Medição da Condição de Vácuo no Interruptor de Vácuo pelo Método de Monitoramento de Pressão Mecânica

Monitoramento das Condições de Vácuo em Interruptores a Vácuo

Interruptores a vácuo (VIs) servem como o principal meio de interrupção de circuitos para sistemas de energia de média tensão e estão sendo cada vez mais utilizados em sistemas de baixa, média e alta tensão. O desempenho dos VIs depende de manter uma pressão interna inferior a 10 hPa (onde 1 hPa equivale a 100 Pa ou 0,75 torr). Antes de sair da fábrica, os VIs são testados para garantir que sua pressão interna seja ≤10^-3 hPa.
O desempenho de um VI está correlacionado com seu nível de vácuo; no entanto, não é simplesmente proporcional à pressão interna. Em vez disso, a pressão dentro de um VI pode ser categorizada em três grupos:

•    Baixa Pressão: Abaixo de 10^-6 hPa
•    Pressão Intermediária: De aproximadamente 10^-3 hPa até a pressão mínima de Paschen
•    Alta Pressão: Geralmente indicativa de uma falha levando à exposição ao ar

Na faixa de baixa pressão, os VIs funcionam efetivamente. No entanto, na faixa intermediária, tanto a resistência dielétrica quanto as capacidades de interrupção se degradam, uma degradação que continua na faixa "até o ar". Curiosamente, enquanto o desempenho dielétrico está em seu nível mais baixo nas pressões intermediárias, ele melhora ligeiramente na faixa "até o ar" - embora não atinja o nível observado na faixa de baixa pressão.
É crucial reconhecer que nenhuma das técnicas de monitoramento discutidas abrange toda a faixa de pressões dentro de um VI, desde a baixa pressão até as condições "até o ar". Cada técnica se aplica a uma faixa específica, detalhada no texto e resumida na Tabela 1. Além disso, a eficácia de certos métodos varia com base no design do VI, e algumas saídas podem ser influenciadas pela composição e pressão dos gases que possam vazar para o VI, como o ar atmosférico ou o gás SF6 usado em equipamentos GIS.

A ampla implantação de VIs em equipamentos de média tensão realça o desafio de confirmar a integridade do vácuo em campo, especialmente após décadas de serviço. Inspeções de VIs após mais de 20 anos de uso produziram resultados mistos. É importante notar que os VIs são apenas um componente de um sistema maior; a funcionalidade do mecanismo, da circuitaria de controle, do projeto do circuito e de outros elementos é igualmente crítica para a operação eficaz dos VIs.

A Tabela 1 fornece um resumo das aplicações gerais dessas técnicas de monitoramento em ambientes de SF6, juntamente com considerações práticas para seu uso com equipamentos GIS. Esta tabela também destaca os resultados de vários métodos de teste, destacando as complexidades envolvidas na garantia da confiabilidade a longo prazo dos VIs em contextos operacionais diversos. Compreender essas nuances é essencial para otimizar o desempenho e a longevidade de sistemas elétricos dependentes da tecnologia de interruptores a vácuo.

Medição da Condição de Interruptores a Vácuo Usando Monitoramento de Pressão Mecânica

A pressão atmosférica exerce uma força substancial de fechamento no terminal móvel dos interruptores a vácuo (VIs). Para VIs usados em disjuntores, essa força geralmente chega a várias centenas de newtons. Quando o vácuo dentro do VI é completamente perdido, a pressão interna se equaliza com a pressão atmosférica externa, reduzindo significativamente a força de fechamento e alterando o comportamento mecânico do VI. Métodos diagnósticos baseados na detecção dessa mudança só podem identificar quando o VI perdeu completamente seu vácuo, ou seja, quando está "até o ar". Notavelmente, mesmo em pressões tão altas quanto as próximas ao mínimo de Paschen, ainda há pressão suficiente dentro do VI para manter a força total de fechamento.

Método Principal para Monitoramento de Pressão Mecânica

A abordagem principal para o monitoramento de pressão mecânica envolve a fixação de um componente adicional móvel ao VI usando um sino ou mecanismo similar (ver Figura 1). Quando o vácuo é completamente perdido, essa parte adicional se move devido à equalização das pressões interna e externa. Diferentemente do contato móvel, que é restringido pelo mecanismo do disjuntor, essa parte adicional é livre para se mover. Um sistema de detecção monitora as mudanças de posição dessa parte adicional e reage de acordo. Dependendo do sistema de detecção utilizado, essa configuração permite o monitoramento contínuo do VI. O movimento da parte adicional é determinado por seu próprio design, tornando esse método aplicável a VIs de baixa, média e alta tensão.
Considerações Práticas

