Co se stane, když vakuový vypínač ztratí vakuum? Skutečné testovací výsledky odhaleny

Co se stane, když vakuový přerušovač ztratí vakuum?

Pokud vakuový přerušovač ztratí vakuum, je třeba zvážit následující provozní scénáře:

• Otevírání kontaktů

• Zavírací operace

• Uzavřený a běžně fungující

• Otevírání a přerušování normálního proudu

• Otevírání a přerušování chybového proudu

Případy a, b a c jsou relativně jednoduché. V těchto situacích je systém obecně neovlivněn ztrátou vakua.

Případy d a e vyžadují další diskusi.

Předpokládejme, že trojfázový vakuový okruhový přerušovač ztratí vakuum v jednom pólu. Pokud je zátěž obsluhovaná vadným přerušovačem zapojena v delta (nezazemlená), přepínací operace nevedou k selhání. V podstatě se nic nestane. Dva zdravé fáze (např. Fáze 1 a Fáze 2) úspěšně přeruší okruh a proud v vadné fázi (Fáze 3) přirozeně ustane.

Různá situace nastávají u zazemlených zátěží. V tomto případě přerušení dvěma zdravými fázemi neskončí proud v vadné fázi. V Fázi 3 trvá oblouk bez možnosti ho uhasit a tento proud pokračuje, dokud nezahájí pohotovostní ochrana. Výsledkem je obvykle katastrofické poškození přerušovače.

Protože vakuové okruhové přerušovače v rozmezí 3–15 kV jsou primárně používány v zazemlených systémech, prozkoumali jsme dopady selhání přerušovače v naší testovací laboratoři před lety. Cíleně jsme vakuový přerušovač vystavili atmosférickému tlaku ("plochali" jej) a poté jsme přerušovač podrobili plné zkoušce přerušení krátkého spojení.

Jak bylo předpokládáno, "plochý" přerušovač selhal při odstranění poruchy v postižené fázi a byl zničen. Laboratorní pohotovostní přerušovač úspěšně odstranil poruchu.

Po zkoušce byl přerušovač odebrán z čelovky. Byl silně zčernalý, ale mechanicky nedotčen. Kouř a saz byly vyčištěny z přerušovače a čelovky, vadná jednotka byla nahrazena a přerušovač byl opět vložen do čelovky. Později toho stejného dne byla provedena další zkouška přerušení krátkého spojení – úspěšně. Roky pozdější zkušenosti v terénu potvrdily zjištění z těchto laboratorních zkoušek.

Jeden z našich zákazníků, velká chemická společnost, zažil izolované selhání na podobných okruhových konfiguracích (jedna s vzduchomagnetickým přerušovačem, druhá s vakuovým přerušovačem) ve dvou různých zařízeních v různých zemích. Oba měli společnou okruhovou konfiguraci a způsob selhání: propojovací okruh, kde byly zdroje energie na obou stranách přerušovače mimo synchronizaci, což vedlo k aplikaci skoro dvojnásobku nominálního napětí mezi kontakty. To způsobilo selhání přerušovače.

Tyto selhání vznikla z podmínek aplikace, které porušovaly směrnice ANSI/IEEE a daleko překročily návrhové hodnoty přerušovače. Neukazují problém s návrhem. Nicméně, rozsah poškození je poučný:

• V případě vzduchomagnetického přerušovače došlo k násilnému prasknutí obalu. Sousední čelovkové buňky na obou stranách utrpěly rozsáhlé poškození, což vyžadovalo rozsáhlou rekonstrukci. Přerušovač byl kompletně ztracen.

• V případě vakuového přerušovače bylo selhání mnohem méně násilné. Byl nahrazen vadný vakuový přerušovač, sopečné produkty (saz) byly vyčištěny z přerušovače a komory a systém byl vrácen do provozu.

Naše rozsáhlé laboratorní testování, kde pravidelně vakuové přerušovače vede k jejich limitům, podporuje tyto reálné výsledky.

Nedávno byly v naší laboratoři provedeny několik vysokovýkonné zkoušek, aby bylo vyhodnoceno přerušení pomocí "protekajících" vakuových přerušovačů. Do obalu přerušovače bylo vrtáno malé dírko (~3 mm v průměru) pro simulaci ztráty vakua. Výsledky byly odhalující:

• Normální proud 1 310 A (nominální kontinuální proud: 1 250 A) byl přerušen jedním pólem vakuového přerušovače. Proud tokem prošel "vadným" přerušovačem po dobu 2,06 sekundy, než laboratorní pohotovostní přerušovač odstranil poruchu. Žádné části nebyly vyhozeny, přerušovač neexplodoval a pouze látka na obalu přerušovače se zpuchřela. Jiné poškození se nevyskytlo.

• Druhé pole stejného přerušovače se pokusilo přerušit 25 kA (nominální přerušovací proud: 25 kA). Oblouk trval 0,60 sekundy, než laboratorní přerušovač odstranil poruchu. Oblouk vypálil dírku do boku obalu přerušovače. Nebylo žádné exploze ani létající části. Z díry byly vyhozeny svítivé částice, ale žádné mechanické součásti nebo sousední přerušovače nebyly poškozeny. Všechno poškození bylo omezeno na selhavý přerušovač.

Tyto testy potvrzují, že následky selhání vakuového přerušovače jsou výrazně méně závažné v porovnání s selháními jiných přerušovacích technologií.

Ale opravdu důležitá otázka není, co se stane, když selže, ale jak pravděpodobné je, že selže?

Frekvence selhání vakuových přerušovačů je extrémně nízká. Ztráta vakua již není významným problémem.

V raných 60. letech byly vakuové přerušovače náchylné k únikům – to byl hlavní problém. Rané návrhy používaly svařené nebo pájené spoje mezi různými materiály, bez organických materiálů. Ruční práce byla běžná, zejména s borosilikátovými skleněnými izolátory, které nemohly odolat vysokým teplotám.

Dnes se používají strojové svařování a dávkové indukční pájení s extrémně přísnými procesními kontrolami. Jednou jedinou pohyblivou částí uvnitř vakuového přerušovače je mosazný kontakt, spojený s koncovou deskou přes svařený nerezový dutinkový kolébavý člen. Protože oba konce kolébavého členu jsou svařeny, je frekvence selhání tohoto pohyblivého uzávěru extrémně nízká – což ukazuje vysokou spolehlivost moderních vakuových okruhových přerušovačů.

Ve skutečnosti je MTTF (Průměrný čas do selhání) moderních vakuových přerušovačů nyní odhadován na 57 000 let.

Obavy zákazníků ohledně ztráty vakua byly v 60. letech relevantní, když byly vakuové přerušovače nové v energetických aplikacích. V té době vakuové přerušovače často unikal, a problémy s přetížením byly běžné. Pouze jedna společnost nabízela vakuové přerušovače a zprávy naznačovaly mnoho problémů.

Do poloviny 70. let se evropsky vyvinuté vakuové přerušovače – jako moderní návrhy Siemens – lišily od modelů 60. let v materiálech a procesní kontrole. Kontakty z mosazi-bismutu byly více náchylné k přetížení než dnešní slitiny chrom-mosaz. Ručně vyráběné přerušovače byly náchylnější k únikům než dnešní precizně vyráběné jednotky.

Dnes přísná procesní kontrola a automatizace eliminují většinu lidské variability. V důsledku toho moderní vakuové přerušovače nabízejí dlouhou životnost a dielektrický stres, který ukládají připojenému zařízení, není horší než ten, který ukládají tradiční vzduchomagnetické nebo olejové okruhové přerušovače.