号转换为电信号输出，缺点是需要将传感器接入真空灭弧室，改变了真空灭弧室的结构，因此需要进行高压隔离，增加了真空灭弧室制作的复杂度和生产成本，潘宁真空传感器也成本很高。

目前真空断路器真空度的在线监测采用“间接”真空度测量方法，准确性、稳定性不够，难以实现10^-2Pa—10^-1Pa的真空度的定量测量，无法满足提高真空断路器可靠性的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种具有真空度直接测量、真空度在线实时监测并且不改变真空灭弧室结构，安全、经济、维护方便、监测精度高的内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室。

为实现本发明目的，提供了以下技术方案：一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，包括真空灭弧室本体、微型无线无源真空传感器，其特征在于微型无线无源真空传感器置于真空灭弧室本体内，所述的微型无线无源真空传感器与真空灭弧室本体外部的真空检测与预警装置无线信号连接。

作为优选，真空传感器固定在真空灭弧室本体的瓷壳内壁上。

所述微型无线无源的真空传感器为采用微机电技术制造的真空传感器，体积小，其体积在立方毫米至立方厘米量级，制造真空传感器的材料为耐800-900℃高温、不放气的硅和/或者陶瓷以及金属材料，其中金属材料包括但不限于Au、Cu、Ti、W及其合金等。

所述微型无线无源的真空传感器真空传感器由MEMS真空敏感器和无线耦合器封装成一体，不包括电池及其它不能耐高温的电子元器件。MEMS真空敏感器能够直接、实时感知真空灭弧室本体内的真空度变化，其检测原理可以是真空度相关的电容变化或MEMS谐振器阻尼系数等。内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室在构成智能电力真空开关时，需要配备真空检测与预警装置，其与无线无源真空传感器可以实现一对一或一对多的传感器检测与预警，包括但不限于一对三的检测与预警，从而减少了检测电路，降低了产品成本，简化了安装。

所述微型无线无源的真空传感器的无线耦合器是耦合电感或者电容耦合电极或者无线天线的一种，与灭弧室本体外部的真空检测与预警装置实现无线耦合，无线耦合方式为电磁场耦合和无线射频信号问询等。与无线耦合器对应，真空检测与预警装置配备无线耦合部件，该无线耦合部件固定在灭弧室瓷壳的外壁或距离外壁一定的距离（如数厘米至数米），与真空传感器的无线耦合器的固定位置彼此相对。无线信号传输实现了真空检测与预警装置与真空灭弧室本体的高压部分的高压绝缘与高压隔离，可以耐受KV至数百千KV的高电压，因此可以实现高电压等级（如110KV、220KV）真空灭弧室的真空度在线监测。微型无线无源真空传感器的真空度检测与预警范围覆盖10^-3-1Pa。

为了提升真空灭弧室的电绝缘能力和增加爬电距离，内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室本体的瓷壳外表面除采用平滑表面外，还可以在平滑表面的基础上增加伞裙结构或全部采用伞裙结构；在真空灭弧室本体的瓷壳外可以不包覆绝缘材料，也可以包覆绝缘材料构成固封极柱。增加伞裙结构和包覆绝缘材料可以同时进行或不同时进行，具体情况根据灭弧室绝缘设计的需要。

真空灭弧室本体是采用一次封排工艺制造，微型无线无源的真空传感器在真空灭弧室本体真空密封前固定到瓷壳内壁，经历真空灭弧室本体制造时的排气、升温和密封等完整过程，其瓷壳没有内外联通的电引线，为完整的陶瓷或其它气密绝缘材料，不影响真空灭弧室的真空密封，也不影响真空灭弧室原来的制造工艺。

本发明有益效果：

1、解决了在真空灭弧室内部置入真空传感器影响真空灭弧室制造工艺、真空密封性能的技术难题。

2、在真空灭弧室制造的同时，置入真空传感器，实现真空度的直接、实时测量，大幅度降低了置入真空传感器的制造成本。

3、内置的微型无线无源真空传感器无需电池，从根本上解决了真空传感器的电源限制，可以长期、不间断的获取真空灭弧室的真空度信息。

4、内置的微型无线无源真空传感器是基于MEMS技术制造的微型真空传感器，适合批量生产、成本低、性能高，降低了电力真空断路器的真空度在线监测的成本。

5、内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，采用无线信号传输解决了真空检测与预警装置的高压绝缘、高压隔离的难题，提高安全性。

