Измерение вакуумного состояния в вакуумном прерывателе методом механического мониторинга давления

Мониторинг вакуумного состояния в вакуумных прерывателях

Вакуумные прерыватели (VIs) служат основным средством разрыва цепи в средневольтных энергетических системах и все чаще используются в низковольтных, средневольтных и высоковольтных системах. Производительность VIs зависит от поддержания внутреннего давления ниже 10 гПа (где 1 гПа равен 100 Па или 0,75 Торр). Перед отправкой с завода VIs тестируются, чтобы убедиться, что их внутреннее давление ≤10^-3 гПа.
Производительность VI коррелирует с уровнем вакуума, однако она не просто пропорциональна внутреннему давлению. Вместо этого давление внутри VI можно разделить на три группы:

•    Низкое давление: ниже 10^-6 гПа
•    Среднее давление: от примерно 10^-3 гПа до минимального давления Пашена
•    Высокое давление: обычно указывает на отказ, приводящий к воздействию воздуха

В диапазоне низкого давления VIs работают эффективно. Однако в среднем диапазоне как диэлектрическая прочность, так и способности к разрыву цепи ухудшаются, это ухудшение продолжается в диапазоне "до атмосферы". Интересно, что хотя диэлектрические характеристики находятся на самом низком уровне при средних давлениях, они несколько улучшаются в диапазоне "до атмосферы" — хотя и не достигают уровня, наблюдаемого в диапазоне низкого давления.
Важно понимать, что ни одна из обсуждаемых методик мониторинга не охватывает весь диапазон давлений внутри VI, от низкого давления до атмосферного. Каждая методика применима к определенному диапазону, который подробно описан в тексте и суммирован в таблице 1. Кроме того, эффективность некоторых методов зависит от конструкции VI, а некоторые выходные данные могут быть повлияны составом и давлением газов, которые могут просачиваться в VI, таких как атмосферный воздух или SF6-газ, используемый в GIS-выключателях.

Широкое использование VIs в средневольтных выключателях подчеркивает сложность подтверждения целостности вакуума в полевых условиях, особенно после десятилетий эксплуатации. Инспекции VIs после более чем 20 лет использования дали смешанные результаты. Важно отметить, что VIs являются лишь одним компонентом более крупной системы; функциональность механизма, цепей управления, схемы цепи и других элементов также критически важна для эффективной работы VIs.

Таблица 1 предоставляет сводку общих применений этих методик мониторинга в средах SF6, а также практических соображений по их использованию с GIS-выключателями. Эта таблица также описывает результаты различных методов испытаний, подчеркивая сложности, связанные с обеспечением долгосрочной надежности VIs в различных операционных контекстах. Понимание этих нюансов необходимо для оптимизации производительности и долговечности электрических систем, зависящих от технологии вакуумных прерывателей.

Измерение состояния вакуумного прерывателя с помощью механического мониторинга давления

Атмосферное давление оказывает значительную силу закрытия на движущуюся контактную часть вакуумных прерывателей (VIs). Для VIs, используемых в выключателях, эта сила обычно составляет несколько сотен ньютонов. Когда вакуум внутри VI полностью теряется, внутреннее давление выравнивается с внешним атмосферным давлением, значительно снижая силу закрытия и изменяя механическое поведение VI. Диагностические методы, основанные на обнаружении этого изменения, могут определить только момент, когда VI полностью потерял вакуум, то есть стал "открытым к атмосфере". Следует отметить, что даже при давлениях, близких к минимальному давлению Пашена, внутри VI остается достаточно давления, чтобы поддерживать полную силу закрытия.

Основной метод механического мониторинга давления

Основной подход к механическому мониторингу давления заключается в присоединении дополнительного движущегося компонента к VI с помощью гофрированной трубки или аналогичного механизма (см. Рисунок 1). Когда вакуум полностью теряется, этот дополнительный компонент перемещается из-за выравнивания внутреннего и внешнего давления. В отличие от движущегося контакта, который ограничен механизмом выключателя, этот дополнительный компонент свободно перемещается. Система обнаружения отслеживает изменения положения этого дополнительного компонента и реагирует соответствующим образом. В зависимости от используемой системы обнаружения, эта конфигурация позволяет осуществлять непрерывный мониторинг VI. Движение дополнительного компонента определяется его собственным дизайном, а не общим дизайном VI, что делает этот метод применимым к низковольтным, средневольтным и высоковольтным VIs.
Практические соображения

