Måling af vakuumtilstand i vakuumafbryder ved mekanisk trykovervågning

Overvågning af vakuumtilstand i vakuumafbrydere

Vakuumafbrydere (VIs) fungerer som det primære kredsløbsafbrydende medium for mellemspændingsstrømsystemer og bliver stadig mere anvendt i lav-, mellem- og højspændingssystemer. Ydeevnen af VIs afhænger af at opretholde et indre tryk under 10 hPa (hvor 1 hPa er lig med 100 Pa eller 0.75 torr). Før de forlader fabrikken, testes VIs for at sikre, at deres indre tryk er ≤10^-3 hPa.
Ydeevnen af en VI korrelerer med dens vakuumniveau; dog er det ikke blot proportionalt med det indre tryk. I stedet kan trykket inden i en VI inddeles i tre grupper:

•    Lavt Tryk: Under 10^-6 hPa
•    Mellemtrinstryk: Fra ca. 10^-3 hPa op til Paschens minimumstryk
•    Højt Tryk: Generelt indikator på en fejl, der fører til udsættelse for luft

I det lavtryksområde fungerer VIs effektivt. Dog forringes både dielektriske styrke og afbrydelsesevne i det mellemtrinstryksområde, en forringelse, der fortsætter ind i det "op mod luft"-område. Interessant nok er, at selvom dielektrisk ydeevne er lavest i det mellemtrinstryksområde, forbedres den faktisk noget i det "op mod luft"-område - dog ikke til det niveau, der ses i det lavtryksområde.
Det er vigtigt at anerkende, at ingen af de diskuterede overvågningsmetoder dækker hele trykspannet i en VI, fra lavt tryk til "op mod luft"-forhold. Hver teknik gælder for et specifikt område, detaljeret i teksten og resumeret i Tabel 1. Desuden varierer effektiviteten af visse metoder baseret på VI-designet, og nogle resultater kan være påvirket af sammensætningen og trykket på potentielt lejrende gasser, såsom atmosfæriske luft eller SF6-gas, der bruges i GIS-switchgear.

Den omfattende anvendelse af VIs i mellemspændings-switchgear understreger udfordringen ved at bekræfte vakuumintegritet i feltet, især efter årtiers drift. Inspektioner af VIs efter mere end 20 års brug har givet blandede resultater. Det er vigtigt at bemærke, at VIs er kun en del af et større system; mekanismens funktion, styrekredsløb, kredsløbsdesign og andre elementer er lige så kritiske for VIs effektive operation.

Tabel 1 giver en oversigt over de generelle anvendelser af disse overvågningsmetoder i SF6-miljøer, sammen med praktiske overvejelser for deres brug med GIS-switchgear. Denne tabel fremhæver også resultaterne af forskellige testmetoder, der belyser de kompleksiteter, der er forbundet med at sikre den langsigtede pålidelighed af VIs i diverse driftsforhold. Forståelsen af disse nuancer er afgørende for at optimere ydeevne og levetid af elektriske systemer, der afhænger af vakuumafbryder-teknologi.

Måling af vakuumafbryders tilstand ved hjælp af mekanisk trykovervågning

Atmosfæriske tryk udfører en betydelig lukningskraft på den bevægelige terminal i vakuumafbrydere (VIs). For VIs, der anvendes i kredsløbsbrydere, er denne kraft typisk flere hundrede newton. Når vakuument i VI fuldstændigt går tabt, udjævnes det indre tryk med det eksterne atmosfæriske tryk, hvilket betydeligt reducerer lukningskraften og ændrer den mekaniske opførsel hos VI. Diagnostiske metoder, der bygger på registrering af denne ændring, kan kun identificere, når VI fuldstændigt har mistet sit vakuum, dvs. det er blevet "op mod luft." Bemærk, at selv ved tryk nær Paschens minimum, er der tilstrækkeligt tryk i VI til at opretholde fuld lukningskraft.

Hovedmetode for mekanisk trykovervågning

Den primære tilgang til mekanisk trykovervågning indebærer, at man monterer et ekstra bevægeligt komponent til VI ved hjælp af en belleville eller lignende mekanisme (se Figur 1). Når vakuument fuldstændigt går tabt, bevæger dette ekstra komponent sig på grund af udjævning af det indre og eksterne tryk. I modsætning til den bevægelige kontakt, der er begrænset af kredsløbsbrydermekanismen, er dette ekstra komponent frit til at bevæge sig. Et detectionsystem overvåger positionsforskydningerne for dette ekstra komponent og reagerer derefter. Afhængigt af det valgte detectionsystem, tillader denne opsætning kontinuerlig overvågning af VI. Bevægelsen af det ekstra komponent bestemmes af dets eget design snarere end det samlede VI-design, hvilket gør denne metode anvendelig til lav-, mellem- og højspændings-VIs.
Praktiske overvejelser

Selvom det teoretisk set er muligt, præsenterer brugen af lukningskraften på VIs bevægelige terminal udfordringer. Atmosfæriske tryk udfører normalt en kraft på flere hundrede newton på VIs bevægelige terminal, mens selve kredsløbsbryderen udfører en lukningskraft på flere tusinde newton. Derfor er det svært at identificere en reduktion i VIs lukningskraft gennem kredsløbsbryderens mekaniske opførsel på grund af den relativt lille størrelse af VIs lukningskraft i forhold til kredsløbsbryderens. I vakuumkontakter, hvor den anvendte kraft fra kontaktormekanismen er lavere, kan diagnose af fuldstændig vakuumtab gennem mekanisk opførsel være mere realistisk.

