Hvad sker der, når en vakuumkredsløbsbryder mister sit vakuum? De reelle testresultater afsløret

Hvad sker der, når en vakuumafbryder mister sit vakuum?

Hvis en vakuumafbryder mister sit vakuum, bør følgende driftsscenarier overvejes:

• Kontakter åbner

• Lukkning

• Lukket og fungerer normalt

• Åbning og afbrydelse af normal strøm

• Åbning og afbrydelse af fejlstrøm

Tilfælde a, b og c er relativt simple. I disse situationer påvirkes systemet generelt ikke af tabet af vakuum.

Tilfælde d og e kræver dog yderligere diskussion.

Antag at en trefas forsylningsvakuumkredsløbsafbryder mister vakuum i en fase. Hvis belastningen, som den defekte afbryder serverer, er delta-forbundet (ujordet), vil skiftoperationer ikke føre til en fejl. Egentlig sker intet. De to sunde faser (f.eks. Fase 1 og Fase 2) afbryder kredsløbet succesfuldt, og strømmen i den defekte fase (Fase 3) ophører naturligt.

En anden situation opstår med jordede belastninger. I dette tilfælde stopper afbrydelsen af de to sunde faser ikke strømmen i den defekte fase. En bue fortsætter i Fase 3 uden noget, der kan slukke den, og denne strøm fortsætter indtil backupbeskyttelsen virker. Resultatet er typisk katastrofale skader på afbryderen.

Efterhånden som vakuumkredsløbsafbrydere i området 3–15 kV primært bruges i jordede systemer, undersøgte vi effekterne af en mislykket afbryder i vores testlaboratorium for mange år siden. Vi udsatte bevidst en vakuumafbryder for atmosfærisk tryk ("flade") og udsatte derefter afbryderen for et fuldt kortslutningsafbrydningstest.

Som forudset kunne den "flade" afbryder ikke rydde fejlen i den berørte fase og blev ødelagt. Laboratoriets backupafbryder ryddede fejlen succesfuldt.

Efter testen blev afbryderen fjernet fra switchgear-cellen. Den var tungt sootet, men mekanisk intakt. Røg og soot blev rengjort fra afbryderen og switchgear, den defekte enhed blev erstattet, og afbryderen blev sat ind i cellen igen. Senere samme dag blev en anden kortslutningstest udført—succesfuldt. År af efterfølgende feltoplevelser har bekræftet fundene fra disse laboratorietests.

En af vores kunder, en stor kemisk virksomhed, oplevede isolerede fejl i lignende kredsløbskonfigurationer (en med en luft-magnetisk afbryder, en med en vakuumafbryder) på to forskellige faciliteter i forskellige lande. Begge delte en fælles kredsløbskonfiguration og fejltilstand: et bindingkredsløb, hvor strømkilderne på hver side af afbryderen var ud af synkron, der anvendte næsten dobbelt den nominerede spænding over kontaktkløften. Dette forårsagede afbryderfejl.

Disse fejl resulterede af anvendelsesbetingelser, der overtrådte ANSI/IEEE-retningslinjer og langt oversteg afbryderens designværdier. De angiver ikke en konstruktionelle fejl. Dog er omfangen af skaderne instruktiv:

• I tilfældet med luft-magnetisk afbryder rasede enhedens beholder voldsomt. Naboceller på begge sider liddes store skader, der krævede omfattende genopbygning. Afbruderen var totaltab.

• I tilfældet med vakuumafbryder var fejlen betydelig mindre voldelig. Den defekte vakuumafbryder blev erstattet, buerestprodukter (soot) blev rengjort fra afbryderen og kompartimentet, og systemet blev sat i drift igen.

Vores omfattende laboratorietests, hvor vi rutineret tager vakuumafbrejdere til deres grænser, støtter disse reelle resultater.

Nylig blev flere højspændingstests gennemført i vores laboratorium for at evaluere afbrydningstilsøg med "lejende" vakuumafbrejdere. Et lille hul (~3 mm diameter) blev boret i afbryderens bolig for at simulerer vakuumtab. Resultaterne var afslørende:

• En 1.310 A normal strøm (nomineret kontinuerlig strøm: 1.250 A) blev afbrudt af én pol på en vakuumafbryder. Strøm løb igennem den "defekte" afbryder i 2,06 sekunder, inden laboratoriets backupafbryder ryddede fejlen. Ingen dele blev kastet ud, afbryderen eksploderede ikke, og kun malingen på afbryderboligen blødte. Der opstod ingen andre skader.

• En anden pol på samme afbryder forsøgte at afbryde 25 kA (nomineret afbrydelsesstrøm: 25 kA). Bueren varede 0,60 sekunder, inden laboratoriet afbryder ryddede fejlen. Bueren brændte et hul i siden af afbryderboligen. Der opstod ingen eksplosion eller flyvende affald. Glødende partikler blev kastet ud af hullet, men ingen mekaniske komponenter eller nabokredsløbsafbrydere blev skadet. Alle skader var begrænset til den mislykkede afbryder.

Disse tests bekræfter, at konsekvenserne af en vakuumafbryderfejl er betydeligt mindre alvorlige sammenlignet med fejl i andre afbrydningsteknologier.

Men den virkelige spørgsmål er ikke hvad sker der, når den mislykkes, men hvor sandsynligt er det, at den mislykkes?

Vakuumafbryderfejlhyppigheder er ekstremt lave. Vakuumtab er ikke længere en signifikant bekymring.

I begyndelsen af 1960'erne var vakuumafbrejdere ofte udsat for lejinger—det var et stort problem. Tidlige design brugte braserede eller svarede forbindelser mellem forskellige materialer, uden organiske materialer. Håndlavning var almindelig, især med borosilikatglasisolatorer, som ikke kunne modstå høje temperaturer.

I dag bruges maskinsvare og batchinduktionsovnbrasering med ekstremt strenge proceskontroller. Den eneste bevægelige del inde i en vakuumafbryder er kobberkontakten, forbundet til endestykket via en svaret rustfri stålbeløb. Da begge ender af beløbet er svaret, er fejlhyppigheden for denne bevægelige tætning ekstremt lav—hvilket demonstrerer den høje pålidelighed af moderne vakuumkredsløbsafbrydere.

I virkeligheden estimeres MTTF (Mean Time To Failure) for moderne vakuumafbrejdere nu til 57.000 år.

Kundenes bekymringer om vakuumtab var berettigede i 1960'erne, da vakuumafbrydere var nye i strømforsyning. På den tid lejede vakuumafbrejdere ofte, og overslagsproblemer var almindelige. Kun én virksomhed tilbød vakuumafbrydere, og rapporter indikerede mange problemer.

Midt i 1970'erne adskilte europæisk udviklede vakuumafbrejdere—som moderne Siemens-designer—fundamentalt sig fra 1960'ernes modeller i materialer og proceskontrol. Kobber-bismuthkontakter var mere udsat for overslag end i dagens krom-kobberlegemer. Håndbyggede afbrejdere var mere udsat for lejinger end i dagens præcisionstilpassede enheder.

I dag har strenge proceskontroller og automatisering elimineret de fleste menneskelige variabler. Som resultat byder moderne vakuumafbrejdere på lang levetid, og dielektrisk stress, de pålægger forbundet udstyr, er ikke værre end for traditionelle luft-magnetiske eller oliekredsløbsafbrydere.