Měření vakuumového stavu v vakuumovém přerušovači metodou sledování mechanického tlaku

Monitorování vakuumového stavu v vakuumových přerušovačích

Vakuumové přerušovače (VIs) slouží jako hlavní médium pro přerušení obvodu středně vysokého napětí a jsou čím dál více využívány v nízkých, středně vysokých a vysokých napěťových systémech. Výkon VIs závisí na udržování vnitřního tlaku pod 10 hPa (kde 1 hPa je rovno 100 Pa nebo 0,75 torr). Před opuštěním továrny jsou VIs testovány, aby bylo zajištěno, že jejich vnitřní tlak je ≤10^-3 hPa.
Výkon VI koreluje s jeho stupněm vakuu; avšak není to jednoduše úměrné vnitřnímu tlaku. Místo toho lze tlak uvnitř VI rozdělit do tří skupin:

•    Nízký tlak: Pod 10^-6 hPa
•    Střední tlak: Od přibližně 10^-3 hPa až po Paschenův minimální tlak
•    Vysoký tlak: Obvykle ukazatel selhání vedoucího k expozici vzduchu

V oblasti nízkého tlaku fungují VIs efektivně. Avšak v oblasti středního tlaku dochází k degradaci izolačního odporu a schopnosti přerušovat, což pokračuje až do oblasti "až k vzduchu". Zajímavě, i když izolační výkon je v oblasti středních tlaků nejnižší, ve skutečnosti se trochu zlepší v oblasti "až k vzduchu"—i když nikoli na úrovni pozorované v oblasti nízkého tlaku.
Je zásadní si uvědomit, že žádná z diskutovaných metod monitorování nezahrnuje celý rozsah tlaků uvnitř VI, od nízkého tlaku až po oblast "až k vzduchu". Každá metoda se používá pro specifický rozsah, detailně popsán v textu a shrnut v tabulce 1. Kromě toho se efektivita některých metod liší podle konstrukce VI, a některé výstupy mohou být ovlivněny složením a tlakem plynů, které se možná dostanou do VI, jako je atmosférický vzduch nebo SF6 plyn používaný v GIS přepínačích.

Rozsáhlé nasazení VIs v přepínačích středně vysokého napětí zdůrazňuje výzvu spočívající v potvrzení integrity vakuu v terénu, zejména po desetiletích provozu. Kontroly VIs po více než 20 letech používání přinesly smíšené výsledky. Je důležité si uvědomit, že VIs jsou jen jednou součástí většího systému; funkčnost mechaniky, řídícího obvodu, obvodového návrhu a dalších prvků je stejně klíčová pro efektivní fungování VIs.

Tabulka 1 poskytuje shrnutí obecných aplikací těchto metod monitorování v prostředí SF6, spolu s praktickými zváženími pro jejich použití s GIS přepínači. Tato tabulka také popisuje výsledky různých testovacích metod, zdůrazňuje komplexity spojené s zajištěním dlouhodobé spolehlivosti VIs v různých operačních kontextech. Porozumění těchto jemností je klíčové pro optimalizaci výkonu a životnosti elektrických systémů, které se spoléhají na technologii vakuumových přerušovačů.

Měření stavu vakuumového přerušovače pomocí mechanického monitorování tlaku

Atmosférický tlak vyvíjí významnou uzavírací sílu na pohyblivé čidlo vakuumových přerušovačů (VIs). Pro VIs používané v přepínačích tento tlak obvykle činí několik set newtonů. Když je vakuu uvnitř VI kompletně ztraceno, vnitřní tlak se vyrovná s vnějším atmosférickým tlakem, což významně snižuje uzavírací sílu a změní mechanické chování VI. Diagnostické metody založené na detekci této změny mohou identifikovat pouze okamžik, kdy VI kompletně ztratilo své vakuu, tj. stalo se "až k vzduchu." Poznámkově, i při tlacích blízkých Paschenovu minimu zůstává v VI dostatečný tlak, aby se udržela plná uzavírací síla.

Hlavní metoda pro mechanické monitorování tlaku

Primární přístup k mechanickému monitorování tlaku spočívá v připojení dodatečného pohyblivého prvku k VI pomocí gumového hadičkového mechanismu nebo podobného zařízení (viz obrázek 1). Když je vakuu kompletně ztraceno, tento dodatečný prvek se pohne kvůli vyrovnání vnitřního a vnějšího tlaku. Na rozdíl od pohyblivého kontaktu, který je omezován mechanismem přepínače, je tento dodatečný prvek volný k pohybu. Detekční systém sleduje změny polohy tohoto dodatečného prvku a reaguje odpovídajícím způsobem. V závislosti na použitém detekčním systému umožňuje tato konfigurace nepřetržité monitorování VI. Pohyb dodatečného prvku je určen jeho vlastní konstrukcí, nikoliv celkovým návrhem VI, což dělá tuto metodu použitelnou pro nízké, středně vysoké a vysoké napěťové VIs.
Praktická zvážení