Embora teoricamente possível, usar a força de fechamento no terminal móvel do VI para detectar a perda de vácuo apresenta desafios. A pressão atmosférica normalmente aplica uma força de várias centenas de newtons ao terminal móvel do VI, enquanto o disjuntor aplica uma força de fechamento de várias milhares de newtons. Portanto, identificar uma redução na força de fechamento do VI através do comportamento mecânico do disjuntor é difícil devido à magnitude relativamente pequena da força de fechamento do VI em comparação com a do disjuntor. Em contatos a vácuo, no entanto, onde a força aplicada pelo mecanismo do contato é menor, diagnosticar a perda completa de vácuo através do comportamento mecânico pode ser mais viável.

Ao empregar uma parte móvel adicional e um sistema de detecção, o monitoramento de pressão mecânica oferece uma solução prática para avaliar continuamente a condição de vácuo dos VIs. Essa técnica fornece um meio confiável para detectar a perda total de vácuo, embora não possa identificar aumentos parciais de pressão dentro do VI. No entanto, representa uma ferramenta valiosa para garantir a integridade e a funcionalidade dos VIs em diversos níveis de tensão e aplicações.

Este método garante que qualquer perda significativa de vácuo seja detectada prontamente, permitindo ações de manutenção ou substituição oportunas, melhorando assim a confiabilidade e a segurança dos sistemas elétricos dependentes de VIs.

Contexto sobre o Monitoramento de Interruptores a Vácuo Usando o Método de Monitoramento de Pressão Mecânica

A técnica de monitoramento de pressão mecânica avalia a integridade do vácuo de um Interruptor a Vácuo (VI) detectando mudanças no comportamento mecânico devido à perda de força de fechamento causada pela pressão atmosférica no terminal móvel. Este método fornece uma medição binária, pass/falha, indicando se o VI perdeu seu vácuo e está "até o ar". Pressões próximas ao mínimo de Paschen e outros pontos críticos onde o desempenho do VI começa a se degradar são muito baixas para causar qualquer mudança mecânica detectável usando este método.

Vantagens e Desvantagens do Método de Monitoramento de Pressão Mecânica

Vantagens:
•    Compatibilidade: O método é geralmente compatível com diversos tipos de isolamento, incluindo SF6, óleo e isolamento sólido, desde que questões práticas, como restrições de espaço e direcionamento de luz para o equipamento de detecção, sejam gerenciadas.
•    Benefícios da Técnica Óptica: Utilizar uma técnica óptica permite a relocalização de componentes não ópticos para o compartimento de baixa tensão do equipamento de chaveamento, o que pode melhorar a segurança e a facilidade de manutenção.
Desvantagens:
•    Requisito de Instalação: A parte móvel necessária para o monitoramento de pressão deve ser instalada durante a fabricação inicial do VI. Não pode ser retroajustada a VIs já construídos. Embora seja teoricamente possível integrar VIs equipados com essa funcionalidade em disjuntores existentes junto com o equipamento de monitoramento necessário, desafios práticos relacionados ao encaixe da extensão para a parte extra em instalações existentes frequentemente tornam isso impraticável.
•    Preocupações de Confiabilidade: A confiabilidade do equipamento de medição em comparação com o próprio VI representa um risco significativo. Partes adicionais soldadas ao VI introduzem potenciais novos caminhos de vazamento e podem ser mais suscetíveis a danos durante a instalação, potencialmente levando à perda de vácuo.

Fragilidade dos Componentes:

• Técnicas Ópticas: As fibras ópticas usadas no sistema de detecção são vulneráveis a desalinhamento, danos durante a instalação e obstruções por condensação ou poeira.

• Método de Contato Elétrico: A detecção de movimento por contatos elétricos requer um microcircuito alimentado perto do VI, que também deve estar isolado eletricamente. Isso introduz várias modalidades potenciais de falha, incluindo problemas com a confiabilidade do microcircuito, transmissão bem-sucedida do sinal, alimentação do circuito e manutenção do isolamento elétrico.

Em resumo, embora o método de monitoramento de pressão mecânica ofereça uma maneira direta de confirmar se um VI perdeu completamente seu vácuo, ele vem com limitações notáveis. Estas incluem a incapacidade de retrofitar VIs existentes, preocupações potenciais de confiabilidade com componentes adicionais e desafios práticos relacionados à instalação e operação. Uma consideração cuidadosa desses fatores é essencial ao decidir sobre a adequação deste método para aplicações específicas. Garantir um design robusto e implementação pode ajudar a mitigar alguns desses riscos, melhorando assim a confiabilidade e eficácia geral dos sistemas de monitoramento de interruptores a vácuo.