Хотя теоретически возможно использовать силу закрытия движущейся части VI для обнаружения потери вакуума, это представляет собой определенные трудности. Атмосферное давление обычно применяет силу в несколько сотен ньютонов к движущейся части VI, тогда как сам выключатель применяет силу закрытия в несколько тысяч ньютонов. Поэтому идентификация уменьшения силы закрытия VI через механическое поведение выключателя затруднена из-за относительно малой величины силы закрытия VI по сравнению с силой выключателя. В вакуумных контакторах, где приложенная сила от механизма контактора ниже, диагностика полной потери вакуума через механическое поведение может быть более осуществимой.

Использование дополнительного движущегося компонента и системы обнаружения позволяет механическому мониторингу давления предлагать практическое решение для непрерывной оценки вакуумного состояния VIs. Этот метод предоставляет надежный способ обнаружения полной потери вакуума, хотя он не может определить частичное увеличение давления внутри VI. Тем не менее, это представляет собой ценное средство для обеспечения целостности и функциональности VIs на различных уровнях напряжения и в различных применениях.

Этот метод обеспечивает, что любая значительная потеря вакуума будет своевременно обнаружена, что позволяет провести своевременное техническое обслуживание или замену, тем самым повышая надежность и безопасность электрических систем, зависящих от VIs.

Фоновое описание мониторинга вакуумного прерывателя с помощью метода механического мониторинга давления

Метод механического мониторинга давления оценивает целостность вакуума вакуумного прерывателя (VI) путем обнаружения изменений в механическом поведении, вызванных потерей силы закрытия, вызванной атмосферным давлением на движущуюся контактную часть. Этот метод предоставляет двоичное, проход/не проходит, измерение, указывающее, потерял ли VI вакуум и стал "открытым к атмосфере". Давления, близкие к минимальному давлению Пашена и другим критическим точкам, где начинает ухудшаться производительность VI, слишком низки, чтобы вызвать какие-либо заметные механические изменения с помощью этого метода.

Преимущества и недостатки метода механического мониторинга давления

Преимущества:
•    Совместимость: Метод обычно совместим с различными типами изоляции, включая SF6, масло и твердую изоляцию, при условии, что практические вопросы, такие как ограничения пространства и направление света к оборудованию обнаружения, могут быть решены.
•    Преимущества оптического метода: Использование оптического метода позволяет перенести неоптические компоненты в низковольтный отсек выключателя, что может повысить безопасность и удобство обслуживания.
Недостатки:
•    Требование к установке: Движущийся компонент, необходимый для мониторинга давления, должен быть установлен во время первоначального производства VI. Его нельзя модифицировать на уже построенных VIs. Хотя теоретически возможно интегрировать VIs, оснащенные этой функцией, в существующие выключатели вместе с необходимым оборудованием для мониторинга, практические проблемы, связанные с установкой расширения для дополнительного компонента в существующие установки, часто делают это непрактичным.
•    Вопросы надежности: Надежность оборудования для измерения по сравнению с самим VI представляет значительный риск. Дополнительные паяные части, добавленные к VI, создают потенциально новые пути утечки и могут быть более уязвимыми для повреждений при установке, что может привести к потере вакуума.

Хрупкость компонентов:

• Оптические методы: Оптоволоконные кабели, используемые в системе обнаружения, уязвимы к смещению, повреждению при установке и засорению из-за конденсата или пыли.

• Метод электрического контакта: Обнаружение движения с помощью электрических контактов требует питания микросхемы вблизи VI, которая также должна быть электрически изолирована. Это вводит несколько потенциальных режимов отказа, включая проблемы с надежностью микросхемы, успешной передачей сигнала, питанием цепи и поддержанием электрической изоляции.

В заключение, хотя метод механического мониторинга давления предлагает простой способ подтверждения, что VI полностью потерял вакуум, он имеет значительные ограничения. Эти ограничения включают невозможность модернизации существующих VIs, потенциальные проблемы надежности с дополнительными компонентами и практические трудности, связанные с установкой и эксплуатацией. Тщательное рассмотрение этих факторов необходимо при принятии решения о пригодности этого метода для конкретных применений. Обеспечение надежного дизайна и внедрения может помочь снизить некоторые из этих рисков, тем самым повышая общую надежность и эффективность систем мониторинга вакуумных прерывателей.