Medición da condición de vacío no interrumpidor de vacío mediante o método de monitorización de presión mecánica

Monitorización da condición de vacío en interruptores de vacío

Os interruptores de vacío (VIs) actúan como o principal medio de interrupción de circuitos para sistemas de potencia de media tensión e están cada vez máis utilizados en sistemas de baixa, media e alta tensión. O rendemento dos VIs depende de manter unha presión interna inferior a 10 hPa (onde 1 hPa equivale a 100 Pa ou 0,75 torr). Antes de saír da fábrica, os VIs son probados para asegurar que a súa presión interna é ≤10^-3 hPa.
O rendemento dun VI está relacionado co seu nivel de vacío; no entanto, non é simplemente proporcional á presión interna. En cambio, a presión dentro dun VI pode categorizarse en tres grupos:

•    Baixa Presión: Inferior a 10^-6 hPa
•    Presión Media: Dende aproximadamente 10^-3 hPa ata a presión mínima de Paschen
•    Alta Presión: Xeralmente indicativa dun fallo que leva á exposición ao aire

No rango de baixa presión, os VIs funcionan eficazmente. No entanto, no rango medio, tanto a resistencia dieléctrica como as capacidades de interrupción se degradan, unha degradación que continua no rango "hasta o aire". Curiosamente, mentres que o rendemento dieléctrico está no seu mínimo nas presións medias, mellora algo no rango "hasta o aire"—embora non ao nivel observado no rango de baixa presión.
É crucial recoñecer que ningunha das técnicas de monitorización discutidas cubre todo o rango de presións dentro dun VI, dende baixa presión ata condicións "hasta o aire". Cada técnica aplica a un rango específico, detallado no texto e resumido na Táboa 1. Ademais, a efectividade de certos métodos varía en función do deseño do VI, e algúns resultados poden verse influenciados pola composición e presión dos gases que poden filtrarse no VI, como o aire atmosférico ou o gas SF6 usado en equipamentos GIS.

A amplia implantación de VIs en equipamento de conmutación de media tensión subliña o desafío de confirmar a integridade do vacío no terreo, especialmente despois de décadas de servizo. As inspeccións de VIs despois de máis de 20 anos de uso produciron resultados mixtos. É importante notar que os VIs son só un compoñente dun sistema maior; a funcionalidade do mecanismo, a circuitaría de control, o deseño do circuito e outros elementos son igualmente críticos para a operación eficaz dos VIs.

A Táboa 1 ofrece un resumo das aplicacións xerais destas técnicas de monitorización en entornos de SF6, xunto con consideracións prácticas para o seu uso con equipamentos GIS. Esta táboa tamén esquematiza os resultados de varios métodos de proba, destacando as complexidades implicadas en garantir a fiabilidade a longo prazo dos VIs en diversos contextos operativos. Comprender estas sutilezas é esencial para optimizar o rendemento e a longevidade dos sistemas eléctricos que dependen da tecnoloxía de interruptores de vacío.

Medición da Condición do Interruptor de Vacío Usando Monitorización de Presión Mecánica

A presión atmosférica exerce unha forza de pechado substancial sobre o terminal móbil dos interruptores de vacío (VIs). Para os VIs usados en interruptores, esta forza xeralmente ascende a varias centenas de newtons. Cando o vacío dentro do VI está completamente perdido, a presión interna igualase á presión atmosférica externa, reducindo significativamente a forza de pechado e alterando o comportamento mecánico do VI. Os métodos diagnósticos baseados na detección deste cambio só poden identificar cando o VI perdeu completamente o seu vacío, é dicir, cando está "hasta o aire." Notablemente, incluso a presións tan altas como as próximas ao mínimo de Paschen, hai suficiente presión dentro do VI para manter a forza de pechado completa.

Método Principal para a Monitorización de Presión Mecánica

O enfoque principal para a monitorización de presión mecánica implica acoplar un compoñente móbil adicional ao VI usando un fuelle ou mecanismo similar (ver Figura 1). Cando o vacío está completamente perdido, esta parte adicional move debido á igualación das presións interna e externa. Ao contrario do contacto móbil, que está restrinxido polo mecanismo do interruptor, esta parte adicional é libre para moverse. Un sistema de detección monitoriza os cambios de posición desta parte adicional e reacciona en consecuencia. Dependendo do sistema de detección utilizado, esta configuración permite a monitorización continua do VI. O movemento da parte adicional determinase polo seu propio deseño, en lugar do deseño global do VI, facendo que este método sexa aplicable a VIs de baixa, media e alta tensión.
Consideracións Prácticas

Aínda que teoricamente posible, usar a forza de pechado no terminal móbil do VI para detectar a perda de vacío presenta desafíos. A presión atmosférica normalmente aplica unha forza de varias centenas de newtons ao terminal móbil do VI, mentres que o propio interruptor aplica unha forza de pechado de varias millares de newtons. Polo tanto, identificar unha redución na forza de pechado do VI a través do comportamento mecánico do interruptor é difícil debido á relativamente pequena magnitude da forza de pechado do VI comparada coa do interruptor. Nos contactores de vacío, onde a forza aplicada polo mecanismo do contactor é menor, diagnosticar a perda completa de vacío a través do comportamento mecánico pode ser máis factible.

