اندازه‌گیری شرایط خلأ در مدارقاطع خلأ با روش نظارت مکانیکی بر فشار

نظارت بر شرایط فراغ در میان‌برهای فراغ

میان‌برهای فراغ (VIs) به عنوان اصلی‌ترین رسانه قطع مدار در سیستم‌های توزیع برق با ولتاژ متوسط و به تدریج در سیستم‌های با ولتاژ پایین، متوسط و بالا استفاده می‌شوند. عملکرد VIs به حفظ فشار داخلی کمتر از 10 هکتوپاسکال (که 1 هکتوپاسکال برابر 100 پاسکال یا 0.75 تور است) بستگی دارد. قبل از خروج از کارخانه، VIs آزمایش می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که فشار داخلی آن‌ها ≤10^-3 هکتوپاسکال است.
عملکرد یک VI با سطح فراغ آن مرتبط است؛ اما تنها نسبت مستقیم با فشار داخلی نیست. به جای آن، فشار داخلی یک VI می‌تواند به سه گروه تقسیم شود:

•    فشار پایین: زیر 10^-6 هکتوپاسکال
•    فشار میانی: از حدود 10^-3 هکتوپاسکال تا فشار حداقل پاشن
•    فشار بالا: معمولاً نشان‌دهنده شکست منجر به تماس با هوا

در محدوده فشار پایین، VIs به طور موثر عمل می‌کنند. اما در محدوده میانی، هر دو قابلیت دی الکتریکی و قطع مدار کاهش می‌یابند، کاهشی که تا محدوده "تماس با هوا" ادامه دارد. به طور جالب، در حالی که عملکرد دی الکتریکی در فشارهای میانی در حداقل است، در محدوده تماس با هوا به نوعی بهبود می‌یابد—با این حال نه به سطح مشاهده شده در محدوده فشار پایین.
بسیار مهم است که بدانیم هیچ‌یک از تکنیک‌های نظارت مورد بحث کل محدوده فشار در یک VI را از فشار پایین تا تماس با هوا پوشش نمی‌دهند. هر تکنیک به محدوده خاصی اعمال می‌شود که در متن و در جدول 1 خلاصه شده است. علاوه بر این، اثربخشی برخی روش‌ها بر اساس طراحی VI متفاوت است و برخی خروجی‌ها می‌توانند تحت تأثیر ترکیب و فشار گازهایی که ممکن است به VI نشت کنند، مانند هوا یا گاز SF6 که در GIS استفاده می‌شود، قرار گیرند.

استفاده گسترده VIs در تجهیزات مداربر قدرت با ولتاژ متوسط چالش تأیید تمامیت فراغ در میدان را برجسته می‌کند، به ویژه پس از دهه‌ها استفاده. بررسی VIs پس از بیش از 20 سال استفاده نتایج متنوعی داشته است. بسیار مهم است که بدانیم VIs تنها یک مؤلفه از یک سیستم بزرگ‌تر هستند؛ عملکرد مکانیسم، مدار کنترل، طراحی مدار و سایر عناصر نیز برای عملکرد موثر VIs بسیار حیاتی است.

جدول 1 خلاصه‌ای از کاربردهای عمومی این تکنیک‌های نظارت در محیط‌های SF6، همراه با ملاحظات عملی برای استفاده آن‌ها با تجهیزات GIS ارائه می‌دهد. این جدول همچنین نتایج مختلف روش‌های آزمون را نشان می‌دهد و پیچیدگی‌های موجود در تضمین قابلیت اطمینان بلندمدت VIs در شرایط عملیاتی متنوع را برجسته می‌کند. درک این جزئیات برای بهینه‌سازی عملکرد و طول عمر سیستم‌های برق که بر فناوری میان‌برهای فراغ تکیه دارند، ضروری است.

