1.1 课题的研究背景和意义
随着我国经济快速增长，用户对电力的需求和依赖也逐年增高，这无疑对电力系统的供电可靠性提出了更高的要求。大面积的停电，会给人民生活和工业生产上带来很大的不便，甚至造成无法估量的经济损失。2008 年我国南方雪灾造成的大面积停电事故，为电力系统的研究工作者敲响了警钟。作为电力系统中开断负载或者故障线路的主要器件，真空断路器的可靠运行对于建设坚强电力系统有着重要意义。真空断路器具有可靠性强、灭弧能力强、环保无污染以及使用安全、维护简单等诸多优点，在电网中占据重要地位，其自身良好的品控在实际工作中更是表现优异。真空断路器是以高真空作为灭弧介质，因此其自身具有较高的绝缘强度与抗击穿能力，在真空断路器的设计中可以大大缩短动静触头开距，从而使其整体（包括连杆操动机构）体积较小[1]。在中高压电力网的应用范围内，真空断路器逐步代替其它类型的开关设备将成为一种必然趋势。通过高真空来实现电力系统中灭弧的想法来源已久。20 世纪 60 年代初期，我国在研制真空断路器方面就已有所成就，1960 年成功研制了开断能力近 600A，额定电压为 6.7k V 的真空断路器。自 70 年代起，真空断路器正式投入生产并在实际应用中获得成功。同期我国限于技术生产水平较为低下，通过不断引进国外先进技术理念，坚持开发自主科研实力，最终成为真空断路器研制生产及使用大国。几十年来，随着我国自主能力的提升，大容量、高电压、智能化、小型化以及低过电压的方向发展日渐成为研制方向，这也符合电力系统未来的发展趋势。一般来说，真空断路器的型号不同，其自身性能亦有差别。在不同的使用环境下，对真空状态的要求不一样，也没有达成统一的国际标准。因此，在实际使用当中，对于不同的环境，应选择相适应型号的真空断路器，例如，使用环境可区分为户外与户内、平原与高原等等。国标规定，根据真空断路器的灭弧能力，真空断路器真空度最低标准为6.6×10-2Pa，部标最低标准规定为1.33×10-2Pa。总的来说，如果真空断路器真空度超过最低标准，就必须立即退出运行，考虑对其进行大修或者改造换新。
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1.2 真空度与灭弧性能
真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架、配套部件是真空断路器的主要组成部分。高真空状态下绝缘性能高，灭弧能力显著，真空断路器即以此原理开发，因此可以说真空灭弧室是真空断路器最重要的核心部件。高真空灭弧特性随着真空灭弧室真空程度的高低产生较大差异，可以说真空度不但是评价灭弧能力的唯一指标，更关系到断路器内、外过电压能力。通常由于断路器多用于分断故障（如过流、欠压等诸多保护），若灭弧能力降低，极有可能造成电网、设备和人员伤害，因此断路器真空灭弧室是否保持在高水平与否，与电网安全稳定运行密切相关。而真空断路器的使用寿命，除了通常设备具有的“机械寿命”之外，还包括“真空寿命”的概念。其中“真空寿命”又是真空断路器真正意义上的使用价值。真空状态下的气体分子稀薄程度，就是指通常意义上的真空度，真正的真空状态是很难实现的，真空灭弧室内或多或少都存在一定的气体分子，而这些稀薄气体产生的压强指的就是真空灭弧室的真空度。当真空灭弧室内压强在 10-5~ 10-2Pa 之间这个范围内时，灭弧室的灭弧性能和绝缘性能均可达到最佳状态。如 SF6 断路器在SF6 气体泄露而导致灭弧能力降低时，闭锁保护启动将闭锁断路器。而真空断路器由于结构原因不具备相应的闭锁保护，在真空度劣化情况下，断路器分断过程中电弧无法熄灭，极易造成电网电力事故扩大。
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第 2 章 真空灭弧室真空度测量方法研究
鉴于目前所存在的真空断路器真空度测量仪器准确度等级并不高，且由于试验原理不同，随着测量范围的不同，其测量准确性也随之变化。加上变电站出线线路运行方式不同，现场测量条件往往不能满足试验要求，现存的试验仪器并不能满足真空断路器真空度及时、准确测量的要求。论文着重探讨一种适用范围更广、准确度等级更高的测量方法，本章将为以后的研究做理论基础。
2.1 真空灭弧室结构
下图所示为真空灭弧室主要结构，灭弧室主要组成部分有以下几个：动、静触头组成的导电部分、气密绝缘外壳、波纹管以及屏蔽系统等。首先介绍灭弧室导电部分，包括动导电杆、动触头、静导电杆、静触头、静跑弧面、动跑弧面。动导电杆、动触头、动跑弧面合称动电极，当真空断路器合闸时，动导电杆的运动。静电极主要由静触头、静导电杆、静跑弧面组成，通过断路器操动机构，使断路器动、静触头分合。为了使两触头间的接触电阻尽可能减小且灭弧室承受电流时有良好的机械强度，在真空灭弧室动导电杆一端设置有导向套，并使用一组压缩弹簧，使两触头间保持有一个额定压力。在分断电流时，灭弧室两触头分离，在这个过程中产生了电弧，直至电流自然过零时电弧才熄灭，这样便实现了电路的断开[11]。屏蔽系统主要是指屏蔽罩（制造材料一般为不锈钢、铜或镍钴铁合金材料），为了使灭弧室内的整个电场和电容对称的、均匀的分布，取得优良的绝缘性，它的结构要合理。波纹管主要用来隔绝外部空气使灭弧室内保持真空状态，同时可以为动导电杆和动触头提供足够的活动自由度，从而完成真空断路器的分断和闭合。通过触头分合，也就是断路器的开距，实现电路接通与分断，触头多采用纵磁场的形式，因为纵向磁场可以阻碍电弧的收缩，即使在分断大电流情况下也能够有效地使电弧快速扩散从而实现平稳迅速的灭弧，不对触头造成影响，这样使触头表面受热均匀。
