Vakuumbedingungsmessung im Vakuumschalter durch mechanische Drucküberwachung

Überwachung des Vakuumzustands in Vakuumschaltern

Vakuumschalter (VIs) dienen als Hauptunterbrechungsmedium für mittelspannungselektrische Systeme und werden zunehmend in Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungssystemen eingesetzt. Die Leistung von VIs hängt davon ab, dass der interne Druck unter 10 hPa (wobei 1 hPa gleich 100 Pa oder 0,75 Torr ist) gehalten wird. Bevor VIs das Werk verlassen, werden sie getestet, um sicherzustellen, dass ihr interner Druck ≤10^-3 hPa beträgt.
Die Leistung eines VIs korreliert mit seinem Vakuumniveau; jedoch ist sie nicht einfach proportional zum internen Druck. Vielmehr kann der Druck innerhalb eines VIs in drei Gruppen unterteilt werden:

•    Niederdruck: Unter 10^-6 hPa
•    Mitteldruck: Von etwa 10^-3 hPa bis zum Paschen-Minimum-Druck
•    Hochdruck: Im Allgemeinen ein Indikator für einen Defekt, der zur Belüftung führt

Im Niederdruckbereich funktionieren VIs effektiv. Im Mitteldruckbereich jedoch verschlechtern sich sowohl die elektrische Festigkeit als auch die Unterbrechungsfähigkeiten, eine Verschlechterung, die sich bis in den "bis-zur-Luft"-Bereich fortsetzt. Interessanterweise ist die elektrische Festigkeit im Mitteldruckbereich am geringsten, verbessert sich aber leicht im "bis-zur-Luft"-Bereich – obwohl nicht auf das Niveau, das im Niederdruckbereich beobachtet wird.
Es ist entscheidend zu erkennen, dass keine der besprochenen Überwachungstechniken den gesamten Druckbereich innerhalb eines VIs, von Niederdruck bis hin zu Luftbedingungen, abdeckt. Jede Technik gilt für einen spezifischen Bereich, wie im Text detailliert und in Tabelle 1 zusammengefasst. Darüber hinaus variiert die Effektivität bestimmter Methoden je nach Design des VIs, und einige Ausgaben können durch die Zusammensetzung und den Druck von möglicherweise eindringenden Gasen beeinflusst werden, wie z. B. atmosphärische Luft oder SF6-Gas, das in GIS-Schaltanlagen verwendet wird.

Die weite Verwendung von VIs in Mittelspannungsschaltanlagen unterstreicht die Herausforderung, die Vakuumintegrität vor Ort zu bestätigen, insbesondere nach Jahrzehnten im Einsatz. Inspektionen von VIs nach mehr als 20 Jahren Nutzung haben gemischte Ergebnisse gezeigt. Es ist wichtig zu beachten, dass VIs nur ein Bestandteil eines größeren Systems sind; die Funktionalität der Mechanik, der Steuerungsschaltung, des Schaltkreises und anderer Elemente ist ebenso entscheidend für die effektive Funktion der VIs.

Tabelle 1 bietet eine Zusammenfassung der allgemeinen Anwendungen dieser Überwachungstechniken in SF6-Umgebungen, sowie praktische Überlegungen zu ihrer Verwendung mit GIS-Schaltanlagen. Diese Tabelle gibt auch die Ergebnisse verschiedener Testmethoden an und hebt die Komplexitäten hervor, die mit der Gewährleistung der langfristigen Zuverlässigkeit von VIs in verschiedenen Betriebskontexten verbunden sind. Das Verständnis dieser Feinheiten ist entscheidend, um die Leistung und Haltbarkeit von elektrischen Systemen, die auf Vakuumschaltertechnologie angewiesen sind, zu optimieren.

Zustandsmessung von Vakuumschaltern durch mechanische Drucküberwachung

Der atmosphärische Druck übt eine erhebliche Schließkraft auf das bewegliche Terminal von Vakuumschaltern (VIs) aus. Für VIs, die in Schaltgeräten verwendet werden, beträgt diese Kraft in der Regel mehrere hundert Newton. Wenn das Vakuum innerhalb des VIs vollständig verloren geht, gleicht sich der interne Druck dem äußeren atmosphärischen Druck an, was die Schließkraft erheblich reduziert und das mechanische Verhalten des VIs verändert. Diagnosemethoden, die auf der Erfassung dieser Änderung basieren, können nur feststellen, wenn das VI sein Vakuum vollständig verloren hat, d. h., es ist "bis-zur-Luft". Beachten Sie, dass selbst bei Drücken, die dem Paschen-Minimum nahekommen, noch ausreichender Druck im Inneren des VIs vorhanden ist, um die volle Schließkraft aufrechtzuerhalten.

Hauptmethode der mechanischen Drucküberwachung

Der primäre Ansatz zur mechanischen Drucküberwachung besteht darin, eine zusätzliche bewegliche Komponente über einen Balg oder eine ähnliche Vorrichtung an das VI anzubringen (siehe Abbildung 1). Wenn das Vakuum vollständig verloren geht, bewegt sich diese zusätzliche Komponente aufgrund der Gleichstellung des internen und externen Drucks. Im Gegensatz zum beweglichen Kontakt, der durch die Schaltgerätmechanik eingeschränkt ist, ist diese zusätzliche Komponente frei beweglich. Ein Detektionssystem überwacht die Positionsänderungen dieser zusätzlichen Komponente und reagiert entsprechend. Je nach verwendeten Detektionsystem ermöglicht diese Aufstellung die kontinuierliche Überwachung des VIs. Die Bewegung der zusätzlichen Komponente wird durch ihr eigenes Design bestimmt, wodurch diese Methode auf Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungs-VIs anwendbar ist.
Praktische Überlegungen

