CN106463297A - 真空损失检测 - Google Patents

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Abstract

公开了用于检测真空断续器中的真空损失的技术。例如，真空断续器的感测系统包括：传感器，该传感器包含在存在空气的情况下氧化并且至少部分地位于真空断续器的排空空间中的材料，该传感器构造成产生材料的阻抗指示；和与传感器联接的控制系统，该控制系统包括电子处理器和存储指令的电子存储器，所述指令在被执行时引起电子处理器访问由传感器产生的阻抗指示，基于访问的阻抗指示而确定传感器的材料的阻抗测量值，并且基于所确定的阻抗测量值而确定排空空间的状态。

Description

真空损失检测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年5月12日提交且题为“真空损失检测(VACUUM LOSSDETECTION)”的美国临时申请No.61/991,884的权益，该临时申请通过引用全文结合于此。
技术领域
本发明涉及真空断续器中的真空损失检测。
背景技术
真空断续器可用于保护电气系统免于电气故障状态，所述电气故障状态可能产生破坏性的高电流或电压瞬变。真空断续器包括静触头和动触头，这两者都被封装在设计成保持真空的容器中。动触头相对于静触头运动，从而使触头运动进入和离开彼此的电气接触。这样，真空断续器可通过断开触头来切断通向电气系统的高电流。
发明内容
在一个总体方面中，真空断续器的感测系统包括：传感器，该传感器包含在存在空气的情况下氧化并且至少部分地位于真空断续器的排空空间中的材料，该传感器构造成产生材料的阻抗指示；和与传感器联接的控制系统，该控制系统包括电子处理器和存储指令的电子存储器，所述指令在被执行时引起电子处理器访问由传感器产生的阻抗指示，基于访问的阻抗指示而确定传感器的材料的阻抗测量值，并且基于所确定的阻抗测量值而确定排空空间的状态。
为了确定排空空间的状态，处理器可基于所确定的阻抗测量值而判断排空空间的压力是否已升高。
阻抗指示和基于访问的阻抗指示而确定材料的阻抗测量值直接涉及真空断续器中的真空损失的检测。
实施方案可包括以下特征中的一个或多个。阻抗指示可包含传感器两侧的电压和通过材料的电流中的一者，并且所确定的阻抗测量值可包括材料的阻抗。
传感器可包括保持彼此物理接触的多个触头，多个触头中的每个触头都包含在存在空气的情况下氧化的材料。
传感器可包括触头以及真空断续器的端盖和屏障中的一者或多者。
在一些实施方案中，电子存储器还储存第二阻抗测量值、阈值差和指令，所述指令在被执行时引起电子处理器将所确定的阻抗测量值与第二阻抗测量值进行比较以确定阻抗差，并且在所确定的差等于或大于阈值差的情况下产生足以提供使包括真空断续器的开关设备停止工作的信息的信号。第二阻抗测量值可以是基于在较早的时间从传感器获得的访问的阻抗测量值而确定的阻抗测量值。
电子存储器还可存储阈值阻抗测量值和指令，所述指令在被执行时引起电子处理器将所确定的阻抗测量值与阈值阻抗测量值进行比较，并且在所确定的阻抗测量值等于或大于阈值阻抗的情况下产生足以提供使包括真空断续器的开关设备停止工作的信息的信号。
在另一总体方面，一种检测真空断续器中的真空损失的方法包括：测量在存在空气的情况下氧化并且封装在真空断续器内部的排空空间中的材料的阻抗指示；基于材料的测定的阻抗指示而确定排空空间的压力指示；以及基于所确定的压力指示而产生信号。
实施方案可包括以下特征中的一个或多个。测定的阻抗指示可包含材料的温度。测定的阻抗指示可以是电压、电流、电导率和电阻率中的一者或多者。
该方法还可包括：测量在空气中氧化的材料的第二阻抗指示；将测定的阻抗指示与测定的第二阻抗指示进行比较以确定测定的第二阻抗指示与测定的阻抗指示之差；将该差的大小与阈值进行比较；以及当该差的大小等于或超过阈值时，产生足以提供使包括真空断续器的开关设备停止工作的信息的信号。
该真空断续器可包括为了防止电流流经真空断续器而断开并且为了容许电流流经真空断续器而闭合的主触头，并且在空气中氧化的材料可与主触头分开并且不同。
该真空断续器可包括为了防止电流流经真空断续器而断开并且为了容许电流流经真空断续器而闭合的主触头，阻抗指示可包含温度，并且在空气中氧化的材料可包括主触头的一部分。
在另一总体方面中，一种真空断续器包括：静触头；构造成在断开位置与闭合位置之间相对于静触头运动的动触头，静触头和动触头在断开位置分离并且在闭合位置接触；容器，该容器将动触头和静触头封装在排空空间中；和构造成产生排空空间中的一个区域的阻抗指示的传感器。
实施方案可包括以下特征中的一个或多个。传感器可包含在存在空气的情况下氧化的材料并且构造成产生该材料的阻抗指示。传感器可构造成在断开位置和闭合位置中的一个或多个位置产生阻抗指示。传感器可构造成与控制器通信。阻抗指示可以是通过传感器的电流量、传感器两侧的电压、传感器的电导率、传感器的阻抗、传感器的温度和传感器或真空断续器附近的一个区域的温度中的一者或多者。