اندازه‌گیری وضعیت میان‌برهای فراغ با استفاده از نظارت فشار مکانیکی

فشار جوی یک نیروی بستن قابل توجهی را روی انتهای متحرک میان‌برهای فراغ (VIs) وارد می‌کند. برای VIs استفاده شده در مداربرها، این نیرو معمولاً چند صد نیوتن است. وقتی فراغ داخل VI کاملاً از دست رود، فشار داخلی با فشار جوی خارجی مساوی می‌شود و نیروی بستن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و رفتار مکانیکی VI تغییر می‌کند. روش‌های تشخیصی مبتنی بر تشخیص این تغییر فقط می‌توانند وقتی که VI کاملاً فراغ خود را از دست داده است، یعنی "تماس با هوا" شده است، را شناسایی کنند. باید توجه داشت که حتی در فشارهای بالا تا حد فشار حداقل پاشن، فشار کافی در داخل VI وجود دارد تا نیروی بستن کامل حفظ شود.

روش اصلی نظارت فشار مکانیکی

روش اصلی نظارت فشار مکانیکی شامل متصل کردن یک قطعه متحرک اضافی به VI با استفاده از یک لوله پیچیده یا مکانیزم مشابه (به شکل 1 مراجعه کنید) است. وقتی فراغ کاملاً از دست رود، این قطعه اضافی به دلیل مساوی شدن فشارهای داخلی و خارجی حرکت می‌کند. برخلاف تماس متحرک که توسط مکانیزم مداربر محدود می‌شود، این قطعه اضافی آزاد است تا حرکت کند. یک سیستم تشخیصی موقعیت تغییرات این قطعه اضافی را می‌پیماید و به طور متناسب واکنش نشان می‌دهد. بسته به سیستم تشخیصی مورد استفاده، این تنظیمات امکان نظارت مداوم بر VI را فراهم می‌کنند. حرکت قطعه اضافی توسط طراحی خود قطعه تعیین می‌شود و نه طراحی کلی VI، که این روش را برای VIs با ولتاژ پایین، متوسط و بالا قابل اجرا می‌کند.
ملاحظات عملی

اگرچه از نظر نظری ممکن است، استفاده از نیروی بستن روی انتهای متحرک VI برای تشخیص از دست دادن فراغ چالش‌هایی دارد. فشار جوی معمولاً چند صد نیوتن نیرو را به انتهای متحرک VI وارد می‌کند، در حالی که مداربر خود چند هزار نیوتن نیروی بستن اعمال می‌کند. بنابراین، شناسایی کاهش نیروی بستن VI از طریق رفتار مکانیکی مداربر به دلیل اندازه نسبتاً کوچک نیروی بستن VI در مقایسه با نیروی بستن مداربر دشوار است. اما در میان‌برهای فراغ مورد استفاده در مداربرهای فراغ، که نیروی اعمال شده از طرف مکانیزم مداربر کمتر است، تشخیص کامل از دست دادن فراغ از طریق رفتار مکانیکی ممکن است بیشتر عملی باشد.

با استفاده از یک قطعه متحرک اضافی و یک سیستم تشخیصی، نظارت فشار مکانیکی راه حل عملی برای ارزیابی مداوم وضعیت فراغ VIs ارائه می‌دهد. این تکنیک روشی قابل اعتماد برای تشخیص کامل از دست دادن فراغ ارائه می‌دهد، اگرچه نمی‌تواند افزایش جزئی فشار در داخل VI را شناسایی کند. با این حال، این تکنیک ابزاری ارزشمند برای تضمین تمامیت و عملکرد VIs در سطوح مختلف ولتاژ و کاربردها است.

این روش مطمئن می‌کند که هر از دست دادن قابل توجه فراغ به طور زمانی شناسایی شود و امکان اقدامات تعمیر و تعویض به موقع فراهم می‌شود، که این امر قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم‌های برق که بر فناوری میان‌برهای فراغ تکیه دارند را افزایش می‌دهد.

