Mätning av vakuumtillstånd i vakuumavbrytare med mekanisk tryckövervakningsmetod

Övervakning av vakuumförhållanden i vakuumavbrytare

Vakuumavbrytare (VIs) fungerar som det primära kretsavbrottsmediet för medelspänningskraftsystem och används alltmer i låg-, medel- och högspänningssystem. VIs prestanda beror på att det inre trycket hålls under 10 hPa (där 1 hPa motsvarar 100 Pa eller 0,75 torr). Innan de lämnar fabriken testas VIs för att säkerställa att det inre trycket är ≤10^-3 hPa.
En VIs prestanda korrelerar med dess vakuumnivå, men det är inte enbart proportionellt mot det inre trycket. Istället kan trycket inuti en VI indelas i tre grupper:

•    Lågt tryck: Under 10^-6 hPa
•    Mellantryck: Från ca 10^-3 hPa upp till Paschens minimumstryck
•    Högt tryck: Vanligtvis indikerar detta ett misslyckande som leder till exponering för luft

I det låga tryckintervallet fungerar VIs effektivt. Men vid mellantryck försämras både dielektriska egenskaper och avbrottsförmåga, en försämring som fortsätter in i "upptilluft"-intervallet. Intressant nog, trots att dielektriska egenskaper är på sitt lägsta nivå vid mellantryck, förbättras de faktiskt något i upptilluft-intervallet - dock inte till den nivå som observeras vid lågt tryck.
Det är viktigt att notera att ingen av de diskuterade övervakningsmetoderna täcker hela tryckintervallet inuti en VI, från lågt tryck till upptilluft-förhållanden. Varje metod gäller för ett specifikt intervall, vilket beskrivs i texten och sammanfattas i Tabell 1. Dessutom varierar effektiviteten hos vissa metoder beroende på VI:s design, och vissa resultat kan påverkas av gasernas sammansättning och tryck som potentiellt läcker in i VI, såsom atmosfäriska luft eller SF6-gas som används i GIS-brytare.

Den omfattande distributionen av VIs i medelspänningsbrytare understryker utmaningen att bekräfta vakuumintegritet i fält, särskilt efter decennier av drift. Inspektioner av VIs efter mer än 20 års användning har gett blandade resultat. Det är viktigt att notera att VIs är bara en del av ett större system; mekanismens, kontrollkretsens, kretsdesignens och andra komponenters funktionalitet är lika viktig för VIs effektiva drift.

Tabell 1 ger en sammanfattning av de generella tillämpningarna av dessa övervakningsmetoder i SF6-miljöer, tillsammans med praktiska överväganden för deras användning med GIS-brytare. Denna tabell utlinjerar också resultaten av olika testmetoder, vilket belyser komplexiteten i att säkerställa VIs långsiktiga tillförlitlighet i olika driftkontexter. Förståelse för dessa nyanser är avgörande för att optimera prestanda och livslängd hos elektriska system som bygger på vakuumavbrytar-teknologi.

Mätning av vakuumavbrytarens tillstånd genom mekanisk tryckövervakning

Atmosfärstrycket utövar en betydande stängningskraft på den rörliga terminalen i vakuumavbrytare (VIs). För VIs som används i brytare utgör denna kraft vanligtvis flera hundra newton. När vakuumet inuti VI helt förloras jämnas det inre trycket med det yttre atmosfärstrycket, vilket drastiskt minskar stängningskraften och ändrar VI:s mekaniska beteende. Diagnostiska metoder baserade på upptäckt av denna förändring kan endast identifiera när VI helt har förlorat sitt vakuum, dvs. det har blivit "upptilluft". Notabelt är att även vid tryck nära Paschens minimum finns det tillräckligt med tryck inuti VI för att bibehålla full stängningskraft.

Huvudmetod för mekanisk tryckövervakning

Den primära metoden för mekanisk tryckövervakning innebär att koppla en ytterligare rörlig komponent till VI med hjälp av en bellows eller liknande mekanism (se Figur 1). När vakuumet helt förloras flyttar denna ytterligare del p.g.a. jämnvikten mellan det inre och yttre trycket. Till skillnad från den rörliga kontakten, som begränsas av brytarmekanismen, är denna ytterligare del fri att röra sig. Ett detektionssystem övervakar positionsförändringarna hos denna ytterligare komponent och reagerar därefter. Beroende på det detektionssystem som används, gör denna uppsättning det möjligt att kontinuerligt övervaka VI. Den rörliga delens rörelse bestäms av dess egen design snarare än av VI:s totala design, vilket gör denna metod tillämplig för låg-, medel- och högspännings-VIs.
Praktiska överväganden

Även om det teoretiskt sett är möjligt att använda stängningskraften på VI:s rörliga terminal för att upptäcka vakuumförlust, medför detta utmaningar. Atmosfärstrycket utövar normalt en kraft på flera hundra newton på VI:s rörliga terminal, medan brytaren själv utövar en stängningskraft på flera tusen newton. Därför är det svårt att identifiera en minskning av VI:s stängningskraft genom brytarens mekaniska beteende, på grund av den relativt små magnituden av VI-stängningskraften jämfört med brytarens. I vakuumkontakter, där den tillämpade kraften från kontaktmekanismen är lägre, kan det vara mer möjligt att diagnostisera fullständig vakuumförlust genom mekaniskt beteende.