在一些实施方案中，传感器包括通过间隙彼此物理地分离的触头，传感器的触头与动触头和静触头分离并且不同，并且排空空间中的一个区域的阻抗指示包含传感器的触头两侧的电压。真空断续器的容器可包括一个或多个端盖和屏障，并且传感器的触头之一可以是其中一个端盖或屏障。阻抗指示可包含排空空间的击穿电压。
在另一总体方面中，一种系统包括真空断续器和控制系统。该真空断续器包括：静触头；构造成在断开位置与闭合位置之间相对于静触头运动的动触头，静触头和动触头在断开位置分离并且在闭合位置接触；容器，该容器将动触头和静触头封装在排空空间中；和构造成产生排空空间中的一个区域的阻抗指示的传感器。控制系统与传感器联接并且构造成从传感器接收数据和向传感器提供数据，该控制系统包括电子处理器和存储指令的电子存储器，所述指令在被执行时引起电子处理器访问排空空间中的区域的阻抗指示，并基于访问的阻抗指示确定排空空间的状态。
实施方案可包括以下特征中的一个或多个。传感器可处于排空空间中。传感器可包括热传感器。该系统还可包括至少部分地包围容器的绝缘体，并且构造成测量温度的传感器可位于绝缘体中和排空空间的外部。任何上述技术的实施方案可包括开关设备、真空断续器、真空感测系统、真空断续器的传感器、构造成与真空断续器联接的控制器、存储在永久计算机可读介质上的指令、和/或方法。一个或多个实施方案的细节在附图和以下说明中阐述。其它特征将从说明和附图以及权利要求显而易见。
附图说明
图1A是包括真空感测系统和处于断开位置的真空断续器的示例性系统的框图。
图1B是真空断续器处于闭合位置的图1A的系统的框图。
图2是击穿电压与压力之间的关系的示例性图示。
图3是另一实例性真空断续器和真空感测系统的侧视截面图。
图4-10是安装在真空断续器中的示例性传感器元件的部分侧视截面图。
图11是安装在真空断续器的绝缘层中的示例性传感器元件的截面图。
图12是随流经开关设备的电流的变化而上升的热的示例性热梯度。
同样的附图标记表示同样的元件。
具体实施方式
图1A和1B是包括真空断续器100和真空感测系统131的系统101的框图。真空断续器100包括容器102，该容器设计成维持对封装在其中的构件的真空密封。空气从容器102被去除，从而留下排空空间104。为了真空断续器100最佳地工作，排空空间104的压力应当尽可能低，以维持容器102中的真空或接近真空状态。如以下更详细地说明的，真空感测系统131监视排空空间104的状态以检测该真空或接近真空状态的损失。换言之，真空感测系统131以间接方式针对压力的上升监视排空空间104。例如，真空感测系统131可测量电流、电压、电阻率、阻抗、连续性和/或温度以获得容器102中的压力变化的间接指示。
容器102封装分别与活动杆112和静止杆116连接的动触头110和静触头114。活动杆112可操作以使动触头110相对于静触头114和静止杆116运动，由此容许或防止电流流经真空断续器100。当真空断续器100处于断开位置(图1A)时，触头110、114通过间隙117分离。当真空断续器100处于闭合位置(图1B)时，触头110、114进行物理接触并且电流(I)流经真空断续器100。
容器102还包括电绝缘体120和密封绝缘体120的端盖122、124。绝缘体120可以是例如陶瓷或介电材料，并且端盖122、124可钎焊至绝缘体120的金属化表面。柔性波纹管126从端盖122延伸到容器102中并允许活动杆112在容器102不损失真空密封的情况下运动通过端盖122。
容器102还包括中央屏障128，该中央屏障有助于牵制在真空断续器100处于断开位置时形成在触头110、114之间的电弧。屏障129保护波纹管126和传感器130免受电弧影响。在所示的例子中，屏障129从真空断续器100的纵向轴线103径向地延伸并且位于传感器130与触头110、114之间。
在真空断续器100的操作期间，排空空间104的压力应当维持在足够低以便排空空间104提供电绝缘以在触头110、114处于断开位置时帮助防止和熄灭触头110、114之间的电弧的压力。例如，排空空间104的压力可处于具有高压耐性(或高击穿电压)的压力。击穿电压是电极之间开始放电或起弧所需的电压。为提供这种绝缘，排空空间104的压力可以例如是约10-8个大气压或10-5托。如果排空空间104的压力上升，则击穿电压会下降，从而使触头110、114之间的电弧更难熄灭并且降低真空断续器100的性能。例如，在其中间隙117为10毫米(mm)的实施方案中，当排空空间104的压力达到约2.7×10-4个大气压(约0.20托)时，排空空间104的击穿电压可能已下降到真空断续器100的性能开始下降的点。因此，如果真空空间104的压力例如由于允许空气和/或其它流体流入容器102中的容器102中的泄漏而上升，则真空断续器100可能发生故障或变得不可操作。
真空感测系统131监视排空空间104的状态，使得真空断续器100针对其在现场的操作适用性被监视。真空感测系统131可用于在真空断续器100操作的同时监视排空空间104的状态，而不论断续器100是处于断开位置(图1A)还是处于闭合位置(图1B)。此外，真空感测系统131允许远程并且连续、分散或按需监视容器102的排空空间104的状态。
