真空遮断器失去真空时会发生什么?
如果真空遮断器失去真空,应考虑以下操作场景:
触点打开
闭合操作
闭合并正常运行
打开并中断正常电流
打开并中断故障电流
a、b和c的情况相对简单。在这些情况下,系统通常不会受到真空丧失的影响。
但是,d和e的情况需要进一步讨论。
假设三相馈线真空断路器的一个极失去了真空。如果故障断路器所服务的负载是三角形连接(未接地)负载,切换操作不会导致故障。实际上,什么也不会发生。两个健康的相(例如,第1相和第2相)成功中断电路,而故障相(第3相)的电流自然停止。
对于接地负载,则情况不同。在这种情况下,两个健康相的中断无法停止故障相中的电流流动。第3相中持续存在电弧,没有任何东西可以熄灭它,并且这种电流会一直持续到后备保护动作。结果通常是断路器遭到灾难性损坏。
由于3-15 kV范围内的真空断路器主要用于接地系统,我们几年前在测试实验室中调查了失效遮断器的影响。我们故意将一个真空遮断器暴露在大气压下(“压平”),然后对断路器进行全短路中断测试。
正如预期的那样,“压平”的遮断器未能清除受影响相的故障并被破坏。实验室备用断路器成功清除了故障。
测试后,断路器从开关柜单元中移除。它被严重熏黑,但机械结构完好无损。清理了断路器和开关柜上的烟雾和烟灰,更换了故障单元,并将断路器重新插入隔室。当天晚些时候,又进行了另一次短路测试——成功完成。随后多年的现场经验确认了这些实验室测试的结果。
我们的一个客户,一家大型化工公司,在两个不同国家的不同设施中经历了类似的电路配置(一个使用空气磁断路器,一个使用真空断路器)的孤立故障。两者共享相同的电路配置和故障模式:一个联络电路,断路器两侧的电源不同步,在接触间隙上施加了几乎是额定电压两倍的电压。这导致了断路器的故障。
这些故障是由于应用条件违反了ANSI/IEEE指南,并远远超过了断路器的设计额定值。它们并不表明设计缺陷。然而,损坏的程度是有启发性的:
在空气磁断路器的情况下,外壳猛烈破裂。相邻的开关柜单元两侧遭受了广泛的损坏,需要大规模重建。断路器完全报废。
在真空断路器的情况下,故障明显不那么剧烈。更换了故障的真空遮断器,清洁了断路器和隔室中的电弧副产品(烟灰),并将系统恢复运行。
我们在实验室中经常将真空遮断器推向极限的广泛测试支持了这些实际结果。
最近,我们在实验室中进行了几次高功率测试,以评估使用“泄漏”真空遮断器的中断尝试。在遮断器外壳上钻了一个小孔(约3毫米直径)来模拟真空损失。结果揭示了一些情况:
一个真空断路器的一极中断了1,310 A的正常电流(额定连续电流:1,250 A)。电流流经“故障”断路器2.06秒后,实验室备用断路器清除了故障。没有零件被弹出,断路器没有爆炸,只有遮断器外壳上的油漆起泡。没有其他损坏。
同一断路器的第二极试图中断25 kA(额定断开电流:25 kA)。电弧持续了0.60秒后,实验室断路器清除了故障。电弧烧穿了遮断器外壳的一侧。没有爆炸或飞散物。从孔中喷出了发光粒子,但没有机械部件或相邻断路器受损。所有损坏都局限于故障遮断器。
这些测试证实,与其他中断技术相比,真空遮断器故障的后果显著较轻。
但真正的问题不是它失败时会发生什么,而是它有多可能失败?
真空遮断器的故障率极低。真空损失不再是重大问题。
在1960年代初期,真空遮断器容易泄漏——这是一个主要问题。早期设计使用了不同材料之间的钎焊或焊接接头,没有有机材料。手工制作很常见,尤其是硼硅酸盐玻璃绝缘子,无法承受高温。
如今,使用了机器焊接和批量感应炉钎焊,并且工艺控制极其严格。真空遮断器内部唯一的移动部件是铜触点,通过焊接不锈钢波纹管与端板连接。由于波纹管的两端都是焊接的,这种移动密封的故障率非常低——展示了现代真空断路器的高可靠性。
事实上,现代真空遮断器的MTTF(平均故障时间)现在估计为57,000年。
在1960年代,当真空断路器首次应用于电力时,客户对真空损失的担忧是合理的。当时,真空遮断器经常泄漏,浪涌问题也很常见。只有一家公司提供真空断路器,报告指出存在许多问题。
到1970年代中期,欧洲开发的真空遮断器——如现代西门子设计——在材料和工艺控制方面与1960年代的型号有根本不同。铜铋触点比今天的铬铜合金更容易出现浪涌。手工制造的遮断器比今天的精密制造单元更容易泄漏。
如今,严格的工艺控制和自动化消除了大多数人为变异性。因此,现代真空遮断器具有长使用寿命,并且对连接设备施加的介电应力不比传统的空气磁断路器或油断路器更差。