Misurazione della Condizione del Vuoto nell'Interruttore a Vuoto mediante Metodo di Monitoraggio della Pressione Meccanica

Monitoraggio delle condizioni di vuoto negli interruttori a vuoto

Gli interruttori a vuoto (IV) costituiscono il principale mezzo di interruzione del circuito per i sistemi elettrici a media tensione e vengono utilizzati sempre più in sistemi a bassa, media e alta tensione. Le prestazioni degli IV dipendono dal mantenimento di una pressione interna inferiore a 10 hPa (dove 1 hPa equivale a 100 Pa o 0,75 torr). Prima di uscire dalla fabbrica, gli IV vengono testati per assicurare che la loro pressione interna sia ≤10^-3 hPa.
Le prestazioni di un IV sono correlate al livello di vuoto; tuttavia, non sono semplicemente proporzionali alla pressione interna. Invece, la pressione all'interno di un IV può essere suddivisa in tre gruppi:

•    Bassa pressione: Inferiore a 10^-6 hPa
•    Pressione intermedia: Da circa 10^-3 hPa fino alla pressione minima di Paschen
•    Alta pressione: Generalmente indicativa di un guasto che porta all'esposizione all'aria

Nel range di bassa pressione, gli IV funzionano efficacemente. Tuttavia, nel range di pressione intermedia, sia la resistenza dielettrica che le capacità di interruzione si degradano, una degradazione che continua nel range "fino all'aria". Interessantemente, mentre le prestazioni dielettriche sono al loro minimo nelle pressioni intermedie, migliorano leggermente nel range "fino all'aria"—anche se non raggiungono il livello osservato nel range di bassa pressione.
È cruciale riconoscere che nessuna delle tecniche di monitoraggio discusse copre l'intero range di pressioni all'interno di un IV, dalla bassa pressione fino alle condizioni "fino all'aria". Ogni tecnica si applica a un range specifico, dettagliato nel testo e riassunto nella Tabella 1. Inoltre, l'efficacia di alcuni metodi varia in base alla progettazione dell'IV, e alcune uscite possono essere influenzate dalla composizione e dalla pressione dei gas potenzialmente in fuga nell'IV, come l'aria atmosferica o il gas SF6 utilizzato nei dispositivi GIS.

L'ampia diffusione degli IV nei dispositivi a media tensione sottolinea la sfida di confermare l'integrità del vuoto sul campo, specialmente dopo decenni di servizio. I controlli sugli IV dopo oltre 20 anni di uso hanno prodotto risultati misti. È importante notare che gli IV sono solo un componente di un sistema più ampio; la funzionalità del meccanismo, della circuitazione di controllo, del progetto del circuito e di altri elementi è altrettanto critica per il corretto funzionamento degli IV.

La Tabella 1 fornisce un riepilogo delle applicazioni generali di queste tecniche di monitoraggio in ambienti SF6, insieme a considerazioni pratiche per il loro utilizzo con dispositivi GIS. Questa tabella illustra anche i risultati di vari metodi di test, evidenziando le complessità coinvolte nell'assicurare la affidabilità a lungo termine degli IV in diversi contesti operativi. Comprendere queste sfumature è essenziale per ottimizzare le prestazioni e la durata dei sistemi elettrici che si basano sulla tecnologia degli interruttori a vuoto.

Misurazione delle condizioni degli interruttori a vuoto utilizzando il monitoraggio della pressione meccanica

La pressione atmosferica esercita una forza di chiusura significativa sul terminale mobile degli interruttori a vuoto (IV). Per gli IV utilizzati nei disgiuntori, questa forza di solito ammonta a diverse centinaia di newton. Quando il vuoto all'interno dell'IV viene completamente perso, la pressione interna si equilibra con la pressione atmosferica esterna, riducendo significativamente la forza di chiusura e alterando il comportamento meccanico dell'IV. I metodi diagnostici basati sulla rilevazione di questo cambiamento possono identificare solo quando l'IV ha completamente perso il suo vuoto, ovvero è diventato "fino all'aria". Nota bene, anche a pressioni elevate come quelle vicine al minimo di Paschen, rimane sufficiente pressione all'interno dell'IV per mantenere la forza di chiusura completa.

Metodo principale per il monitoraggio della pressione meccanica

L'approccio principale al monitoraggio della pressione meccanica prevede l'aggiunta di un componente mobile aggiuntivo all'IV utilizzando una campana o un meccanismo simile (si veda la Figura 1). Quando il vuoto è completamente perso, questo componente aggiuntivo si muove a causa dell'equilibrio tra la pressione interna e quella esterna. A differenza del contatto mobile, che è vincolato dal meccanismo del disgiuntore, questo componente aggiuntivo è libero di muoversi. Un sistema di rilevazione monitora i cambiamenti di posizione di questo componente aggiuntivo e reagisce di conseguenza. A seconda del sistema di rilevazione utilizzato, questa configurazione consente il monitoraggio continuo dell'IV. Il movimento del componente aggiuntivo è determinato dal suo stesso design piuttosto che dal design generale dell'IV, rendendo questo metodo applicabile a IV a bassa, media e alta tensione.
Considerazioni pratiche