真空感测系统131包括测量容器102内部的一个区域的阻抗指示的传感器130。阻抗指示或阻抗指示值的变化可用于检测容器102中的真空的部分或完全损失，或排空空间104的压力的上升。容器102内部的区域可以是传感器130自身和/或是传感器130附近的区域。传感器130可测量例如通过传感器130的电流、传感器130两侧的电压、传感器130的电阻和/或连续性、传感器130的阻抗、传感器130的高频阻抗和/或真空断续器100附近的构件的温度。
例如，传感器130可包括具有在存在空气的情况下氧化的材料的感测元件，所述空气在泄漏期间进入容器102。氧化使传感器130中包含的材料的电阻增大，从而改变由传感器130产生的阻抗指示(例如，电流和电压)的值。这样，阻抗指示由于泄漏而改变，从而允许传感器130监视排空空间104的状态。
由传感器130提供的阻抗指示可用于检测容器102中导致排空空间104的损失的小量压力变化。排空空间104的切断和绝缘特性通过在式(1)中表达的帕邢定律确定：
V＝(a*pd)/[ln(pd)+b], (1)
其中V是单位为伏特的击穿电压，a和b是用于特定气体的常数，并且pd是压力(单位为大气压)与单位为米的电极间隙的长度的乘积。击穿电压是电极之间开始放电或起弧所需的电压。在真空断续器的上下文中，电极间隙可以是动触头与静触头之间的间距(例如图1A的触头110、114之间的间隙117)或任何其它两个电位之间的间距。
还参照图2，示出了理想帕邢曲线200的例子，该帕邢曲线针对在空气中具有10mm的电极间隙的电极图示了击穿电压与压力之间的关系。在标准压力(一个大气压)下，对于球形电极且未进行场增强的1cm电极间隙具有约50千伏(kV)的击穿电压。如果空气压力上升至两个大气压，则击穿电压上升至约100kV。如果压力降低至半个大气压，则击穿电压降低至仅30kV以下。击穿电压随着压力降低而继续降低，直至达到帕邢曲线最低点205，其是对于在曲线200上示出的电压范围的最低击穿电压。对于图2所示的例子，帕邢曲线最低点205出现在约7.5×10-4个大气压(约0.57托)的真空水平(压力)左右。帕邢曲线最低点205处的击穿电压为约0.3kV。继续将真空水平拉至比帕邢曲线最低点205深(将真空拉至更低压力)引起击穿电压的上升。如上所述，真空断续器在10-8个大气压或10-5托的范围内进一步向帕邢曲线最低点的左侧操作，其中场致发射和其它方面决定击穿强度。此范围内的压力称为深操作压力。
再参照图1A和1B，如果容器102泄漏，则容器102中的压力上升，在泄露至高达大气压力时接近并通过真空断续器100的帕邢曲线最低点。容器102中的这种真空损失(排空空间104的压力从深操作压力上升至帕邢曲线最低点附近和以上的压力)可导致真空断续器100的故障，而不论触头110、114是断开还是闭合。例如，如果触头110、114在容器102中的真空损失时断开或在容器102中的真空损失之后断开，则触头110、114之间可能形成电弧。另外，当容器102泄漏时，氧气流入容器102中并且可引起触头110、114的氧化和触头电阻的相应增大以及载流时产生额外的热。因此，容器102的泄漏可引起热失控状态和/或断开的触头110、114两侧的电压损失和电流隔离。
机械地检测容器102中的真空损失会是有挑战性的。例如，当真空断续器100在使用时，机械真空计可能不够精确以检测容器102中的真空损失(或排空空间104中的压力上升)。附接在具有排空空间104——该排空空间具有3×10-8个大气压或2×10-5托的真空水平——的真空断续器100上的机械真空计将读取相对于标准压力的-101.33千帕(kPa)(-14.696psi)。在该深操作压力下，真空断续器100正确地操作。在帕邢曲线最低点处和附近，真空水平不足以提供真空断续器的良好电气特性，但由于相对于帕邢曲线最低点附近的压力变化的快速变化的击穿电压，在帕邢曲线最低点处或附近从机械量具读取的真空水平可与深操作压力几乎没有区别。例如，在帕邢曲线最低点处读取压力——其可为约7.5×10-4个大气压或0.57托——的机械真空计将读取-101.25kPa(-14.685psi)。在例如为2.7×10-4个大气压或0.21托左右的帕邢曲线最低点附近的压力下电压耐受性能可能受影响。在该水平下，机械量具将读取-101.30kPa(-14.692psi)。如果系统中存在在操作期间可能发生的其它可变性，则将在帕邢曲线最低点处或附近来自机械量具的压力读数与深操作压力进行区分会是有挑战性的。因此，机械真空计可能无法检测容器102中的真空损失(排空空间104的压力的上升)。
利用电容测量也会难以检测真空损失。电容与介电常数成比例。按照定义，理想真空的介电常数为1。对于处于标准温度和压力下的空气而言，介电常数为约1.0006。在接近的值之间进行区分的能力在操作状态下会例如由于在真空断续器100的操作期间会发生的其它系统变化而困难。
然而，压力的微小变化可导致通过传感器130测得的阻抗指示的大幅变化，并且真空感测系统131因此可通过阻抗的变化来检测排空空间104的压力的微小变化。
