Вимірювання вакуумного стану у вакуумному переривачі методом механічного контролю тиску

Моніторинг вакуумних умов у вакуумних переривачах

Вакуумні переривачі (VIs) служать основним середовищем для переривання електричного контуру в системах середнього напруги та все частіше використовуються в системах низької, середньої та високої напруги. Ефективність VIs залежить від підтримання внутрішнього тиску нижче 10 гПа (де 1 гПа дорівнює 100 Па або 0,75 торр). Перед відправкою з заводу VIs тестуються, щоб забезпечити, що їх внутрішній тиск становить ≤10^-3 гПа.
Ефективність VI корелює з рівнем вакууму; однак, це не просто пропорційно внутрішньому тиску. Замість цього, тиск всередині VI можна поділити на три групи:

•    Низький тиск: Ниже 10^-6 гПа
•    Середній тиск: Від приблизно 10^-3 гПа до мінімального тиску Пашена
•    Високий тиск: Зазвичай свідчить про невдачу, що призводить до контакту з повітрям

У діапазоні низького тиску VIs працюють ефективно. Однак, у середньому діапазоні як диелектрична стійкість, так і здатність до переривання спадають, цей спад продовжується до "повітряного" діапазону. Цікаво, що хоча диелектрична продуктивність найнижча в середньому діапазоні тисків, вона трохи покращується в "повітряному" діапазоні—хоча не до рівня, спостереженого в діапазоні низького тиску.
Ключово визнати, що жодна з обговорених методик моніторингу не охоплює весь діапазон тисків всередині VI, від низького тиску до "повітряного" стану. Кожна методика застосовується до конкретного діапазону, детально описаного у тексті та підсумованого в таблиці 1. Додатково, ефективність певних методів змінюється в залежності від конструкції VI, а деякі результати можуть бути вплинуті складом та тиском газів, що потенційно просочуються в VI, таких як атмосферне повітря або газ SF6, використовуваний в GIS-переключниках.

Широке використання VIs в переключниках середньої напруги підкреслює проблему підтвердження цілісності вакууму в полі, особливо після десятиліть експлуатації. Огляди VIs після більше 20 років використання давали суміш результатів. Важливо зазначити, що VIs є лише однією компонентою більшої системи; функціональність механізму, керуючого контуру, схеми та інших елементів також критична для ефективної роботи VIs.

Таблиця 1 надає підсумок загальних застосувань цих методик моніторингу в середовищі SF6, разом з практичними розглядами для їх використання з GIS-переключниками. Ця таблиця також викладає результати різних методів тестування, підкреслюючи складності, пов'язані з забезпеченням довгострокової надійності VIs в різних операційних контекстах. Розуміння цих нюансів є важливим для оптимізації продуктивності та тривалості експлуатації електричних систем, що залежать від технології вакуумних переривачів.

Вимірювання стану вакуумного переривача за допомогою механічного моніторингу тиску

Атмосферний тиск прикладає значну силу закриття на рухомий контакт вакуумних переривачів (VIs). Для VIs, використовуваних в автоматичних вимикачах, ця сила зазвичай становить кілька сотень ньютонів. Коли вакуум всередині VI повністю втрачається, внутрішній тиск рівноважиться ззовнішнім атмосферним тиском, значно зменшуючи силу закриття та змінюючи механічне поведінку VI. Методи діагностики, засновані на виявленні цієї зміни, можуть виявити лише, коли VI повністю втратив вакуум, тобто став "повітряним". Варто зазначити, що навіть при тисках, близьких до мінімального тиску Пашена, достатньо тиску залишається всередині VI, щоб підтримувати повну силу закриття.

Основний метод механічного моніторингу тиску

Основний підхід до механічного моніторингу тиску полягає у прикріпленні додаткової рухомої деталі до VI за допомогою гофри або подібного механізму (див. Фігуру 1). Коли вакуум повністю втрачається, ця додаткова частина рухається через рівноваження внутрішнього та зовнішнього тисків. На відміну від рухомого контакту, який обмежений механізмом автоматичного вимикача, ця додаткова частина вільна для руху. Система виявлення моніторить зміни положення цієї додаткової деталі та реагує відповідно. Залежно від використаної системи виявлення, ця система дозволяє постійний моніторинг VI. Рух додаткової деталі визначається її власним дизайном, а не загальним дизайном VI, що робить цей метод придатним для VIs низької, середньої та високої напруги.
Практичні розгляди