Sebbene teoricamente possibile, l'utilizzo della forza di chiusura sul terminale mobile dell'IV per rilevare la perdita di vuoto presenta sfide. La pressione atmosferica normalmente applica una forza di diverse centinaia di newton al terminale mobile dell'IV, mentre il disgiuntore stesso applica una forza di chiusura di diverse migliaia di newton. Pertanto, identificare una riduzione della forza di chiusura dell'IV attraverso il comportamento meccanico del disgiuntore risulta difficile a causa della relativa piccola magnitudine della forza di chiusura dell'IV rispetto a quella del disgiuntore. Nei contattatori a vuoto, tuttavia, dove la forza applicata dal meccanismo del contattatore è inferiore, diagnosticare la perdita completa del vuoto attraverso il comportamento meccanico può essere più fattibile.

Utilizzando un componente mobile aggiuntivo e un sistema di rilevazione, il monitoraggio della pressione meccanica offre una soluzione pratica per valutare continuamente la condizione del vuoto degli IV. Questa tecnica fornisce un mezzo affidabile per rilevare la perdita totale del vuoto, anche se non può identificare aumenti parziali della pressione all'interno dell'IV. Tuttavia, rappresenta uno strumento prezioso per garantire l'integrità e la funzionalità degli IV in vari livelli di tensione e applicazioni.

Questo metodo assicura che qualsiasi perdita significativa di vuoto venga rilevata tempestivamente, consentendo azioni di manutenzione o sostituzione tempestive, migliorando così l'affidabilità e la sicurezza dei sistemi elettrici che si basano sugli IV.

Sfondo sul monitoraggio degli interruttori a vuoto utilizzando il metodo di monitoraggio della pressione meccanica

Il metodo di monitoraggio della pressione meccanica valuta l'integrità del vuoto di un Interruttore a Vuoto (IV) rilevando i cambiamenti del comportamento meccanico dovuti alla perdita della forza di chiusura causata dalla pressione atmosferica sul terminale mobile. Questo metodo fornisce una misurazione binaria, pass/fail, che indica se l'IV ha perso il suo vuoto e si trova "fino all'aria". Le pressioni intorno al minimo di Paschen e altri punti critici in cui le prestazioni dell'IV iniziano a degradarsi sono troppo basse per causare qualsiasi cambiamento meccanico rilevabile con questo metodo.

Vantaggi e svantaggi del metodo di monitoraggio della pressione meccanica

Vantaggi:
•    Compatibilità: Il metodo è generalmente compatibile con vari tipi di isolamento, inclusi SF6, olio e isolamento solido, a condizione che possano essere gestiti problemi pratici come limiti di spazio e la conduzione della luce all'equipaggiamento di rilevazione.
•    Benefici della tecnica ottica: L'utilizzo di una tecnica ottica permette di spostare i componenti non ottici nel compartimento a bassa tensione del dispositivo di commutazione, migliorando la sicurezza e la facilità di manutenzione.
Svantaggi:
•    Requisito di installazione: Il componente mobile necessario per il monitoraggio della pressione deve essere installato durante la produzione iniziale dell'IV. Non può essere retrofittato su IV già costruiti. Sebbene possa essere teoricamente possibile integrare IV dotati di questa funzionalità in disgiuntori esistenti insieme all'equipaggiamento di monitoraggio richiesto, le sfide pratiche legate all'inserimento dell'estensione per il componente aggiuntivo nelle installazioni esistenti spesso rendono ciò impraticabile.
•    Preoccupazioni sulla affidabilità: La affidabilità dell'equipaggiamento di misurazione rispetto all'IV stesso rappresenta un rischio significativo. I pezzi aggiuntivi brasati all'IV introducono nuovi percorsi di fuga potenziali e possono essere più suscettibili a danni durante l'installazione, portando potenzialmente a una perdita di vuoto.

Fragilità dei componenti:

• Tecniche ottiche: Le fibre ottiche utilizzate nel sistema di rilevazione sono vulnerabili a malallineamenti, danni durante l'installazione e ostruzioni da condensazione o polvere.

• Metodo del contatto elettrico: Il rilevamento del movimento tramite contatti elettrici richiede un microcircuito alimentato vicino all'IV, che deve anche essere isolato elettricamente. Ciò introduce diverse modalità di fallimento potenziali, incluse questioni di affidabilità del microcircuito, trasmissione efficace del segnale, alimentazione del circuito e mantenimento dell'isolamento elettrico.

In sintesi, sebbene il metodo di monitoraggio della pressione meccanica offra un modo semplice per confermare se un IV ha completamente perso il suo vuoto, presenta limitazioni notevoli. Queste includono l'impossibilità di retrofittare IV esistenti, preoccupazioni sulla affidabilità di componenti aggiuntivi e sfide pratiche legate all'installazione e all'operazione. Una considerazione attenta di questi fattori è essenziale quando si decide sulla idoneità di questo metodo per applicazioni specifiche. Assicurare un design robusto e un'implementazione accurata può aiutare a mitigare alcuni di questi rischi, migliorando così l'affidabilità e l'efficacia complessiva dei sistemi di monitoraggio degli interruttori a vuoto.