Empregando un compoñente móbil adicional e un sistema de detección, a monitorización de presión mecánica ofrece unha solución práctica para avaliar continuamente a condición de vacío dos VIs. Esta técnica proporciona un medio confiable para detectar a perda total de vacío, aínda que non pode identificar aumentos parciais de presión dentro do VI. Non obstante, representa unha ferramenta valiosa para garantir a integridade e a funcionalidade dos VIs en varios niveis de tensión e aplicacións.

Este método asegura que calquera perda significativa de vacío sexa detectada de inmediato, permitindo accións de mantemento ou substitución oportunas, melhorando así a fiabilidade e a seguridade dos sistemas eléctricos que dependen dos VIs.

Antecedentes da Monitorización de Interruptores de Vacío Usando o Método de Monitorización de Presión Mecánica

O método de monitorización de presión mecánica avalía a integridade do vacío dun Interruptor de Vacío (VI) detectando cambios no comportamento mecánico debido á perda de forza de pechado causada pola presión atmosférica no terminal móbil. Este método proporciona unha medida binaria, aprobar/reprobar, indicando se o VI perdeu o seu vacío e está "hasta o aire." As presións arredor do mínimo de Paschen e outros puntos críticos onde o rendemento do VI comeza a degradarse son demasiado bajas para causar algún cambio mecánico detectable usando este método.

Ventajas e Desvantaxes do Método de Monitorización de Presión Mecánica

Ventajas:
•    Compatibilidade: O método é xeralmente compatible con varios tipos de aislamento, incluíndo SF6, óleo e aislamento sólido, sempre que se poidan xestionar problemas prácticos como restricións espaciais e guiar a luz ao equipo de detección.
•    Beneficios da Técnica Óptica: Utilizar unha técnica óptica permite relocar componentes non ópticos ao compartimento de baixa tensión do equipamento de conmutación, o que pode mellorar a seguridade e a facilidade de mantemento.
Desvantaxes:
•    Requisito de Instalación: A parte móbil necesaria para a monitorización de presión debe instalarse durante a fabricación inicial do VI. Non pode ser retrofitado a VIs xa construídos. Aínda que pode ser teoricamente posible integrar VIs equipados con esta característica en interruptores existentes xunto co equipo de monitorización necesario, os desafíos prácticos relacionados co encaixe da extensión para a parte extra nas instalacións existentes frecuentemente fan isto impracticable.
•    Preocupacións de Fiabilidade: A fiabilidade do equipo de medida en comparación co propio VI supón un risco significativo. As partes adicionais soldadas ao VI introducen posibles novas vías de fuga e poden ser máis susceptibles a danos durante a instalación, lo que pode levar á perda de vacío.

Fragilidade dos Componentes:

• Técnicas Ópticas: As fibras ópticas usadas no sistema de detección son vulnerables a desalineación, danos durante a instalación e obstrucións por condensación ou polvo.

• Método de Contacto Eléctrico: A detección de movemento mediante contactos eléctricos require un microcircuito alimentado próximo ao VI, que tamén debe estar aislado eléctricamente. Isto introduce varias posibles modos de falla, incluíndo problemas de fiabilidade do microcircuito, transmisión exitosa do sinal, alimentación do circuito e manutenção do aislamento eléctrico.

En resumo, aínda que o método de monitorización de presión mecánica ofrece unha maneira directa de confirmar se un VI perdeu completamente o seu vacío, ten limitacións notables. Estas inclúen a incapacidade de retrofitar VIs existentes, preocupacións potenciais de fiabilidade con componentes adicionais e desafíos prácticos relacionados coa instalación e operación. A consideración cuidadosa destes factores é esencial ao decidir sobre a idoneidade deste método para aplicacións específicas. Asegurar un deseño robusto e implementación pode axudar a mitigar algunhas destas riscos, mellorando así a fiabilidade e a efectividade xeral dos sistemas de monitorización de interruptores de vacío.