Vakuumtilstandsmåling i vakuumavbryter ved mekanisk trykkovervåking

Vakuumtilstandsovervåking i vakuumavbrytere

Vakuumavbrytere (VIs) fungerer som hovedavbrytningmedium for mediumspenningsstrømsystemer og blir stadig mer anvendt i lav-, medium- og høy-spenningsystemer. VIs ytelse er avhengig av å opprettholde et innendøltrykk under 10 hPa (der 1 hPa tilsvarer 100 Pa eller 0.75 torr). Før de forlater fabrikken, testes VIs for å sikre at det indre trykket er ≤10^-3 hPa.
Ytelsen til en VI korrelerer med dens vakuumnivå; imidlertid, det er ikke bare proporsjonalt med det indre trykket. I stedet kan trykket inni en VI kategoriseres i tre grupper:

•   Lavt trykk: Under 10^-6 hPa
•   Middels trykk: Fra omtrent 10^-3 hPa opp til Paschens minimumstrykk
•   Høyt trykk: Generelt indikator på en feil som fører til eksponering for luft

I lavtrykkets område fungerer VIs effektivt. Imidlertid, i middelområdet, degraderer både dielektrisk styrke og avbrytningskapasiteter, en degradasjon som fortsetter inn i "opp-til-luft"-området. Interessant nok, selv om dielektrisk prestasjon er sin laveste i middeltrykkets områder, forbedres den faktisk litt i "opp-til-luft"-området - men ikke til nivået observert i lavtrykkets område.
Det er viktig å erkjenne at ingen av de diskuterte overvåkningsteknikkene dekker hele trykkets spenn i en VI, fra lavt trykk til "opp-til-luft"-forhold. Hver teknikk gjelder for et spesifikt område, detaljert i teksten og oppsummert i tabell 1. I tillegg varierer effektiviteten av visse metoder basert på VI-designet, og noen utdata kan påvirkes av sammensetningen og trykket av gasser som potensielt leker inn i VI-en, som atmosfæreluft eller SF6-gass brukt i GIS-bryterutstyr.

Den omfattende bruken av VIs i mediumspenningsbrytere understreker utfordringen ved å bekrefte vakuumintegritet i feltet, spesielt etter flere tiår i bruk. Inspeksjoner av VIs etter mer enn 20 år i bruk har gitt blandede resultater. Det er viktig å merke seg at VIs er bare ett komponent i et større system; funksjonen til mekanismen, styre-sirkuit, krettsdesign og andre elementer er like kritisk for effektiv drift av VIs.

Tabell 1 gir en oppsummering av de generelle anvendelsene av disse overvåkningsteknikkene i SF6-miljøer, sammen med praktiske overveielser for deres bruk med GIS-brytere. Denne tabellen tegner også ut resultatene av ulike testmetoder, og fremhever kompleksitetene knyttet til å sikre langtidsholdbarheten til VIs i ulike driftssammenhenger. Forståelsen av disse nyansene er essensiell for å optimere ytelsen og holdbarheten av elektriske systemer som er avhengige av vakuumavbryterteknologi.

Måling av vakuumavbryters tilstand ved bruk av mekanisk trykkovervåking

Atmosfæretrykk utøver en betydelig lukkekreft på den bevegelige terminalen i vakuumavbrytere (VIs). For VIs som brukes i brytere, er denne kreften typisk flere hundre newton. Når vakuumet inne i VI-en fullstendig forsvinner, likeflater det indre trykket med det eksterne atmosfæretrykket, noe som reduserer lukkekreften betydelig og endrer den mekaniske oppførselen til VI-en. Diagnostiske metoder basert på deteksjon av denne endringen kan kun identifisere når VI-en har fullstendig mistet sitt vakuum, altså har blitt "opp-til-luft." Merk at selv ved trykk så høyt som nær Paschens minimumstrykk, er det fortsatt nok trykk inne i VI-en til å opprettholde full lukkekreft.

Hovedmetode for mekanisk trykkovervåking

Den primære tilnærmingen til mekanisk trykkovervåking involverer montering av et ekstra bevegelig komponent til VI-en ved hjelp av en bellows eller lignende mekanisme (se figur 1). Når vakuumet fullstendig forsvinner, flytter dette ekstra dellet seg på grunn av likestilling av indre og eksterne trykk. I motsetning til den bevegelige kontakten, som er begrenset av brytermekanismen, er dette ekstra dellet fritt til å bevege seg. En deteksjonssystem overvåker posisjonsendringene til dette ekstra komponentet og reagerer deretter. Avhengig av det deteksjonssystemet som brukes, tillater denne oppsettet kontinuerlig overvåking av VI-en. Bevegelsen til det ekstra dellet er bestemt av dets eget design snarere enn det generelle VI-designet, noe som gjør denne metoden anvendelig for lav-, medium- og høy-spennings VIs.
Praktiske overveielser