I když teoreticky možné, použití uzavírací síly na pohyblivém čidle VI k detekci ztráty vakuu přináší výzvy. Atmosférický tlak obvykle vyvíjí sílu několika set newtonů na pohyblivé čidlo VI, zatímco samotný přepínač vyvíjí uzavírací sílu několika tisíc newtonů. Proto je obtížné identifikovat snížení uzavírací síly VI prostřednictvím mechanického chování přepínače, kvůli relativně malé síle uzavírací síly VI v porovnání s silou přepínače. V vakuumových kontaktorech, kde je použitá síla z mechanismu kontaktoru nižší, může být diagnostika kompletní ztráty vakuu prostřednictvím mechanického chování více realizovatelná.

Použitím dodatečného pohyblivého prvku a detekčního systému nabízí mechanické monitorování tlaku praktické řešení pro nepřetržité hodnocení stavu vakuu u VIs. Tato technika poskytuje spolehlivý způsob, jak detekovat kompletní ztrátu vakuu, i když nemůže identifikovat částečné zvýšení tlaku uvnitř VI. Nicméně, představuje cenný nástroj pro zajištění integrity a funkčnosti VIs v různých napěťových úrovních a aplikacích.

Tato metoda zajistí, že každá významná ztráta vakuu bude rychle zjištěna, což umožní včasné provedení údržby nebo výměny, čímž se zlepší spolehlivost a bezpečnost elektrických systémů, které se spoléhají na VIs.

Pozadí monitorování vakuumového přerušovače pomocí metody mechanického monitorování tlaku

Metoda mechanického monitorování tlaku hodnotí integritu vakuu vakuumového přerušovače (VI) detekcí změn v mechanickém chování způsobených ztrátou uzavírací síly způsobenou atmosférickým tlakem na pohyblivém čidlo. Tato metoda poskytuje binární, pas/nezdařilo se měření, které indikuje, zda VI ztratil své vakuu a je "až k vzduchu." Tlaky okolo Paschenova minima a dalších kritických bodů, kde začíná degradace výkonu VI, jsou příliš nízké, aby způsobily jakoukoli detekovatelnou mechanickou změnu touto metodou.

Výhody a nevýhody metody mechanického monitorování tlaku

Výhody:
•    Kompatibilita: Metoda je obecně kompatibilní s různými typy izolace, včetně SF6, oleje a pevné izolace, pokud jsou praktické problémy, jako jsou omezení prostoru a směrování světla k detekčnímu zařízení, řešeny.
•    Výhody optické techniky: Použití optické techniky umožňuje přesunutí neoptických komponent do nízkonapěťového oddílu přepínače, což může zlepšit bezpečnost a snadnost údržby.
Nevýhody:
•    Požadavek na instalaci: Pohyblivý prvek potřebný pro monitorování tlaku musí být instalován během počáteční výroby VI. Nelze ho montovat na již postavená VI. I když by bylo teoreticky možné integrovat VI vybavené touto funkcí do existujících přepínačů spolu s požadovaným měřicím zařízením, praktické problémy spojené s zapojením rozšíření pro dodatečný prvek do existujících instalací často toto činí nepraktickým.
•    Obavy ohledně spolehlivosti: Spolehlivost měřicího zařízení ve srovnání s VI samo představuje značný riziko. Dodatečné svařené části přidané k VI přinášejí potenciální nové cesty pro unikání a mohou být více náchylné k poškození během instalace, což může vést k ztrátě vakuu.

Křehkost komponent:

• Optické techniky: Optické vlákno používané v detekčním systému je zranitelné k nesouladu, poškození během instalace a blokování kondenzací nebo prachem.

• Elektromagnetická kontaktní metoda: Detekce pohybu pomocí elektromagnetických kontaktů vyžaduje napájení mikroobvodu poblíž VI, který musí být také elektricky izolován. To přináší několik potenciálních způsobů selhání, včetně problémů se spolehlivostí mikroobvodu, úspěšným přenosem signálu, napájením obvodu a udržováním elektrické izolace.

Zkrátka, i když metoda mechanického monitorování tlaku nabízí jednoduchý způsob, jak potvrdit, zda VI kompletně ztratil své vakuu, přináší značné omezení. Tyto omezení zahrnují nemožnost montáže na existující VI, potenciální obavy ohledně spolehlivosti dodatečných komponent a praktické problémy spojené s instalací a provozem. Pečlivé zvážení těchto faktorů je nezbytné při rozhodování o vhodnosti této metody pro specifické aplikace. Zajištění robustního návrhu a implementace může pomoci zmírnit některá z těchto rizik, což zlepší celkovou spolehlivost a efektivitu systémů pro monitorování vakuumových přerušovačů.