Obwohl theoretisch möglich, stellt die Verwendung der Schließkraft des beweglichen Terminals des VIs zur Erkennung des Vakuerverlusts Herausforderungen dar. Der atmosphärische Druck übt normalerweise eine Kraft von mehreren hundert Newton auf das bewegliche Terminal des VIs aus, während das Schaltgerät selbst eine Schließkraft von mehreren tausend Newton ausübt. Daher ist es schwierig, eine Reduktion der Schließkraft des VIs durch das mechanische Verhalten des Schaltgeräts zu identifizieren, da die relative Größe der Schließkraft des VIs im Vergleich zu der des Schaltgeräts relativ klein ist. Bei Vakuumschaltern, wo die vom Schaltermechanismus ausgeübte Kraft geringer ist, könnte die Diagnose eines vollständigen Vakuumsverlusts durch das mechanische Verhalten jedoch realistischer sein.

Durch die Verwendung einer zusätzlichen beweglichen Komponente und eines Detektionssystems bietet die mechanische Drucküberwachung eine praktische Lösung zur kontinuierlichen Bewertung des Vakuums des VIs. Diese Technik bietet eine zuverlässige Möglichkeit, den totalen Vakuumsverlust zu erkennen, kann jedoch partielle Druckerhöhungen innerhalb des VIs nicht identifizieren. Dennoch stellt sie ein wertvolles Werkzeug dar, um die Integrität und Funktionalität von VIs in verschiedenen Spannungsebenen und Anwendungen sicherzustellen.

Diese Methode stellt sicher, dass jeder signifikante Vakuumsverlust sofort erkannt wird, was zeitgerechte Wartungs- oder Austauschmaßnahmen ermöglicht und damit die Zuverlässigkeit und Sicherheit von elektrischen Systemen, die auf VIs angewiesen sind, erhöht.

Hintergrund zur Überwachung von Vakuumschaltern mit der Methode der mechanischen Drucküberwachung

Die Methode der mechanischen Drucküberwachung bewertet die Vakuumintegrität eines Vakuumschalters (VI) durch die Erfassung von Änderungen im mechanischen Verhalten aufgrund des Verlusts der Schließkraft, die durch den atmosphärischen Druck auf das bewegliche Terminal verursacht wird. Diese Methode bietet eine binäre, Pass/Fail-Messung, die anzeigt, ob das VI sein Vakuum verloren hat und "bis-zur-Luft" ist. Drücke um das Paschen-Minimum und andere kritische Punkte, an denen die Leistung des VIs beginnt, abzunehmen, sind zu niedrig, um mit dieser Methode irgendwelche messbaren mechanischen Veränderungen zu verursachen.

Vorteile und Nachteile der Methode der mechanischen Drucküberwachung

Vorteile:
•    Kompatibilität: Die Methode ist im Allgemeinen mit verschiedenen Isolierungstypen kompatibel, einschließlich SF6, Öl und fester Isolierung, vorausgesetzt, dass praktische Fragen wie Platzbedarf und die Führung von Licht zum Detektionsgerät bewältigt werden können.
•    Vorteile optischer Techniken: Die Verwendung einer optischen Technik ermöglicht es, nicht-optische Komponenten in den Niederspannungsbereich der Schaltanlage zu verlagern, was die Sicherheit und den Wartungsumfang verbessern kann.
Nachteile:
•    Installationsanforderung: Die bewegliche Komponente, die für die Drucküberwachung erforderlich ist, muss während der ursprünglichen Herstellung des VIs installiert werden. Sie kann nicht in bereits gebaute VIs nachgerüstet werden. Obwohl es theoretisch möglich sein mag, VIs mit dieser Funktion in bestehende Schaltgeräte einzubauen, stellen praktische Herausforderungen, wie das Anpassen der Erweiterung für die zusätzliche Komponente in bestehende Installationen, dies oft als unpraktisch dar.
•    Zuverlässigkeitsbedenken: Die Zuverlässigkeit des Messgeräts im Vergleich zum VI selbst stellt ein erhebliches Risiko dar. Zusätzliche gelötete Teile, die an das VI angefügt werden, führen zu potenziellen neuen Leckwegen und können während der Montage anfälliger für Schäden sein, was möglicherweise zu einem Vakuumsverlust führt.

Brüchigkeit der Komponenten:

• Optische Techniken: In Faseroptiken, die im Detektionssystem verwendet werden, können Fehljustierungen, Schäden bei der Installation und Verstopfungen durch Kondensation oder Staub auftreten.

• Elektrische Kontaktmethode: Die Bewegungserkennung über elektrische Kontakte erfordert eine Stromversorgungsmikroschaltung in der Nähe des VIs, die auch elektrisch isoliert sein muss. Dies führt zu mehreren potenziellen Ausfallmodi, einschließlich Problemen mit der Zuverlässigkeit der Mikroschaltung, erfolgreicher Signalübertragung, Stromversorgung der Schaltung und Aufrechterhaltung der elektrischen Isolation.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Methode der mechanischen Drucküberwachung eine einfache Möglichkeit bietet, um festzustellen, ob ein VI sein Vakuum vollständig verloren hat, jedoch mit bemerkenswerten Einschränkungen verbunden ist. Dazu gehören die Unmöglichkeit, bestehende VIs nachzurüsten, potenzielle Zuverlässigkeitsbedenken bezüglich zusätzlicher Komponenten und praktische Herausforderungen in Bezug auf Installation und Betrieb. Eine sorgfältige Abwägung dieser Faktoren ist entscheidend, um die Eignung dieser Methode für bestimmte Anwendungen zu entscheiden. Eine robuste Konstruktion und Implementierung können einige dieser Risiken mindern und somit die Gesamtzuverlässigkeit und Effektivität von Vakuumschalterüberwachungssystemen verbessern.