Mjerenje vakuumskog stanja u vakuumskom prekidaču metodom mehaničkog praćenja tlaka

Nadzor nad vakuumom u prekidnim uređajima s vakuumom

Prekidni uređaji s vakuumom (VIs) služe kao glavno sredstvo za prekid struje u srednjepodnositelnim električnim sustavima i sve više se koriste u niskopodnositelnim, srednjepodnositelnim i visokopodnositelnim sustavima. Performanse VIs-a ovisi o održavanju unutarnjeg tlaka ispod 10 hPa (gdje 1 hPa iznosi 100 Pa ili 0,75 torr). Prije otpremke s tvornice, VIs su testirani kako bi se osiguralo da je njihov unutarnji tlak ≤10^-3 hPa.
Performanse VIs-a koreliraju s razinom vakuma; no, to nije samo proporcionalno unutarnjem tlaku. Umjesto toga, tlak unutar VIs-a može se podijeliti u tri grupe:

•    Nizak tlak: Ispod 10^-6 hPa
•    Srednji tlak: Od približno 10^-3 hPa do minimalnog Paschenovog tlaka
•    Visoki tlak: Obično indikator neuspjeha koji vodi do izlaganja zraku

U rasponu niskog tlaka, VIs funkcioniraju učinkovito. Međutim, u srednjem rasponu, dijielektrična čvrstoća i sposobnost prekida opadaju, opadanje koje se nastavlja do "do-zraka" raspona. Zanimljivo, dok je dijielektrična performansa najniža u srednjem tlaku, ona zapravo malo poboljša u "do-zraka" rasponu - iako ne na razinu koja se promatra u niskom tlaku.
Važno je prepoznati da nijedna od opisanih tehnika nadzora ne pokriva cijeli raspon tlaka unutar VIs-a, od niskog tlaka do uvjeta "do-zraka". Svaka tehnika primjenjuje se na specifičan raspon, detaljno opisan u tekstu i sažeto prikazan u Tablici 1. Također, učinkovitost određenih metoda varira ovisno o dizajnu VIs-a, a neki rezultati mogu biti utjeceni sastavom i tlakom plinova koji potencijalno curenju u VIs, poput atmosferskog zraka ili SF6 plina korištenog u GIS prekidačima.

Široka upotreba VIs-a u srednjepodnositelnim prekidačima ističe izazove potvrđivanja integriteta vakuma na terenu, posebno nakon desetljeća korištenja. Inspekcije VIs-a nakon više od 20 godina korištenja dale su smiješane rezultate. Važno je napomenuti da su VIs samo jedna komponenta većeg sustava; funkcionalnost mehanizma, kontrolne sklopovine, kola i drugih elemenata jednako je kritična za učinkovito funkcioniranje VIs-a.

Tablica 1 pruža sažetak općenitih primjena ovih tehnika nadzora u okruženjima s SF6, uz praktične razmatranja za njihovu upotrebu s GIS prekidačima. Ova tablica također opisuje rezultate različitih testnih metoda, ističući složenosti u osiguravanju dugoročne pouzdanosti VIs-a u različitim operativnim kontekstima. Razumijevanje tih nuansa ključno je za optimizaciju performansi i dugovečnosti električnih sustava ovisnih o tehnologiji prekidnih uređaja s vakuumom.

Mjerenje stanja prekidnog uređaja s vakuumom koristeći mehanički nadzor tlaka

Atmosferski tlak djeluje velikom zatvarajućom silom na pokretne terminali prekidnih uređaja s vakuumom (VIs). Za VIs koristene u prekidačima, ta sila obično iznosi nekoliko stotina newtona. Kada se vakuum unutar VIs-a potpuno izgubi, unutarnji tlak usporedi se s vanjskim atmosferskim tlakom, značajno smanjujući zatvarajuću silu i mijenjajući mehaničko ponašanje VIs-a. Dijagnostičke metode temeljene na otkrivanju tih promjena mogu identificirati samo kada je VI potpuno izgubio vakuum, tj. postao "do-zraka." Važno je napomenuti da čak i kod visokih tlakova blizu minimalnog Paschenovog tlaka, dovoljan tlak unutar VIs-a ostaje kako bi se održala puna zatvarajuća sila.

Glavna metoda mehaničkog nadzora tlaka

Primarna metoda mehaničkog nadzora tlaka uključuje dodavanje dodatnog pokretne komponente na VI koristeći mehanizam poput bellowsa (vidi Sliku 1). Kada se vakuum potpuno izgubi, ova dodatna komponenta se pomiče zbog uspoređivanja unutarnjeg i vanjskog tlaka. Na razliku od pokretne kontaktne površine, koja je ograničena mehanizmom prekidača, ova dodatna komponenta slobodno se pomiče. Sustav detekcije nadgleda promjene položaja ove dodatne komponente i reagira odgovarajuće. Ovisno o korištenom sustavu detekcije, ova postavka omogućuje kontinuirani nadzor VIs-a. Pomičnost dodatne komponente ovisi o njenom vlastitom dizajnu, a ne o ukupnom dizajnu VIs-a, što čini ovu metodu primjenjivom na niskopodnositelne, srednjepodnositelne i visokopodnositelne VIs-e.
Praktična razmatranja