真空感测系统131的传感器130向控制器140提供与真空断续器100中的一个区域的阻抗有关的信号。控制器140经接口146与传感器130通信。接口146可包括导电线、引线或任何其它连接件。控制器140可包括电子处理器136、电子存储器137和收发器138。电子存储器137存储或许形式为计算机程序的指令，所述指令在被执行时引起电子处理器136处理信号以确定排空空间104的状态。例如，可处理该信号以确定传感器130的阻抗并且将该阻抗与前一阻抗进行比较以检测阻抗是否改变。传感器的阻抗的增大可表示容器102已损失真空(排空空间104的压力已上升)。
收发器138向远离真空断续器100例如位于包括真空断续器100的电源系统(未示出)的另一部分或位于操作站(未示出)的接收器或处理器提供排空空间104的状态指示。当空间104的状态指示表明空间104的压力已上升超过阈值时，收发器138可向例如操作站提供足以使真空断续器100或包括真空断续器100的开关设备停止工作的信号。控制器140包括电源139或由电源139供电，不论触头110、114处于断开还是闭合位置，电源139都向控制器140供电。控制器140还可包括用于激励或表征传感器130的装置，例如恒流源和/或电压计。
图3示出具有真空感测系统331的开关设备301的示例性实施方案。开关设备301包括具有相对于静触头314运动的动触头310的真空断续器300。通过利用一机构(未示出)经由致动杆312移动动触头310来断开和闭合真空断续器300。真空断续器300被示出处于断开位置，其中动触头310和静触头314通过间隙317分离。
真空断续器300包括封装触头310、314并且设计成维持真空密封的容器302。空气从容器302被去除，从而留下排空空间304。在排空空气之后，排空空间304的压力可以是约10-8个大气压或10-5托。容器302包括电绝缘体320和端盖322、324。真空断续器300还包括从真空断续器的纵向轴线径向向外延伸并位于触头310、314与传感器330之间的屏障329。屏障329保护传感器330免受触头310、314之间可能出现的电弧的影响。
真空感测系统331包括传感器330和位于真空断续器300外部的控制器340。控制器340包括电子处理器336、电子存储器337和无线收发器338。从真空断续器300通过的电流可通过导体342，该导体利用柔性引线344或本领域中已知的其它电流交换与真空断续器300连接。
传感器330测量阻抗，或提供阻抗指示，并且安装在真空断续器300的内部。传感器330产生包含代表测定的阻抗的值或数据的信号，并且将该信号提供给控制器340。控制器340的电子处理器336分析该信号以确定排空空间304的状态。
传感器330可经引线346从控制器340接收包含该信号的数据或将该数据提供给控制器340。一条或多条引线346可穿过容器302的壁中的电绝缘的通孔348。绝缘的通孔348成形为与容器302的壁中的开口配合并密封该开口。绝缘的通孔348接收并保持至少一条引线346。绝缘通孔348保持引线346，从而允许引线346在仍维持容器302的真空密封的同时穿过容器302(在图3的例子中穿过端盖322)。多于一条引线346可穿过一个或多个通孔348。
当触头310、314经由位于电流路径周围的电流互感器352闭合时，控制器340及其构件——包括电子处理器336——可由流经真空断续器300的电流供电。替代地，电子处理器336可由包括电阻器1和电阻器2的分压器350供电。电阻器1的值比电阻器2高。例如，与可为约100kΩ的电阻器2相比，电阻器1可为约100兆欧(ΜΩ)。电阻器1或电阻器2或电阻器1和电阻器2两者可安装在致动杆312的内部，如美国专利No.7,473,863中所示，该美国专利通过引用全文结合于此。分压器350即使在触头310、314断开时也向控制器340供电。利用这些供电技术的组合，不论触头310、314断开还是闭合，控制器340都可维持通电。因此，不论触头310、314断开还是闭合，都可监视排空空间304的状态或状况。
还应理解，尽管电子处理器336被显示为由电流互感器352和分压器350供电，但电子处理器336也可仅由这些中的一者供电。替代地，分压器也可从真空断续器300的移动端311到静止端313以在触头310、314断开但静止端313通电时供电。其它能量收获技术也是可行的，并且代替已经提到的例子或除它们之外，可使用这些技术中的任何技术。例如，电池也可或替换地用于向控制器340供电。
在图3所示的实施方案中，电子处理器336处于高电压下，与真空断续器300的移动端311的电压接近，并且排空空间304的状态通过无线收发器338无线地传输到安装在开关设备或电源系统(未示出)中的其它部位的接收器(未示出)。无线传输可利用可见光或不可见光，例如经由发光二极管，或可经由其它无线传输方法，例如无线以太网协议、蓝牙无线传输协议、固定射频协议和/或扩频无线协议实现。也可使用其它通信方法。
图4是安装在真空断续器400中的示例性传感器430的局部侧视截面图。真空断续器400与真空断续器300相似，并且传感器430可被用作传感器330。因此，参考图3描述真空断续器400。
在图4所示的实施方案中，传感器430是安置在容器302内部的感应丝。丝430经引线446与控制器340(未示出)连接，一条引线446穿过位于容器302的壁中的电绝缘通孔448。绝缘通孔448允许引线446穿过容器302的壁而不干扰容器302的真空密封。
