Измерване на вакуумното състояние във вакуумен прекъсвач чрез метод на механично наблюдение на налягането

Мониторинг на вакуумното състояние в вакуумни прекъсвачи

Вакуумните прекъсвачи (VIs) служат като основен средство за прекъсване на кръговете в системите за средно напрежение и все по-често се използват в системи с ниско, средно и високо напрежение. Производителността на VIs зависи от поддържането на вътрешно налягане под 10 hPa (където 1 hPa е равно на 100 Pa или 0,75 torr). Преди да напуснат фабриката, VIs се тестват, за да се гарантира, че техният вътрешен вакуум е ≤10^-3 hPa.
Производителността на VI корелира с неговото вакуумно ниво; обаче, тя не е просто пропорционална на вътрешното налягане. Вместо това, налягането вътре в VI може да бъде класифицирано в три групи:

•    Ниско налягане: Под 10^-6 hPa
•    Средно налягане: От приблизително 10^-3 hPa до минималното налягане на Пашен
•    Високо налягане: Обикновено индикатор за дефект, водещ до излагане на въздух

В диапазона на ниското налягане, VIs функционират ефективно. Обаче, в средния диапазон, както диелектричната сила, така и способността за прекъсване се деградират, деградация, която продължава в диапазона "до въздуха". Интересно, че въпреки че диелектричната производителност е най-ниска в средния диапазон на налягане, тя всъщност се подобрява малко в диапазона "до въздуха"—макар и не до нивото, наблюдавано в диапазона на ниското налягане.
Е важно да се признае, че никой от обсъжданите методи за мониторинг не покрива целия диапазон на налягането вътре в VI, от ниското налягане до условия "до въздуха". Всяк един метод се прилага към специфичен диапазон, детайлно описан в текста и сумиран в таблица 1. Освен това, ефективността на определени методи варира в зависимост от конструкцията на VI, а някои изходи могат да бъдат повлияни от състава и налягането на потенциално утечкащи газове във VI, като атмосферен въздух или SF6 газ, използван в GIS комутационни устройства.

Широкото приложение на VIs в комутационни устройства за средно напрежение подчертава предизвикателството за потвърждаване на целостта на вакуума на полето, особено след десетилетия на използване. Инспекциите на VIs след повече от 20 години използване дават смесени резултати. Е важно да се отбележи, че VIs са само една компонента от по-голяма система; функционалността на механизма, контролната верига, проектуването на веригата и други елементи са също толкова важни за ефективната работа на VIs.

Таблица 1 предоставя резюме на общите приложения на тези методи за мониторинг в околната среда на SF6, заедно с практически съображения за техното използване с GIS комутационни устройства. Тази таблица също изброява резултатите от различни методи за тестове, акцентирайки сложностите, свързани с осигуряването на дългосрочната надеждност на VIs в разнообразни оперативни контексти. Разбирането на тези нюанси е съществено за оптимизиране производителността и продължителността на живот на електрическите системи, които се ползват от технологията на вакуумните прекъсвачи.

Измерване на състоянието на вакуумните прекъсвачи чрез механичен мониторинг на налягането

Атмосферното налягане оказва значителна затваряща сила върху движещия се терминал на вакуумните прекъсвачи (VIs). За VIs, използвани в прекъсвачи, тази сила обикновено достига до няколко стотин нютони. Когато вакуумът вътре в VI е напълно загубен, вътрешното налягане се равнява на външното атмосферно налягане, което значително намалява затварящата сила и изменя механичното поведение на VI. Диагностични методи, базирани на откриването на това изменение, могат да идентифицират единствено когато VI е напълно загубил вакуума си, т.е. е станал "до въздуха." Забележително е, че дори при налягания, близки до минималното налягане на Пашен, достатъчно налягане остава вътре в VI, за да се поддържа пълната затваряща сила.

Основен метод за механичен мониторинг на налягането

Основният подход към механичния мониторинг на налягането включва прикрепяне на допълнителен движещ се компонент към VI чрез колеблющ се или подобен механизъм (виж фигура 1). Когато вакуумът е напълно загубен, този допълнителен компонент се движи поради равновесието между вътрешното и външното налягане. В противоречие с движещия се контакт, който е ограничен от механизма на прекъсвача, този допълнителен компонент е свободен да се движи. Система за откриване наблюдава промените в позицията на този допълнителен компонент и реагира съответно. В зависимост от използваната система за откриване, тази конфигурация позволява непрекъснат мониторинг на VI. Движението на допълнителния компонент се определя от собствената му конструкция, а не от общата конструкция на VI, което прави този метод приложим към VIs с ниско, средно и високо напрежение.
Практични съображения