Iako je teoretski moguće, korištenje zatvarajuće sile na pokretnom terminalu VIs-a za otkrivanje gubitka vakuma donosi izazove. Atmosferski tlak obično djeluje silom nekoliko stotina newtona na pokretan terminal VIs-a, dok prekidač sam po sebi primjenjuje zatvarajuću silu nekoliko tisuća newtona. Stoga je teško prepoznati smanjenje zatvarajuće sile VIs-a kroz mehaničko ponašanje prekidača zbog relativno male magnitude zatvarajuće sile VIs-a u usporedbi s silom prekidača. U vakuumskim kontaktorima, gdje je primjenjena sila od mehanizma kontaktora manja, dijagnostika potpunog gubitka vakuma kroz mehaničko ponašanje može biti više izvediva.

Korištenjem dodatne pokretne komponente i sustava detekcije, mehanički nadzor tlaka pruža praktično rješenje za kontinuirano procjenjivanje stanja vakuma VIs-a. Ova tehnika pruža pouzdano sredstvo za otkrivanje potpunog gubitka vakuma, iako ne može identificirati djelomične porasle unutarnjeg tlaka unutar VIs-a. Ipak, predstavlja vrijedan alat za osiguravanje integriteta i funkcionalnosti VIs-a na različitim nivoima napona i primjenama.

Ova metoda osigurava da se svaki značajan gubitak vakuma brzo otkrije, omogućujući pravovremene radove održavanja ili zamjene, time povećavajući pouzdanost i sigurnost električnih sustava ovisnih o VIs-ima.

Pozadina nadzora prekidnog uređaja s vakuumom koristeći metodu mehaničkog nadzora tlaka

Tehnika mehaničkog nadzora tlaka procjenjuje integritet vakuma prekidnog uređaja (VI) otkrivajući promjene u mehaničkom ponašanju uzrokovane gubitkom zatvarajuće sile zbog atmosferskog tlaka na pokretan terminal. Ova metoda pruža binarnu, prošao/pao mjerenja koja pokazuju je li VI izgubio vakuum i postao "do-zraka." Tlaci oko minimalnog Paschenovog tlaka i drugih ključnih točaka gdje performanse VIs-a počinju opadati su premali da bi uzrokovali bilo kakvu otkrivljivu mehaničku promjenu ovoj metodom.

Prednosti i nedostaci metode mehaničkog nadzora tlaka

Prednosti:
•    Kompatibilnost: Metoda je općenito kompatibilna s različitim vrstama izolacije, uključujući SF6, ulje i čvrstu izolaciju, pod uvjetom da se mogu riješiti praktični problemi poput ograničenja prostora i upucivanja svjetlosti na opremu za detekciju.
•    Prednosti optičke tehnike: Korištenje optičke tehnike omogućuje premještanje neoptičkih komponenti u niskonaponski odjeljak prekidača, što može poboljšati sigurnost i lakoću održavanja.
Nedostaci:
•    Zahtjev za instalacijom: Pokretna komponenta potrebna za nadzor tlaka mora biti instalirana tijekom prvobitne proizvodnje VIs-a. Ne može se nadograđivati na već izgrađene VIs-e. Iako bi teoretski bilo moguće integrirati VIs-e opremljene ovom značajkom u postojeće prekidače zajedno s potrebnom opremom za nadzor, praktični izazovi vezani uz ugradnju proširenja za dodatnu komponentu u postojeće instalacije često čine tu opciju nepraktičnom.
•    Briga o pouzdanosti: Pouzdanost mjernih oprema u usporedbi s samim VIs-om predstavlja značajan rizik. Dodatni spajani dijelovi dodani VIs-u uvode potencijalne nove putove curenja i mogu biti osetljiviji na oštećenje tijekom instalacije, što može dovesti do gubitka vakuma.

Slabost komponenti:

• Optičke tehnike: Optički vlakna korištena u sustavu detekcije su osetljiva na nesukladnost, oštećenje tijekom instalacije i blokade od kondenzacije ili prašine.

• Metoda električnog kontakta: Detekcija pokreta putem električnih kontakata zahtijeva napajani mikrokolo blizu VIs-a, koji mora biti električki izoliran. To uvodi nekoliko potencijalnih načina za propast, uključujući probleme s pouzdanosti mikrokola, uspješne prijenos signala, napajanje kola i održavanje električne izolacije.

Ukratko, iako metoda mehaničkog nadzora tlaka pruža jednostavan način za potvrdu da li je VI potpuno izgubio vakuum, dolazi s značajnim ograničenjima. To uključuje nemogućnost nadogradnje postojećih VIs-e, potencijalne brige o pouzdanosti dodatnih komponenti i praktične izazove vezane za instalaciju i operaciju. Pažljivo razmatranje tih faktora ključno je pri odlučivanju o prikladnosti ove metode za specifične primjene. Osiguranje robustnog dizajna i implementacije može pomoći u smanjenju nekih tih rizika, čime se poboljšava ukupna pouzdanost i učinkovitost sustava za nadzor prekidnih uređaja s vakuumom.