丝430可以是由金属(例如，钨或锆)形成的线或带，其电阻率(和因此电阻)根据金属是纯的还是通过表面氧化或通过大部分氧化或其组合被氧化而显著改变。例如，纯锆的电阻率为4×10-5Ω·cm，但一旦氧化，则该电阻率为约107Ω·cm，大十个以上数量级。
当容器302中发生少量泄漏时，即使容器302中的压力接近帕邢曲线最低点，空气也泄漏到容器302中，从而使丝430氧化。丝430的电阻由于氧化而增大并且该电阻增大可利用控制器340测量。控制器340可通过例如使已知量的电流从丝430通过并测量丝430两侧由于该电流而出现的电压来测量丝430的电阻。在本例中，为了确定阻抗指示，电子处理器336将测定电压除以已知的电流以确定丝430的电阻。控制器340可采用任何其它已知方式测量丝的电阻。
此外，丝430的微观结构也可通过孔隙率、晶界操纵或表面粗糙度进行调节以增强和/或提高可用于在真空泄漏状态下与氧化剂互相作用的有效表面积。通过增大丝430的有效表面积，电阻的变化可更快地发生，从而允许也更快地测量电阻的变化(和因此容器302中的压力的上升)。在一些实施方案中，根据真空损失和流经丝430的电流量，丝430可熔断，从而导致接近无穷的电阻。
图5示出安装在真空断续器500中的示例性传感器530。除了与传感器530有关的细节外，真空断续器500与真空断续器300相似。因此，另外参考图3描述真空断续器500。传感器530可被用作传感器330。
传感器530包括安置在容器302内部的一对触头554、556。触头554、556可由例如铜合金或钨或锆合金制成。触头554、556不是主断续触头310、314，并且一对触头554、556始终闭合(彼此物理接触)。触头554、556例如未钎焊在一起，并且在断续器500中设计有波纹管或其它致动装置的情况下可以分离。然而，触头554、556应当保持闭合并且彼此物理接触。可使用小弹簧(未示出)向触头554、556施加接触压力以维持触头554与触头556之间的物理接触。
如果容器302泄漏，则氧进入容器并且容器302中的压力上升。触头554、556在存在氧的情况下氧化，从而引起触头554、556之间的接触电阻增大。因此，接触电阻的增大提供了排空空间304的状态或状况的指示。为了测试接触电阻的增大，控制器340(图3)可以以已知的时间间隔或响应于操作人员的干预而连续地发送流经触头554、556的少量电流。如果容器302中发生泄漏，即使是少量泄漏，触头554、556之间的接触电阻也由于氧化而增大，从而引起接触电阻的可测变化。与图4的丝430相似，触头554、556的材料的微观结构可通过孔隙率、晶界操纵或表面粗糙度调节以提高和/或增大可用于在真空泄漏状态时与氧化剂互相作用的有效表面积。
图6示出安装在真空断续器600中的示例性传感器630。除了与传感器630有关的细节外，真空断续器600与真空断续器300相似。因此，另外参考图3描述真空断续器600。传感器630可被用作传感器330。
传感器630包括安置在容器302的内部并利用引线646与控制器340连接的一对小触头656、658，至少一条引线646穿过位于容器302的壁中的电绝缘通孔648。触头656、658与主断续触头310、314是分开的并且在其基础之上增加。触头656、658保持断开，并通过间隙660彼此物理地分离。传感器630可用于测量电阻指示和容器302中的排空空间304的状况或状态的指示。然而，代替测量电阻，当使用感测装置630时，控制器340测量触头656、658之间的间隙660两侧的耐受电压。为了测量间隙660两侧的耐受电压，控制器340在触头656、658两侧施加电压。
如果容器302中的真空水平接近或逼近帕邢曲线最低点，则间隙660将被击穿并且在间隙660两侧形成火花或电弧。由于间隙660的尺寸小于处于断开位置的触头310、314之间的间隙317(图3)，所以在间隙660两侧击穿所需的电压差低于用于主真空触头310、314之间的击穿的电压差。因此，间隙660可被调整(扩大或缩小)以在比主触头310、314深的真空(更低的压力)下产生故障，并且控制器340可更快地提供容器302中的泄漏指示而不在真空断续器300或包括真空断续器100的电源系统中的其它部位产生介电故障。
在一些实施方案中，间隙660可以是间隙317的尺寸的约三分之一至十分之一。例如，间隙660可小于2毫米(mm)，并且间隙317可为约6mm至16mm。替代地，也可利用高几何场增强来降低感测间隙660的击穿电压。
替代地或附加地，可在间隙660的两侧测量泄漏电流。如果发生少量真空泄漏，则泄漏电流值也将增大。因此，控制器340测出泄漏电流已增大是容器302中的真空损失(或排空空间304的压力的上升)的指示。
图4-6的实施方案利用穿过容器302的壁的线或引线446、546、646将传感器430、530、630分别与控制器340连接。如果线穿过真空断续器端盖322、324中的一个，则线必须彼此隔离。一条线可直接附着在端盖322上，并且保持在端盖322的电压电位处。然而，至少一条线分别穿过安装在端盖322上的绝缘通孔448、548、648。应理解，一条或两条线可穿过通孔448、548、648，只要各条线彼此电气地隔离。