Genom att använda en ytterligare rörlig del och ett detektionssystem erbjuder mekanisk tryckövervakning en praktisk lösning för att kontinuerligt bedöma VIs vakuumtillstånd. Denna teknik ger ett tillförlitligt sätt att upptäcka total vakuumförlust, även om den inte kan identifiera partiella tryckökningar inuti VI. Trots detta representerar det en värdefull resurs för att säkerställa integritet och funktionalitet hos VIs över olika spänningsnivåer och tillämpningar.

Denna metod säkerställer att alla signifikanta vakuumförluster upptäcks snabbt, vilket möjliggör tidig underhålls- eller ersättningsåtgärder, vilket ökar tillförlitligheten och säkerheten i elektriska system som bygger på VIs.

Bakgrund till vakuumavbrytarens övervakning genom mekanisk tryckövervakning

Metoden för mekanisk tryckövervakning utvärderar vakuumintegriteten hos en vakuumavbrytare (VI) genom att upptäcka förändringar i mekaniskt beteende orsakade av förlust av stängningskraft på grund av atmosfärstryck på den rörliga terminalen. Denna metod ger en binär, godkänt/nekad mätning som indikerar om VI har förlorat sitt vakuum och är "upptilluft". Tryck runt Paschens minimum och andra kritiska punkter där VI-prestanda börjar försämras är för låga för att orsaka några märkbara mekaniska förändringar med denna metod.

Fördelar och nackdelar med metoden för mekanisk tryckövervakning

Fördelar:
•    Kompatibilitet: Metoden är generellt kompatibel med olika isoleringstyper, inklusive SF6, olja och solid isolering, förutsatt att praktiska frågor som platsbegränsningar och ledning av ljus till detektionsutrustningen kan hanteras.
•    Fördelar med optiska tekniker: Genom att använda en optisk teknik kan icke-optiska komponenter flyttas till lågspänningskompartimentet i brytaren, vilket kan förbättra säkerhet och underhållseffektivitet.
Nackdelar:
•    Installation krävs: Den rörliga delen som krävs för tryckövervakning måste installeras under den ursprungliga tillverkningen av VI. Den kan inte monteras på redan byggda VIs. Även om det teoretiskt sett skulle kunna vara möjligt att integrera VIs utrustade med denna funktion i befintliga brytare tillsammans med den nödvändiga övervakningsutrustningen, gör praktiska utmaningar relaterade till anpassning av utbyggnaden för den extra delen i befintliga installationer ofta detta osannolikt.
•    Tillförlitlighetsproblem: Mätutrustningens tillförlitlighet i förhållande till VI självt utgör ett betydande riskmoment. Ytterligare lötade delar som läggs till i VI introducerar potentiella nya läckagevägar och kan vara mer känsliga för skada under installation, vilket kan leda till vakuumförlust.

Känslighet hos komponenter:

• Optiska tekniker: Fiberoptik som används i detektionssystemet är känslig för misshöljd, skada under installation och blockerade av kondensation eller damm.

• Elektrisk kontaktmetod: Rörelsedetektering via elektriska kontakter kräver en strömförsörjd mikrokrets nära VI, som också måste vara elektriskt isolerad. Detta introducerar flera potentiella felmoder, inklusive problem med mikrokretsens tillförlitlighet, framgångsrik signalöverföring, strömförsörjning av kretsen och bibehållande av elektrisk isolering.

Sammanfattningsvis erbjuder metoden för mekanisk tryckövervakning ett enkelt sätt att bekräfta om en VI helt har förlorat sitt vakuum, men den har märkbara begränsningar. Dessa inkluderar oförmågan att montera på befintliga VIs, potentiala tillförlitlighetsproblem med ytterligare komponenter, och praktiska utmaningar relaterade till installation och drift. Noga övervägande av dessa faktorer är avgörande när man bestämmer om metoden är lämplig för specifika tillämpningar. Att säkerställa en robust design och implementering kan hjälpa till att minska vissa av dessa risker, vilket bidrar till att öka den totala tillförlitligheten och effektiviteten i system för vakuumavbrytarens övervakning.