Ved at anvende et ekstra bevægeligt komponent og et detectionsystem, tilbyder mekanisk trykovervågning en praktisk løsning til kontinuerlig vurdering af VIs vakuumtilstand. Denne teknik giver en pålidelig måde at registrere total vakuumtab, selvom den ikke kan identificere partielle trykstigninger inden i VI. Alligevel repræsenterer den en værdifuld værktøj til at sikre integriteten og funktionen af VIs på tværs af forskellige spændingsniveauer og anvendelser.

Denne metode sikrer, at enhver betydelig vakuumtab hurtigt registreres, hvilket giver lejlighed til tidsbegrænset vedligeholdelse eller udskiftning, og dermed forbedrer pålideligheden og sikkerheden af elektriske systemer, der afhænger af VIs.

Baggrund for overvågning af vakuumafbrydere ved hjælp af metoden for mekanisk trykovervågning

Metoden for mekanisk trykovervågning vurderer integriteten af et Vakuumafbryder (VI) ved at registrere ændringer i mekanisk opførsel på grund af tabet af lukningskraft, forårsaget af atmosfæriske tryk på den bevægelige terminal. Denne metode giver en binær, godkendt/slaget måling, der angiver, om VI har mistet sin vakuum og er "op mod luft." Tryk nær Paschens minimum og andre kritiske punkter, hvor VI-ydeevnen begynder at forringe, er for lave til at forårsage nogen registrerbare mekaniske ændringer ved hjælp af denne metode.

Fordele og ulemper ved metoden for mekanisk trykovervågning

Fordele:
•    Kompatibilitet: Metoden er generelt kompatibel med forskellige isolationsformer, herunder SF6, olie og fast isolation, forudsat at praktiske problemer som pladsbegrænsninger og ledning af lys til detectionsudstyr kan håndteres.
•    Forskinde ved optiske teknikker: Ved at anvende en optisk teknik kan ikke-optiske komponenter flyttes til lavspændingsafsnittet i switchgear, hvilket kan forbedre sikkerhed og nemhed ved vedligeholdelse.
Ulemper:
•    Installationskrav: Den bevægelige del, der er nødvendig for trykovervågning, skal installeres under den initielle produktion af VI. Den kan ikke monteres på allerede byggede VIs. Selvom det teoretisk set kunne være muligt at integrere VIs udstyret med denne funktion i eksisterende kredsløbsbrydere sammen med det nødvendige overvågningsudstyr, gør praktiske udfordringer relateret til montering af udvidelsen for det ekstra komponent i eksisterende installationer ofte dette upraktisk.
•    Pålidelighedsproblemer: Pålideligheden af måleudstyr i forhold til VI selv udgør en betydelig risiko. Yderligere søldede dele, der tilføjes til VI, introducerer potentielle nye lejringsveje og kan være mere følsomme over for skade under installation, hvilket potentielt kan føre til vakuumtab.

Fragilitet af komponenter:

• Optiske teknikker: Fiberoptik, der anvendes i detectionsystemet, er sårbare over for misjustering, skade under installation og blokering fra kondensation eller støv.

• Elektrisk kontaktmetode: Bevægelsesregistrering via elektriske kontakter kræver en strømførende mikro-kredsløb nær VI, der også skal være elektrisk isoleret. Dette introducerer flere potentielle fejlmodi, herunder problemer med mikrokredsløbs pålidelighed, vellykket signaltransmission, strømførsel til kredsløbet og opretholdelse af elektrisk isolation.

Sammenfattende tilbyder metoden for mekanisk trykovervågning en enkel måde at bekræfte, om en VI har fuldstændigt mistet sit vakuum, men den kommer med betydelige begrænsninger. Dette inkluderer umuligheden af at retrofittere eksisterende VIs, potentielle pålidelighedsproblemer med yderligere komponenter og praktiske udfordringer relateret til installation og drift. En omhyggelig overvejelse af disse faktorer er afgørende, når man afgør passetheden af denne metode til specifikke anvendelser. At sikre robust design og implementering kan hjælpe med at mindske nogle af disse risici, og dermed forbedre den samlede pålidelighed og effektivitet af overvågningssystemer for vakuumafbrydere.