图7示出安装在真空断续器700中的示例性传感器730。真空断续器700与真空断续器300相似，与传感器730有关的细节和缺少穿过容器302的壁的通孔除外。因此，另外参考图3描述真空断续器700。传感器730可被用作传感器330。
传感器730包括电导探针762和安装在真空容器302的陶瓷绝缘体320的内侧的传感器730。传感器730可以是例如至少部分为金属的或导电的并且在存在诸如空气的氧化剂的情况下发生氧化的丝或带。电导探针762在真空断续器300已被钎焊之后安置在陶瓷绝缘体320的外侧(和真空断续器300的外部)。电导探针762经引线746与控制器340联接。在所示的例子中，引线746包括激励引线、共用引线和非共用引线。
如上所述，如果真空断续器700泄漏，则容器302中的压力上升。另外，该泄漏允许空气和其它流体进入容器302。空气和/或其它流体引起传感器730的氧化，从而增大传感器730的电阻。因此，传感器730的电阻的增大可表示排空空间304中的压力正在上升。
电导探针762用于测量传感器730的电导率或电阻。电导探针762利用高频交流(AC)信号(例如，1kHz-1MHz)或通过脉冲直流(DC)信号产生磁场。由电导探针762产生的磁场在附近的金属(包括传感器730)中产生涡电流。电导探针762测量受邻近的金属中的涡电流影响的所产生的磁场。例如，金属的电阻减小涡电流的振幅。因此，通过电导探针762测定的所产生的磁场的振幅与传感器730的电阻相关。因此，电导探针762可根据所产生的涡电流测量传感器730的电阻。
此外，与图4-6所示的实施方案相反，感测装置730不需要另外的真空密封，例如绝缘通孔348、448、548和648。因此，可在不穿过容器302的壁安置另外的真空密封件的情况下测量传感器730的电阻。
其它实施方案在权利要求的范围内。例如，屏障129的其它构型是可能的。在一些实施方案中，屏障129可沿纵向轴线103并且在传感器130与触头110、114之间竖直地延伸而不是从纵向轴线103径向地延伸出。
在上述实施方案中，传感器130、330、430、530、630、730位于最接近活动杆112、312的端盖122或322附近。在其它实施方案中，传感器可定位成更靠近端盖124、324。
电流互感器352和分压器350可与真空断续器100联用以向控制器140及其构件供电。
传感器430、530、630、730可与其它真空断续器联用。例如，传感器430、530、630、730中的任何传感器都可在真空断续器100中用作传感器130并与控制器140联接。
控制器140的电子存储器137和控制器340的电子存储器337可以是非永久性存储器，例如RAM。在一些实施方案中，电子存储器137、337可包括永久性和非永久性部分或构件两者。电子处理器136、336可以是适合于执行计算机程序的一个或多个处理器，例如通用或专用微处理器，和任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。
电子处理器136、336可以是任何类型的电子处理器并且可以是多于一个电子处理器。电子存储器137、337存储指令，或许作为计算机程序，其在被执行时引起电子处理器136、336与控制器140、340中的其它构件和/或与传感器130、330通信。例如，所述指令可以是提供通过传感器130、330的电流并测量得到的电压的指令。电子存储器137、337可存储通过传感器130、330产生的信号和传感器130、330以往(之前)产生的信号的数字表示。电子存储器137、337还可存储可供用于与来自传感器130、330的信号或经处理的信号比较的阈值。
在一些实施方案中，可能不需要完全数字的处理器。例如，传感器130、330可以是丝并且流经该丝的电流为LED供电。在该实施方案中，处理器136、336可以是具有阈值光检测水平的光电二极管。
另外，尽管该传感器被示意性地示出位于径向或轴向的取向上，但该传感器也可处于其它取向上，例如共轴或周向取向上。例如，图8示出安装在真空断续器800中的示例性传感器830的部分侧视截面图。传感器830是功能与传感器430相似的感测丝，但是传感器830安置在周向取向上而不是径向取向上。
在另一例子中，图9示出安装在真空断续器900中的示例性传感器930的部分侧视截面图。真空断续器900与真空断续器500相似，但感测触头954、956与绝缘通孔948共轴地安置。
此外，在一些实施方案中，可仅增加一个触头，并且该触头可与真空断续器的预先存在的部分例如端盖或屏障成对。此外，尽管各触头被示出为经端盖322中的通孔与控制器连接，但通孔也可穿过真空断续器100、300或容器102、302的其它构件，例如陶瓷绝缘体120、320。
例如，图10示出安装在与真空断续器500相似的真空断续器1000中的传感器1030的部分截面图，然而感测触头1054、1056与绝缘体1020和动触头1010共轴地安置。在图10的实施方案中，触头1054与真空断续器1000的端盖1022成对，其中端盖1022用作触头1056。绝缘通孔1048不是穿过端盖1022，而是与绝缘体1020共轴并且内径和外径与绝缘体1020基本相同，从而允许隔离的信号1046经过绝缘通孔1048与绝缘体1020之间。
