Vacuümtoestand Meting in Vacuümonderbreker Door Mechanische Drukmeting Methode

Vacuümtoestand monitoring in vacuümonderbrekers

Vacuümonderbrekers (VIs) dienen als het primaire circuitonderbrekingsmedium voor middenspanningskrachtstelsels en worden steeds vaker gebruikt in lage, middelbare en hoge-spanningssystemen. De prestaties van VIs hangen af van het handhaven van een interne druk onder de 10 hPa (waarbij 1 hPa gelijk is aan 100 Pa of 0,75 torr). Voordat ze de fabriek verlaten, worden VIs getest om te zorgen dat hun interne druk ≤10^-3 hPa is.
De prestaties van een VI staan in verband met het vacuümniveau; echter, het is niet eenvoudig evenredig aan de interne druk. In plaats daarvan kan de druk binnen een VI worden ingedeeld in drie categorieën:

•    Lage Druk: Onder 10^-6 hPa
•    Middelste Druk: Van ongeveer 10^-3 hPa tot de Paschen-minimumdruk
•    Hoge Druk: Meestal een indicatie van een storing die leidt tot blootstelling aan lucht

Binnen het lagedrukbereik functioneren VIs effectief. Echter, in het middenbereik nemen zowel de dielektrische sterkte als de onderbrekingscapaciteiten af, een afname die doorgaat in het "tot-lucht" bereik. Interessant genoeg, terwijl de dielektrische prestaties op hun laagst zijn in het middenbereik, verbeteren ze eigenlijk enigszins in het tot-luchtbereik—hoewel niet tot het niveau zoals waargenomen in het lagedrukbereik.
Het is cruciaal om te erkennen dat geen van de besproken monitoringsmethoden het volledige drukbereik binnen een VI, van lagedruk tot tot-lucht, bestrijkt. Elke techniek is van toepassing op een specifiek bereik, gedetailleerd in de tekst en samengevat in Tabel 1. Bovendien varieert de effectiviteit van bepaalde methoden afhankelijk van het ontwerp van de VI, en kunnen sommige uitvoerbeelden beïnvloed worden door de samenstelling en druk van gassen die mogelijk in de VI lekken, zoals atmosferische lucht of SF6-gas dat wordt gebruikt in GIS-schakelaars.

De uitgebreide inzet van VIs in middenspanningsafschakelaars benadrukt de uitdaging van het bevestigen van vacuümintegriteit ter plaatse, vooral na decennia van gebruik. Inspecties van VIs na meer dan 20 jaar gebruik hebben gemengde resultaten opgeleverd. Het is belangrijk om te noteren dat VIs slechts één component zijn van een groter systeem; de functionaliteit van het mechanisme, het bedradingsschema, het circuitsontwerp en andere elementen is even kritisch voor de effectieve werking van VIs.

Tabel 1 biedt een overzicht van de algemene toepassingen van deze monitoringsmethoden in SF6-omgevingen, samen met praktische overwegingen voor hun gebruik met GIS-schakelaars. Deze tabel schetst ook de uitkomsten van verschillende testmethoden, waarbij de complexiteit wordt benadrukt die betrokken is bij het waarborgen van de langetermijnbetrouwbaarheid van VIs in diverse operationele contexten. Het begrijpen van deze nuances is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties en levensduur van elektrische systemen die afhankelijk zijn van vacuümonderbrekerstechnologie.

Toestandsmeting van Vacuümonderbrekers met Mechanische Drukmonitoring

Atmosferische druk oefent een aanzienlijke sluitkracht uit op de bewegende terminal van vacuümonderbrekers (VIs). Voor VIs die in schakelaars worden gebruikt, bedraagt deze kracht meestal enkele honderden newton. Wanneer het vacuüm binnen de VI volledig verloren gaat, gelijkt de interne druk zich aan de externe atmosferische druk, waardoor de sluitkracht aanzienlijk afneemt en het mechanische gedrag van de VI verandert. Diagnostische methoden die gebaseerd zijn op het detecteren van deze verandering kunnen alleen aangeven wanneer de VI volledig zijn vacuüm heeft verloren, dus wanneer het "tot-lucht" is. Opmerkelijk genoeg blijft zelfs bij drukniveaus nabij de Paschen-minimumdruk voldoende druk binnen de VI aanwezig om de volledige sluitkracht te behouden.

Hoofdmethoden voor Mechanische Drukmonitoring

De hoofdaanpak voor mechanische drukmonitoring bestaat erin een extra beweegbaar onderdeel aan de VI te bevestigen met behulp van een bel of vergelijkbaar mechanisme (zie Figuur 1). Wanneer het vacuüm volledig verloren gaat, beweegt dit extra onderdeel door de gelijkmaking van interne en externe druk. In tegenstelling tot de bewegende contacten, die beperkt zijn door het schakelaarmechanisme, is dit extra onderdeel vrij om te bewegen. Een detectiesysteem monitort de positieveranderingen van dit extra onderdeel en reageert daarop. Afhankelijk van het gebruikte detectiesysteem stelt deze opstelling continu monitoring van de VI in. De beweging van het extra onderdeel wordt bepaald door zijn eigen ontwerp en niet door het algehele ontwerp van de VI, waardoor deze methode toepasbaar is op lage, middelbare en hoge-spannings-VIs.
Praktische Overwegingen

Hoewel theoretisch mogelijk, presenteert het gebruik van de sluitkracht op de bewegende terminal van de VI om vacuümverlies te detecteren uitdagingen. Atmosferische druk oefent normaal gesproken een kracht van enkele honderden newton uit op de bewegende terminal van de VI, terwijl de schakelaar zelf een sluitkracht van enkele duizenden newton oefent. Daarom is het moeilijk om een afname in de sluitkracht van de VI te identificeren via het mechanische gedrag van de schakelaar, vanwege de relatief kleine grootte van de sluitkracht van de VI vergeleken met die van de schakelaar. In vacuümcontactors, waar de toegepaste kracht van het contactormechanisme lager is, kan het diagnosticeren van volledig vacuümverlies via mechanisch gedrag echter meer haalbaar zijn.