زمینه نظارت بر میان‌برهای فراغ با استفاده از روش نظارت فشار مکانیکی

روش نظارت فشار مکانیکی تمامیت فراغ یک میان‌بر فراغ (VI) را با تشخیص تغییرات رفتار مکانیکی به دلیل از دست دادن نیروی بستن ناشی از فشار جوی روی انتهای متحرک ارزیابی می‌کند. این روش یک اندازه‌گیری دودویی، قبول/رد ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد آیا VI فراغ خود را از دست داده و "تماس با هوا" شده است. فشارهای در حد فشار حداقل پاشن و نقاط بحرانی دیگری که عملکرد VI شروع به تضعیف می‌کند، پایین‌تر از حدی هستند که با استفاده از این روش هیچ تغییر مکانیکی قابل تشخیصی ایجاد کنند.

مزایا و معایب روش نظارت فشار مکانیکی

مزایا:
•    سازگاری: این روش به طور کلی با انواع مختلف عایق‌بندی، از جمله SF6، روغن و عایق جامد، سازگار است، به شرطی که مشکلات عملی مانند محدودیت‌های فضایی و هدایت نور به تجهیزات تشخیصی مدیریت شوند.
•    مزایای روش نوری: استفاده از یک تکنیک نوری امکان جابجایی قطعات غیرنوری به قسمت ولتاژ پایین تجهیزات مداربر را فراهم می‌کند که می‌تواند ایمنی و راحتی نگهداری را افزایش دهد.
معایب:
•    نیاز به نصب: قطعه متحرک لازم برای نظارت فشار باید در مرحله ساخت اولیه VI نصب شود. این قطعه نمی‌تواند به VIs ساخته شده نصب شود. اگرچه از نظر نظری ممکن است VIs مجهز به این ویژگی را در مداربرهای موجود همراه با تجهیزات مورد نیاز نصب کرد، چالش‌های عملی مربوط به تناسب اتصال قطعه اضافی در نصب‌های موجود اغلب این کار را غیرعملی می‌کند.
•    نگرانی‌های مربوط به قابلیت اطمینان: قابلیت اطمینان تجهیزات اندازه‌گیری نسبت به خود VI ریسک قابل توجهی است. قطعات اضافی جوش داده شده به VI مسیرهای نشت جدید ممکن ایجاد می‌کنند و در نصب آسیب‌پذیرتر هستند که ممکن است منجر به از دست دادن فراغ شود.

آسیب‌پذیری قطعات:

• روش‌های نوری: لیزرهای نوری استفاده شده در سیستم تشخیصی آسیب‌پذیر به ناهماهنگی، آسیب در نصب و مسدود شدن از سوی تكثيف یا گرد و غبار هستند.

• روش تماس الکتریکی: تشخیص حرکت از طریق تماس‌های الکتریکی نیاز به یک مدار میکرو در نزدیکی VI دارد که باید نیز الکتریکی جدا شده باشد. این موضوع چندین حالت شکست ممکن را معرفی می‌کند، از جمله مشکلات مربوط به قابلیت اطمینان مدار میکرو، انتقال موفقیت‌آمیز سیگنال، تغذیه مدار و حفظ جدایی الکتریکی.

به طور خلاصه، در حالی که روش نظارت فشار مکانیکی راهی ساده برای تأیید اینکه آیا یک VI کاملاً فراغ خود را از دست داده است ارائه می‌دهد، محدودیت‌های قابل توجهی دارد. این محدودیت‌ها شامل عدم امکان نصب مجدد VIs موجود، نگرانی‌های مربوط به قابلیت اطمینان قطعات اضافی و چالش‌های عملی مربوط به نصب و عملکرد هستند. در نظر گرفتن دقیق این عوامل در تصمیم‌گیری درباره مناسب بودن این روش برای کاربردهای خاص ضروری است. تضمین طراحی و اجرای قوی می‌تواند برخی از این ریسک‌ها را کاهش دهد و در نتیجه قابلیت اطمینان و اثربخشی سیستم‌های نظارت بر میان‌برهای فراغ را افزایش دهد.