Selv om teoretisk mulig, presenterer bruk av lukkekreften på VI-ens bevegelige terminal utfordringer for å detektere vakuumtap. Atmosfæretrykk utøver normalt en kreft på flere hundre newton på VI-ens bevegelige terminal, mens selve bryteren utøver en lukkekreft på flere tusen newton. Derfor er det vanskelig å identifisere en reduksjon i VI-ens lukkekreft gjennom bryterens mekaniske oppførsel, på grunn av den relativt lille magnituden av VI-lukkekreften sammenlignet med bryterens lukkekreft. I vakuumkontaktorer, derimot, hvor den anvendte kreften fra kontaktormekanismen er lavere, kan diagnostisering av fullstendig vakuumtap gjennom mekanisk oppførsel være mer realistisk.

Ved å benytte et ekstra bevegelig del og et deteksjonssystem, gir mekanisk trykkovervåking en praktisk løsning for kontinuerlig vurdering av vakuumtilstanden til VIs. Denne teknikken gir en pålitelig måte å detektere total vakuumtap, selv om den ikke kan identifisere partielle trykkøkninger inni VI-en. Likevel representerer det en verdifull verktøy for å sikre integriteten og funksjonen til VIs på ulike spenningsnivåer og anvendelser.

Denne metoden sikrer at enhver signifikant vakuumtap raskt detekteres, hvilket lar tilpassede vedlikeholds- eller erstattelsesaksjoner foretas, noe som øker påliteligheten og sikkerheten i elektriske systemer som er avhengige av VIs.

Bakgrunn for vakuumavbryters overvåking ved bruk av mekanisk trykkovervåking

Mekanisk trykkovervåkingsteknikken vurderer vakuumintegriteten til en vakuumavbryter (VI) ved å detektere endringer i mekanisk oppførsel på grunn av tap av lukkekreft forårsaket av atmosfæretrykk på den bevegelige terminalen. Denne metoden gir en binær, pass/fail-måling som indikerer om VI-en har mistet sitt vakuum og er "opp-til-luft." Trykk rundt Paschens minimumstrykk og andre kritiske punkter der VI-ytelsen begynner å degradere, er for lave til å forårsake noen detekterbare mekaniske endringer ved hjelp av denne metoden.

Fordeler og ulemper ved mekanisk trykkovervåking

Fordeler:
•   Kompatibilitet: Metoden er generelt kompatibel med ulike isolasjonstyper, inkludert SF6, olje og fast isolasjon, gitt at praktiske problemer som romrestriksjoner og veiledning av lys til deteksjonsekipement kan håndteres.
•   Fordeler ved optiske teknikker: Bruk av en optisk teknikk lar det plasseres ikke-optiske komponenter i lavspenningskompartimentet av bryterutstyret, noe som kan forbedre sikkerhet og vedlikeholdslettighet.
Ulemper:
•   Installasjonskrav: Det bevegelige dellet som er nødvendig for trykkovervåking, må installeres under den initielle produksjonen av VI-en. Det kan ikke ettermonteres til allerede bygde VIs. Selv om det teoretisk sett kan være mulig å integrere VIs utstyrt med denne funksjonen i eksisterende brytere sammen med det nødvendige overvåkingsekipementet, gjør praktiske utfordringer relatert til å passe inn utvidelsen for det ekstra dellet i eksisterende installasjoner ofte dette upraktisk.
•   Pålitelighetsbekymringer: Påliteligheten til måleutstyr compared to the VI itself poses a significant risk. Additional brazed parts added to the VI introduce potential new leak paths and may be more susceptible to damage during installation, potentially leading to vacuum loss.

Fragilitet av komponenter:

• Optiske teknikker: Fiberoptikk som brukes i deteksjonssystemet er sårbare for misjustering, skade under installasjon og blokkering fra kondensasjon eller støv.

• Elektrisk kontaktmetode: Bevegelsesdeteksjon via elektriske kontakter krever en strømførende mikrosirkuit nær VI-en, som også må være elektrisk isolert. Dette introduserer flere potensielle feilmønstre, inkludert problemer med mikrosirkuits pålitelighet, vellykket signaloverføring, strømforsyning av sirkuitet, og vedlikehold av elektrisk isolasjon.

Sammenfatningsvis, mens mekanisk trykkovervåkingsteknikken gir en enkel måte å bekrefte om en VI har fullstendig mistet sitt vakuum, kommer den med betydelige begrensninger. Disse inkluderer evnen til å ettermontere eksisterende VIs, potensielle pålitelighetsproblemer med ekstra komponenter, og praktiske utfordringer relatert til installasjon og drift. Omhyggelig vurdering av disse faktorene er essensiell når man bestemmer passende anvendelse av denne metoden. Sikring av robust design og implementering kan bidra til å redusere noen av disse risikoene, noe som forbedrer den totale påliteligheten og effektiviteten av vakuumavbryterovervåkingssystemer.