6、内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，可以制造出中压、高压、超高压等级的真空断路器，特别是高压、超高压的真空断路器，替代目前主要使用的SF6断路器，将产生巨大的经济和环境效益，对电力开关行业具有重大意义。

附图说明

图1 为本发明实施例1的结构示意图。

图2 为本发明的真空传感器检测与预警电路和微型无线无源真空传感器一对三的检测情况示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为本发明实施例4的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，包括真空灭弧室本体1、微型无线无源真空传感器2，微型无线无源真空传感器2置于真空灭弧室本体1的瓷壳内壁上，其是采用微机电技术制造的真空传感器，由MEMS真空敏感器5和无线耦合器6（耦合电感）封装成一体。制造真空传感器2的材料为耐800-900℃高温、不放气的硅、氧化铝陶瓷材料，电极采用金属W。真空灭弧室本体1的外侧还设有真空检测与报警装置4，其与微型无线无源真空传感器2无线信号连接，真空检测与预警装置4配备的无线耦合部件3固定在真空灭弧室本体1瓷壳外距离外壁数厘米至数米处且与真空传感器2的无线耦合器6的固定位置彼此相对。

真空灭弧室本体1的瓷壳外表面采用伞裙结构7表面。真空灭弧室本体1是采用一次封排工艺制造，微型无线无源的真空传感器2在真空灭弧室本体1真空密封前固定到瓷壳内壁上。内置的微型无线无源真空传感器2与真空检测与预警装置4可以实现一对一或一对多的传感器检测与预警。

实施例2：参照实施例1，微型无线无源真空传感器2的无线耦合器6采用电容耦合电极，真空灭弧室本体1的瓷壳外表面采用平滑表面。真空灭弧室瓷壳内外壁相对的一对电容电极构成耦合电容，交流电信号通过此电容实现真空灭弧室内外的信号耦合。

实施例3，参考实施例2，微型无线无源真空传感器2的无线耦合器6采用无线天线，真空灭弧室本体1的瓷壳外表面包覆绝缘材料构成固封极柱8，真空检测与预警装置4配备的无线耦合部件3固定在真空灭弧室本体1瓷壳的外壁上，与真空传感器2的无线耦合器6的固定位置彼此相对，通过无线射频信号问询方式实现真空灭弧室内部真空度信息的读取。

实施例4：参照实施例1，真空灭弧室本体1的瓷壳外表面采用伞裙结构7表面，另外还包覆绝缘材料构成固封极柱8。制造真空传感器2的材料为耐800-900℃高温、不放气的陶瓷，电极材料采用金属Cu。

实施例5：参照实施例1或2或3或4结构，制造真空传感器2的材料为耐800-900℃高温、不放气硅，电极材料采用合金材料Ti/W/Au。

Claims (10)

1.一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，包括真空灭弧室本体、微型无线无源真空传感器，其特征在于微型无线无源真空传感器置于真空灭弧室本体内，所述的微型无线无源真空传感器与真空灭弧室本体外部的真空检测与预警装置无线信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于微型无线无源真空传感器固定在真空灭弧室本体的瓷壳内壁上。

3.根据权利要求1所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于所述微型无线无源真空传感器为采用微机电技术制造的真空传感器。

4.根据权利要求3所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于微型无线无源真空传感器由MEMS真空敏感器和无线耦合器封装成一体。

5.根据权利要求4所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于制造微型无线无源真空传感器的材料为耐800-900℃高温、不放气的硅和/或者陶瓷以及金属材料。

6.根据权利要求4所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于无线耦合器是耦合电感或者电容耦合电极或者无线天线。

7.根据权利要求1所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于真空灭弧室本体的瓷壳外表面采用伞裙结构表面或平滑表面。

8.根据权利要求1或7所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于真空灭弧室本体的瓷壳外不包覆绝缘材料或包覆绝缘材料构成固封极柱。

9.根据权利要求1所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于真空检测与预警装置配备的无线耦合部件固定在真空灭弧室本体瓷壳的外壁上或者距离外壁数厘米至数米处，且与真空传感器的无线耦合器的固定位置彼此相对。

10.根据权利要求1所述的一种内置微型无线无源真空传感器的真空灭弧室，其特征在于真空灭弧室本体是采用一次封排工艺制造，微型无线无源的真空传感器在真空灭弧室本体真空密封前固定到瓷壳内壁。