在监视或跟踪传感器的电阻或泄漏电流或电阻或泄漏电流的变化的实施方案中，可同时或替换地监视或跟踪其它参数。例如，可跟踪传感器的温度或传感器附近的区域的温度。导电元件的电阻的变化在电流流经该元件时引起该元件的温度的相应变化。例如，对于从导电元件通过的给定量的电流而言，当电流在该元件中流动时，该元件的电阻的增大引起该元件产生更多热。
因此，在一些实施方案中，可跟踪和/或监视真空断续器100、300中的导电构件的温度作为容器102、302中的压力的间接测量。例如，除传感器的温度外或代替传感器的温度，可跟踪主触头110、114或310、314的温度，并且可针对载流和环境条件将主触头的温度与已知的基准温度进行比较。在跟踪或监视温度的实施方案中，该传感器可以是例如热电偶或测量温度的任何其它传感器，例如电阻温度装置或热敏电阻装置。
图11示出这种传感器的例子。图11是如例如美国专利号5,917,167和6,760,206中所示具有已封装在实心绝缘层1121中的真空断续器1100的开关设备的截面图，所述美国专利通过引用全文结合于此。开关设备1101可包含许多与开关设备301的元件相似的元件，包括电流传感器1152和包含电压传感器1170的致动杆1112，电压传感器1170包括电阻器R1。在机构(未示出)或控制系统(未示出)中，电阻器R2位于该系统的低电压侧。开关设备1101还包括电压传感器1170和操作腔1172。可以是热电偶、热敏电阻或任何其它构造成测量温度的传感器的热传感器1132也已经内置在包围装置1101的实心绝缘层1121中。热传感器1132安置在真空断续器1100附近。
图12示出热根据流经开关设备1101的电流而上升的以摄氏度(℃)为单位的预期热梯度的示例性图示。该热由于功率损失而产生并且是开关设备1101的阻抗和流经该设备的电流的平方的函数。通过电流传感器1152测量电流，因此，可预测开关设备1101中的任何部位(例如，热传感器1132的位置)的温度。通过将热传感器1132的输出与测量系统中的其它部位的环境温度的传感器的输出进行比较，热传感器1132也可测量该热上升。可将基于电流传感器1152的预测值与来自传感器1132的测定值进行比较。如果利用传感器1132测得的温度比预期值高预定极限，例如10℃，则真空断续器触头1110、1114由于真空损失而引起的氧化或系统中的其它故障可能是诱因，并且系统可在损伤发生之前相应地作出反应。替代地，代替与计算出的预期热上升进行比较，在三相系统中，可将三个传感器1132的输出彼此比较。如果三个传感器中的一个的读数比其它两个高出预定量，则系统同样可在损伤发生之前相应地作出反应。
应理解，本领域的技术人员可认识到传感器1132贴近真空断续器1100可影响其感测精度。替代地，传感器1132与1100之间的电应力可随着两者越接近而越增大。这两者可被平衡以允许适当的传感器精度，而不会对系统施加过度的电应力。
图11和12的说明采取固体介电系统。也可使用并监视其它绝缘系统例如矿物油或SF6的温度。
替代地，也可使用诸如热传感器1132的热传感器来测量图4-9所示的真空断续器中的任何一个附近的温度。得到的测量数据可用于作出相应地评价这些传感器的阻抗或真空水平的决定。
丝、带、触头组和其它类似技术的电阻的监视包括阻抗的真实和/或虚拟部分的监视。同样，应理解，控制电压或电流或波形可属于任何数量的频率和/或调制信号以最佳地监视和解释真空水平的物理状态。可根据应用和物理产品实施方案优化材料/电调制组合。

Claims (25)

1.一种真空断续器的感测系统，所述感测系统包括：
传感器，所述传感器包含在存在空气的情况下氧化并且至少部分地位于真空断续器的排空空间中的材料，所述传感器构造成产生所述材料的阻抗指示；和
与所述传感器联接的控制系统，所述控制系统包括电子处理器和存储指令的电子存储器，所述指令在被执行时引起所述电子处理器：
访问由所述传感器产生的阻抗指示，
基于访问的阻抗指示而确定所述传感器的材料的阻抗测量值，并且
基于所确定的阻抗测量值而确定所述真空断续器的所述排空空间的状态。
2.根据权利要求1所述的感测系统，其中，为了确定所述排空空间的状态，所述处理器基于所确定的阻抗测量值而判断所述排空空间的压力是否已升高。
3.根据权利要求1所述的感测系统，其中：
所述阻抗指示包含所述传感器两侧的电压和通过所述材料的电流中的一者，和
所确定的阻抗测量值包括所述材料的阻抗。
4.根据权利要求1所述的感测系统，其中，所述传感器包括保持彼此物理接触的多个触头，所述多个触头中的每个触头都包含在存在空气的情况下氧化的材料。
5.根据权利要求1所述的感测系统，其中，所述传感器包括触头以及所述真空断续器的端盖和屏障中的一者或多者。
6.根据权利要求1所述的感测系统，其中，所述电子存储器还储存第二阻抗测量值、阈值差和指令，所述指令在被执行时引起电子处理器：
将所确定的阻抗测量值与所述第二阻抗测量值进行比较以确定阻抗差，
