Що трапляється, коли вакуумний вимикач втрачає вакуум Результати реальних тестів відкриті

Що трапляється, коли вакуумний переривач втрачає вакуум?

Якщо вакуумний переривач втрачає вакуум, слід врахувати наступні оперативні сценарії:

• Відкриття контактів

• Закриття операції

• Закритий і працює нормально

• Відкриття і переривання нормального струму

• Відкриття і переривання аварійного струму

Сценарії а, б і в є відносно простими. У цих ситуаціях система загалом не постраждає від втрати вакууму.

Однак, сценарії г і д потребують подальшого обговорення.

Припустимо, що трифазний підхідний вакуумний комутатор втрачає вакуум у одному полюсі. Якщо навантаження, яке обслуговується дефектним комутатором, є дельта-зв'язаним (не заземленим) навантаженням, то переключальні операції не призведуть до відмови. По суті, нічого не трапляється. Два здорові фази (наприклад, Фаза 1 і Фаза 2) успішно переривають контур, а струм у дефектній фазі (Фаза 3) припиняється натурально.

Інша ситуація виникає зі заземленими навантаженнями. У цьому випадку, переривання двома здоровими фазами не зупиняє потік струму у дефектній фазі. Дуга продовжує існувати у Фазі 3 без чогось, що могло б її згасити, і цей струм триває до тих пір, поки не включиться резервна захиста. Результатом зазвичай є катастрофічні пошкодження комутатора.

Оскільки вакуумні комутатори у діапазоні 3–15 кВ переважно використовуються в заземлених системах, ми досліджували ефекти від невдалого переривача в нашій тестовій лабораторії кілька років тому. Ми намислено виклали вакуумний переривач атмосферному тиску ("розплющили" його) і піддали комутатор повному тесту на переривання короткозамкнення.

Як передбачалось, "розплющений" переривач не зміг очистити відмову у пошкодженої фазі і був знищений. Лабораторний резервний комутатор успішно очистив відмову.

Після тесту комутатор був вилучений з комірки комутаційного обладнання. Він був сильно забруднений гарючим, але механічно цілий. Дим і гарюче було очищені з комутатора і комутаційного обладнання, дефектний блок був замінений, і комутатор був повернутий назад у комірку. Того ж дня був проведений ще один тест на короткозамкнення—успішно. Роки подальшого досвіду на місці підтвердили результати цих лабораторних тестів.

Один з наших клієнтів, велика хімічна компанія, досвідчив ізольовані відмови на схожих схемах (одна з повітряно-магнітним комутатором, одна з вакуумним комутатором) на двох різних об'єктах в різних країнах. Обидві ділили спільну конфігурацію схеми та режим відмови: з'єднуючий контур, де джерела живлення з обох сторін комутатора були несинхронізовані, що призводило до застосування майже подвійної номінальної напруги через шлях контактів. Це призвело до відмови комутатора.

Ці відмови сталися внаслідок умов застосування, які порушують рекомендації ANSI/IEEE і значно перевищують проектні характеристики комутатора. Вони не свідчать про недолік конструкції. Однак, ступінь пошкоджень є вказівковою:

• У випадку з повітряно-магнітним комутатором корпус одиниці розривався насильство. Сусідні комірки комутаційного обладнання з обох сторін отримали значні пошкодження, що вимагало великої реконструкції. Комутатор був повністю втрачен.

• У випадку з вакуумним комутатором відмова була значно менш насильста. Дефектний вакуумний переривач був замінений, продукти горіння (гарюче) були очищені з комутатора і комірки, і система була повернута в експлуатацію.

Наші розширений лабораторні дослідження, де ми регулярно доводимо вакуумні переривачі до їхніх меж, підтверджують ці реальні результати.

Нещодавно, кілька високопотужних тестів було проведені в нашій лабораторії для оцінки спроб переривання за допомогою "протіканого" вакуумного переривача. Мала дірка (~3 мм в діаметрі) була просверлена в корпусі переривача, щоб симулювати втрату вакууму. Результати були відкриттями:

• Струм 1,310 А (номінальний постійний струм: 1,250 А) був перерваний одним полюсом вакуумного комутатора. Струм протікав через "дефектний" комутатор протягом 2,06 секунд, поки лабораторний резервний комутатор не очистив відмову. Жодні частини не були вигнані, комутатор не вибухнув, і лише фарба на корпусі переривача підійшла бульбашками. Інших пошкоджень не сталося.

• Другий полюс того самого комутатора спробував перервати 25 кА (номінальний струм розриву: 25 кА). Дуга тривала 0,60 секунди, поки лабораторний комутатор не очистив відмову. Дуга прожгла дірку через бік корпусу переривача. Немає вибуху або летючих частин. З дірки вибухли світлячі частинки, але жодні механічні компоненти або сусідні комутатори не постраждали. Усі пошкодження були обмежені до пошкодженого переривача.

Ці тести підтверджують, що наслідки відмови вакуумного переривача значно менш серйозні порівняно з відмовами інших технологій переривання.

Але справжнє питання не що трапляється, коли він відмовляє, а наскільки ймовірно це?

Швидкість відмов вакуумних переривачів надзвичайно низька. Втрата вакууму більше не є значною проблемою.

У початку 1960-х років вакуумні переривачі часто протікали—це була велика проблема. Ранні дизайни використовували зварювані або запаяні з'єднання між різними матеріалами, без органічних матеріалів. Ручна робота була поширеною, особливо з ізоляторами з боросиликатного скла, які не могли витримати високих температур.

Сьогодні, використовуються машинне зварювання і пакетне індукційне плавлення з дуже строгим контролем процесу. Єдина рухома частина всередині вакуумного переривача—медний контакт, з'єднаний з кінцевою пластинкою через зварений нержавіючий сталевий згортач. Оскільки обидві кінці згортача зварені, швидкість відмов цього рухомого уплотнення надзвичайно низька—що демонструє високу надійність сучасних вакуумних комутаторів.

Насправді, MTTF (середній час до відмови) сучасних вакуумних переривачів зараз оцінюється в 57,000 років.

Стурядності клієнтів щодо втрати вакууму були вірогідними у 1960-х, коли вакуумні комутатори були новинкою у енергетичних застосуваннях. У той час, вакуумні переривачі часто протікали, і проблеми з відсічами були поширеними. Лише одна компанія пропонувала вакуумні комутатори, і звіти вказували на численні проблеми.

До середини 1970-х, європейські розроблені вакуумні переривачі—як сучасні дизайні Siemens—фундаментально відрізнялися від моделей 1960-х років у матеріалах та контролю процесу. Контакти медно-бізмутові були більш піддані відсічам, ніж сучасні сплави хрому-міді. Ручні переривачі були більш піддані протіканням, ніж сучасні точні вироби.

Сьогодні, строгий контроль процесу та автоматизація виключили більшість людської змінності. В результаті, сучасні вакуумні переривачі пропонують довгий строк служби, і електродинамічний стрес, який вони завдають з'єднаному обладнанню, не гірший, ніж традиційні повітряно-магнітні або масляні комутатори.