Door een extra beweegbaar onderdeel en een detectiesysteem te gebruiken, biedt mechanische drukmonitoring een praktische oplossing voor het continu evalueren van het vacuümtoestand van VIs. Deze techniek biedt een betrouwbare manier om volledig vacuümverlies te detecteren, hoewel het partiële drukverhogingen binnen de VI niet kan identificeren. Desondanks vertegenwoordigt het een waardevol instrument voor het waarborgen van de integriteit en functionaliteit van VIs op verschillende spanningniveaus en toepassingen.

Deze methode zorgt ervoor dat elke significante vacuümverlies snel wordt gedetecteerd, waardoor tijdige onderhouds- of vervangingsacties mogelijk zijn, waardoor de betrouwbaarheid en veiligheid van elektrische systemen die afhankelijk zijn van VIs wordt verhoogd.

Achtergrond van Vacuümonderbreker Monitoring met Behulp van Mechanische Drukmonitoring Methode

De mechanische drukmonitoringstechniek evalueert de vacuümintegriteit van een Vacuümonderbreker (VI) door veranderingen in het mechanische gedrag te detecteren als gevolg van het verlies van sluitkracht veroorzaakt door atmosferische druk op de bewegende terminal. Deze methode biedt een binaire, goed/fout-meting die aangeeft of de VI zijn vacuüm heeft verloren en "tot-lucht" is. Drucken rond de Paschen-minimum en andere kritieke punten waarbij de prestaties van de VI beginnen te verslechteren, zijn te laag om enige meetbare mechanische verandering te veroorzaken met deze methode.

Voordelen en Nadelen van de Methode voor Mechanische Drukmonitoring

Voordelen:
•    Compatibiliteit: De methode is in het algemeen compatibel met verschillende isolatietypen, waaronder SF6, olie en vaste isolatie, mits praktische problemen zoals ruimtebeperkingen en het geleiden van licht naar de detectieapparatuur kunnen worden beheerst.
•    Voordelen van Optische Technieken: Het gebruik van een optische techniek maakt het mogelijk om niet-optische componenten te verplaatsen naar het laagspanningscompartiment van de schakelaar, wat de veiligheid en het onderhoud kan verbeteren.
Nadelen:
•    Installatievereisten: Het beweegbare onderdeel dat nodig is voor drukmonitoring moet tijdens de initiële fabricage van de VI worden geïnstalleerd. Het kan niet worden nagebouwd op al bestaande VIs. Hoewel het theoretisch mogelijk zou kunnen zijn om VIs die zijn uitgerust met deze functie in bestaande schakelaars te integreren samen met de vereiste monitoringapparatuur, maken praktische uitdagingen gerelateerd aan het passen van de uitbreiding voor het extra onderdeel in bestaande installaties dit vaak onpraktisch.
•    Betrouwbaarheidszorgen: Het risico van de betrouwbaarheid van de meetapparatuur ten opzichte van de VI zelf is significant. Extra gelaste delen die aan de VI worden toegevoegd, brengen potentiële nieuwe lekkagepaden in en kunnen gevoeliger zijn voor beschadiging tijdens de installatie, wat potentieel kan leiden tot vacuümverlies.

Kwetsbaarheid van Componenten:

• Optische Technieken: Glasvezels die in het detectiesysteem worden gebruikt, zijn kwetsbaar voor misalingement, beschadiging tijdens de installatie en verstopping door condens of stof.

• Elektrische Contactmethode: Bewegingsdetectie via elektrische contacten vereist een gevoede microcircuit in de buurt van de VI, dat ook elektrisch geïsoleerd moet zijn. Dit introduceert verschillende mogelijke faalmodes, waaronder problemen met de betrouwbaarheid van het microcircuit, succesvolle signaaloverdracht, het voeden van het circuit en het behouden van elektrische isolatie.

Samenvattend biedt de methode van mechanische drukmonitoring een eenvoudige manier om te bevestigen of een VI volledig zijn vacuüm heeft verloren, maar het komt met opmerkelijke beperkingen. Deze omvatten het onmogelijk maken van de nagebouw van bestaande VIs, potentiële betrouwbaarheidszorgen met extra componenten en praktische uitdagingen gerelateerd aan installatie en operatie. Zorgvuldige overweging van deze factoren is essentieel bij het bepalen van de geschiktheid van deze methode voor specifieke toepassingen. Door een robuust ontwerp en implementatie te garanderen, kunnen sommige van deze risico's worden verminderd, waardoor de algehele betrouwbaarheid en effectiviteit van vacuümonderbrekermonitoringssystemen wordt verhoogd.