Хоча теоретично можливо, використання сили закриття на рухомому терміналі VI для виявлення втрати вакууму має свої труднощі. Атмосферний тиск зазвичай прикладає силу кількох сотень ньютонів до рухомого терміналу VI, тоді як автоматичний вимикач сам по собі прикладає силу закриття кількох тисяч ньютонів. Тому, виявлення зменшення сили закриття VI через механічну поведінку автоматичного вимикача є складним через відносно невелику величину сили закриття VI порівняно з силою автоматичного вимикача. Однак, в вакуумних контакторах, де прикладена сила від механізму контактора менша, діагностика повної втрати вакууму через механічну поведінку може бути більш реалізована.

Використовуючи додаткову рухому частину та систему виявлення, механічний моніторинг тиску надає практичне рішення для постійного оцінювання вакуумного стану VIs. Цей метод надає надійний спосіб виявлення повної втрати вакууму, хоча не може виявити часткового зростання тиску всередині VI. Незважаючи на це, це представляє цінний інструмент для забезпечення цілісності та функціональності VIs у різних напругах та застосуваннях.

Цей метод забезпечує, що будь-яка значна втрата вакууму виявляється негайно, що дозволяє своєчасно провести обслуговування або заміну, таким чином підвищуючи надійність та безпеку електричних систем, що залежать від VIs.

Фонове використання методу механічного моніторингу тиску для вакуумних переривачів

Метод механічного моніторингу тиску оцінює цілісність вакууму вакуумного переривача (VI) шляхом виявлення змін механічної поведінки, спричинених втратою сили закриття через атмосферний тиск на рухомий контакт. Цей метод надає бінарне, пас/не пас вимірювання, що вказує, чи втратив VI вакуум і став "повітряним". Тиски близько мінімального тиску Пашена та інших критичних точок, де продуктивність VI починає погіршуватися, занадто низькі, щоб спричинити будь-які виявні механічні зміни за допомогою цього методу.

Переваги та недоліки методу механічного моніторингу тиску

Переваги:
•    Сумісність: Метод загалом сумісний з різними типами ізоляції, включаючи SF6, масло та тверду ізоляцію, за умови, що практичні питання, такі як обмеження простору та направляння світла до обладнання виявлення, можуть бути вирішені.
•    Переваги оптичного методу: Використання оптичного методу дозволяє перемістити неоптичні компоненти в низьковольтовий відсік переключника, що може підвищити безпеку та легкість обслуговування.
Недоліки:
•    Вимоги до встановлення: Рухома частина, необхідна для моніторингу тиску, повинна бути встановлена під час початкового виробництва VI. Її не можна модернізувати на уже побудованих VIs. Хоча теоретично можливо інтегрувати VIs, оснащені цією функцією, в існуючі автоматичні вимикачі разом з необхідним обладнанням для моніторингу, практичні труднощі, пов'язані з встановленням розширення для додаткової частини в існуючих встановленнях, часто роблять це неможливим.
•    Питання надійності: Надійність обладнання для вимірювання по відношенню до самого VI становить значний ризик. Додаткові зварені частини, додані до VI, вводять нові шляхи протікання та можуть бути більш підвірні пошкодженню під час встановлення, що може призводити до втрати вакууму.

Хрупкість компонентів:

• Оптичні методи: Волоконна оптика, використовувана в системі виявлення, вразлива до невідповідного вирівнювання, пошкоджень під час встановлення та заблокування через конденсацію або пил.

• Метод електричного контакту: Виявлення руху за допомогою електричних контактів вимагає живлення мікрокомплексу поблизу VI, який також повинен бути електрично ізольованим. Це вводить кілька потенційних режимів відмов, включаючи питання надійності мікрокомплексу, успішного передачі сигналу, живлення комплексу та підтримки електричної ізоляції.

В сукупності, хоча метод механічного моніторингу тиску надає простий спосіб підтвердження, чи повністю втратив VI вакуум, він має значні обмеження. До них належать неможливість модернізації існуючих VIs, потенційні питання надійності додаткових компонентів та практичні труднощі, пов'язані з встановленням та експлуатацією. Уважне врахування цих факторів є важливим при вирішенні про придатність цього методу для конкретних застосувань. Забезпечення стійкого дизайну та реалізації може допомогти знизити деякі з цих ризиків, таким чином підвищуючи загальну надійність та ефективність систем моніторингу вакуумних переривачів.