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2.2 灭弧室真空度测量原理
真空技术中往往用一个标准大气压来定义真空度，而大气压也是表达空间内气体状态的标准。通俗的说，高真状态下空间内气体分子少，这就使得空间内导电的能力减小，这样真空度越高，空间内绝缘效果越好，这就是真空灭弧室灭弧的原理。脉冲磁控放电法：强电场激发出来的电子与稀薄气体分子发生碰撞而电离，形成了较大的可测量的离子电流。由于该离子电流与灭弧室真空度的对数值基本成线性关系，所以只要测量离子电流就可以确定真空度的值。加磁场不仅可以加长电子的行径，提高和气体分子碰撞的机率，还可以增大离子电流，从而降低对外加电场的强度要求。外加磁场、电场强度以及触头开距都会影响离子电流的测量值与测量范围，但起决定作用的还是外加磁场和电场的强度以及磁场的方向。需要注意的是，在磁场和电场的共同作用下，真空灭弧室存在吸气和放气效应。为了保证测量的准确性，往往采用同步施加脉冲磁场和电场的方法，这就是脉冲磁控放电法的测试原理，如图 2-2 所示。从图 2-2 中可以清楚地看到，当建立稳定的放电电流以后，阴、阳电极之间（动、静触头之间）的放电过程可以认为是弱电离等离子体的行为。根据局部热力学平衡萨哈方程和等离子体的玻姆鞘层理论，就可以建立求解最大的离子电流表达式的模型。
第 3 章 两种真空度测量方法的综合分析....17
3.1 引言........17
3.2 真空度测量方法比对分析........17
3.2.1 测量原理....17
3.2.2 测量条件....18
3.2.3 测量区间和精度....18
3.3 校准曲线及其改进........18
3.3.1 真空度自校准曲线的原理....18
3.3.2 真空度自校准曲线的设计....19
3.4 真空度自校准曲线的处理方法........19
3.5 本章小结........24
第 4 章 基于 BP 神经网络的真空度数据融合........25
4.1 引言........25
4.2 BP 算法的真空度测量数据融合........254
4.3 本章小结........32
第 5 章 真空断路器真空度状态检修管理....33
5.1 引言........33
5.2 真空度随时间的变化........33
5.3 真空度测量计算公式........36
5.4 基于后台保护的真空度状态检修管理........39
5.5 真空度状态管理在实际中的使用........41
5.6 本章小结........44
第 5 章 真空断路器真空度状态检修管理
5.1 引言
在论文前几章中，主要研究了如何在算法上使真空灭弧室真空度测量更加精确。本章将运用以上理论，将真空度算法融入真空断路器真空度保护中。由于真空断路器真空灭弧室的特殊构造，真空度在线监测系统的使用与电网没有电气连接，真空断路器并不能像 SF6 断路器一样，具有类似在线监测气体压力的功能。目前所提出的在线监测真空度方式中，受到电网运行中电磁、网络信号等影响较大，真空度的在线监测不能实现或者监测偏差较大。因上述原因，保护功能的缺失大大制约了真空断路器的实际应用，一旦出现故障，会对人身、电网安全造成极大损害。国网公司在提出了电力设备“状态检修”理念，致力于将设备状态系统化管理。随着真空断路器应用愈加广泛，本章将研究如何在“在线真空度监测”缺失的情况下，实现以真空断路器“真空度状态检修”为目的的管理系统作为弥补。首先，从时间因素出发，在软件保护基础上，结合上文中真空度计算方法的原理，提出一种能够在实际工作中实现的真空断路器真空度测量计算设计，并探讨实现其在线监测的可行性。目前，在断路器外部或者内部添加感应装置等方式还在研究当中，由于在变电站往往存在较强的电磁场，因此信号装置不能较好的发挥其作用。本节将逐步分析影响真空度变化的几个主要时间因素，以计算的方式表达出来，实现利用公式计算真空度灭弧室真空度值。由保护装置对断路器中分断电流进行实时监测，每次经过分断之后，通过燃弧电流与时间，计算本次分断对真空灭弧室真空度的影响。
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结 论
本论文首先是从计算的角度出发，来探寻一种新的、更加精