Въпреки че теоретично е възможно, използването на затварящата сила върху движещия се терминал на VI за откриване на загуба на вакуум представлява предизвикателства. Атмосферното налягане обикновено прилага сила от няколко стотин нютони към движещия се терминал на VI, докато самият прекъсвач прилага затваряща сила от няколко хиляди нютони. Следователно, идентифицирането на намаление в затварящата сила на VI чрез механичното поведение на прекъсвача е трудно, поради относително малката величина на затварящата сила на VI в сравнение с тази на прекъсвача. Във вакуумните контактори, обаче, където приложената сила от механизма на контактора е по-ниска, диагностика на пълна загуба на вакуум чрез механично поведение може да бъде по-осъществима.

Чрез използване на допълнителен движещ се компонент и система за откриване, механичният мониторинг на налягането предлага практически решение за непрекъснато оценяване на вакуумното състояние на VIs. Този метод предоставя надежден начин за откриване на пълна загуба на вакуум, въпреки че не може да идентифицира частични увеличения на налягането във VI. Невъзпитно, той представлява ценен инструмент за осигуряване на целостта и функционалността на VIs в различни нива на напрежение и приложения.

Този метод гарантира, че всяка значителна загуба на вакуум бъде незабавно открита, позволявайки своевременни действия за поддръжка или замяна, което подобрява надеждността и безопасността на електрическите системи, които се ползват от VIs.

Фон на мониторинга на вакуумните прекъсвачи чрез метод на механичен мониторинг на налягането

Методът на механичния мониторинг на налягането оценява целостта на вакуума на вакуумния прекъсвач (VI) чрез откриване на промени в механичното поведение, причинени от загубата на затварящата сила, причинена от атмосферното налягане върху движещия се терминал. Този метод предоставя бинарен, успешен/неуспешен измервател, указващ дали VI е загубил вакуума си и е "до въздуха." Налягането около минималното налягане на Пашен и други критични точки, където производителността на VI започва да се деградира, са твърде ниски, за да причинят някакви откриваеми механични промени чрез този метод.

Преимущества и недостатъци на метода на механичния мониторинг на налягането

Преимущества:
•    Съвместимост: Методът обикновено е съвместим с различни видове изолация, включително SF6, масло и твърда изолация, при условие, че практически проблеми като пространствени ограничения и насочване на светлина към оборудването за откриване могат да бъдат управляеми.
•    Ползи от оптичния метод: Използването на оптичен метод позволява преместване на некомпетентни компоненти в нисконапреговото отделение на комутационното устройство, което може да подобри безопасността и лесното поддържане.
Недостатъци:
•    Изискване за инсталация: Движещият се компонент, необходим за мониторинг на налягането, трябва да бъде инсталиран по време на първоначалното производство на VI. Не може да бъде инсталиран последователно на вече изградени VIs. Макар теоретично да е възможно да се интегрират VIs, оборудвани с тази функция, в съществуващи прекъсвачи заедно с необходимото оборудване за мониторинг, практически предизвикателства, свързани с инсталирането на удължението за допълнителния компонент, често правят това непрактично.
•    Забележки относно надеждността: Надеждността на измервателното оборудване в сравнение с VI представлява значителен риск. Допълнителни спаяни части, добавени към VI, въвеждат потенциални нови пътища за утечка и може да бъдат по-уязвими към повреди по време на инсталирането, което може да доведе до загуба на вакуум.

Хрупкост на компонентите:

• Оптични техники: Оптоволокната, използвана в системата за откриване, е уязвима към дезориентация, повреди по време на инсталирането и заблъскване от кондензация или прах.

• Метод с електрически контакти: Откриването на движение чрез електрически контакти изисква захранван микрочип близо до VI, който трябва да бъде и електрически изолиран. Това въвежда няколко потенциални режима на отказ, включително проблеми с надеждността на микрочипа, успешно предаване на сигнала, захранване на чипа и поддържане на електрическата изолация.

Резюмирайки, въпреки че методът на механичния мониторинг на налягането предлага директен начин за потвърждаване дали VI е напълно загубил вакуума си, той има значителни ограничения. Тези включват невъзможността за последователна инсталация, потенциални проблеми с надеждността на допълнителни компоненти и практически предизвикателства, свързани с инсталирането и експлоатацията. Осезателна оценка на тези фактори е съществена при решаването за приложимостта на този метод за конкретни приложения. Осигуряването на здрава конструкция и реализация може да помогне за намаляване на някои от тези рискове, което подобрява общата надеждност и ефективност на системите за мониторинг на вакуумните прекъсвачи.