在所确定的差等于或大于所述阈值差的情况下，产生足以提供使包括所述真空断续器的开关设备停止工作的信息的信号。
7.根据权利要求6所述的感测系统，其中，所述第二阻抗测量值是基于在较早的时间从所述传感器获得的访问的阻抗测量值而确定的阻抗测量值。
8.根据权利要求1所述的感测系统，其中，所述电子存储器还存储阈值阻抗测量值和指令，所述指令在被执行时引起所述电子处理器：
将所确定的阻抗测量值与所述阈值阻抗测量值进行比较，
在所确定的阻抗测量值等于或大于所述阈值阻抗的情况下，产生足以提供使包括所述真空断续器的开关设备停止工作的信息的信号。
9.一种检测真空断续器中的真空损失的方法，所述方法包括：
测量在存在空气的情况下氧化并且封装在所述真空断续器内部的排空空间中的材料的阻抗指示；
基于所述材料的测定的阻抗指示而确定所述排空空间的压力指示；以及
基于所确定的压力指示而产生表示所述排空空间的状态的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述测定的阻抗指示包含所述材料的温度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述测定的阻抗指示是电压、电流、电导率和电阻率中的一者或多者。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括：
测量在空气中氧化的材料的第二阻抗指示；
将所述测定的阻抗指示与测定的所述第二阻抗指示进行比较以确定测定的所述第二阻抗指示与所述测定的阻抗指示之差；
将该差的大小与阈值进行比较；以及
当所述差的大小等于或超过所述阈值时，产生足以提供使包括所述真空断续器的开关设备停止工作的信息的信号。
13.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述真空断续器包括为了防止电流流经所述真空断续器而断开并且为了容许电流流经所述真空断续器而闭合的主触头，并且
在空气中氧化的所述材料与主触头分开并且不同。
14.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述真空断续器包括为了防止电流流经所述真空断续器而断开并且为了容许电流流经所述真空断续器而闭合的主触头，
所述阻抗指示包含温度，并且
在空气中氧化的所述材料包括所述主触头的一部分。
15.一种真空断续器，包括：
静触头；
构造成在断开位置与闭合位置之间相对于所述静触头运动的动触头，所述静触头和所述动触头在所述断开位置分离并且在所述闭合位置接触；
容器，所述容器将所述动触头和所述静触头封装在排空空间中；和
构造成产生所述排空空间中的一个区域的阻抗指示的传感器。
16.根据权利要求15所述的真空断续器，其中，所述传感器包含在存在空气的情况下氧化的材料并且构造成产生所述材料的阻抗指示。
17.根据权利要求15所述的真空断续器，其中，所述传感器构造成在所述断开位置和所述闭合位置中的一个或多个位置产生所述阻抗指示。
18.根据权利要求15所述的真空断续器，其中，所述阻抗指示是通过所述传感器的电流量、所述传感器两侧的电压、所述传感器的电导率、所述传感器的阻抗、所述传感器的温度和所述传感器或真空断续器附近的一个区域的温度中的一者或多者。
19.根据权利要求15所述的真空断续器，其中
所述传感器包括通过间隙彼此物理地分离的触头，所述传感器的所述触头与所述动触头和所述静触头分离并且不同，并且
所述排空空间中的一个区域的阻抗指示包含所述传感器的触头之间的间隙两侧的电压。
20.根据权利要求19所述的真空断续器，其中，所述容器包括一个或多个端盖和屏障，并且所述传感器的所述触头之一是其中一个所述端盖或所述屏障。
21.根据权利要求15所述的真空断续器，其中，所述阻抗指示包含所述排空空间的击穿电压。
22.一种系统，包括：
真空断续器，其包括：
静触头；
构造成在断开位置与闭合位置之间相对于所述静触头运动的动触头，所述静触头和所述动触头在所述断开位置分离并且在所述闭合位置接触；和
容器，所述容器将所述动触头和所述静触头封装在排空空间中；
构造成产生所述排空空间中的一个区域的阻抗指示的传感器；以及
控制系统，所述控制系统与所述传感器联接并且构造成从所述传感器接收数据和向所述传感器提供数据，所述控制系统包括电子处理器和存储指令的电子存储器，所述指令在被执行时引起电子处理器：
访问所述排空空间中的区域的阻抗指示，并且
基于访问的阻抗指示确定所述排空空间的状态。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述传感器处于所述排空空间中。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述传感器包括热传感器。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括至少部分地包围所述容器的绝缘体，并且其中构造成测量温度的所述传感器位于所述绝缘体中和所述排空空间的外部。
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