Was passiert, wenn ein Vakuumschaltkreis Vakuum verliert? Reale Testergebnisse enthüllt

Was passiert, wenn ein Vakuumschalter seinen Vakuumverlust erleidet?

Wenn ein Vakuumschalter sein Vakuum verliert, sollten die folgenden Betriebsszenarien berücksichtigt werden:

• Kontakte öffnen

• Schließen

• Geschlossen und normal betrieben

• Öffnen und Unterbrechen des Normalstroms

• Öffnen und Unterbrechen eines Fehlerstroms

Die Fälle a, b und c sind relativ einfach. In diesen Situationen ist das System in der Regel nicht durch den Verlust des Vakuums beeinträchtigt.

Die Fälle d und e erfordern jedoch eine weitere Diskussion.

Nehmen wir an, dass ein dreiphasiger Speiseleitungs-Vakuumschaltkreis in einer Phase das Vakuum verliert. Wenn die von dem defekten Schalter versorgte Last eine Delta-Schaltung (ungemündete Last) ist, führen Schaltvorgänge nicht zu einem Ausfall. Im Grunde geschieht nichts. Die beiden intakten Phasen (z.B. Phase 1 und Phase 2) unterbrechen erfolgreich den Stromkreis, und der Strom in der defekten Phase (Phase 3) hört von selbst auf.

Eine andere Situation ergibt sich bei gemündeten Lasten. In diesem Fall stoppt die Unterbrechung durch die beiden intakten Phasen nicht den Stromfluss in der defekten Phase. Ein Bogen bleibt in Phase 3 bestehen, ohne dass etwas ihn löscht, und dieser Strom fließt weiter, bis die Rückfalleinrichtung tätig wird. Das Ergebnis ist in der Regel katastrophale Schäden am Schalter.

Da Vakuumschaltkreise im Bereich von 3–15 kV hauptsächlich in gemündeten Systemen verwendet werden, untersuchten wir die Auswirkungen eines ausgefallenen Unterbrechers in unserem Testlabor vor Jahren. Wir setzten einen Vakuumschalter bewusst dem atmosphärischen Druck aus ("plattierten" ihn) und führten dann einen vollständigen Kurzschlussunterbrechungstest durch.

Wie vorauszusehen war, schaffte es der "platte" Unterbrecher nicht, den Fehler in der betroffenen Phase zu beseitigen, und wurde zerstört. Der Labor-Rückfalleinrichter schaffte es erfolgreich, den Fehler zu beseitigen.

Nach dem Test wurde der Schalter aus der Schaltanlagenzelle entfernt. Er war stark verqualmt, aber mechanisch intakt. Rauch und Ruß wurden vom Schalter und der Schaltanlage gereinigt, die defekte Einheit wurde ersetzt, und der Schalter wurde wieder in die Zelle eingeführt. An demselben Tag wurde später noch ein weiterer Kurzschluss-Test erfolgreich durchgeführt. Jahre der nachfolgenden Felderfahrungen haben die Erkenntnisse aus diesen Laborversuchen bestätigt.

Einer unserer Kunden, ein großes Chemieunternehmen, erlebte isolierte Ausfälle bei ähnlichen Schaltkreiskonfigurationen (eine mit einem Luftmagnetschalter, eine mit einem Vakuumschalter) in zwei verschiedenen Einrichtungen in unterschiedlichen Ländern. Beide hatten eine gemeinsame Schaltkreiskonfiguration und einen gemeinsamen Ausfallmodus: Ein Verbindungsschaltkreis, bei dem die Energiequellen auf beiden Seiten des Schalters nicht synchron waren und fast doppelt die Nennspannung über den Kontaktabstand anlegten. Dies führte zum Ausfall des Schalters.

Diese Ausfälle resultierten aus Anwendungsbedingungen, die gegen ANSI/IEEE-Richtlinien verstießen und weit über die Designbewertungen des Schalters hinausgingen. Sie deuten nicht auf ein Designfehler hin. Allerdings ist der Umfang des Schadens lehrreich:

• Im Fall des Luftmagnetschalters platzte die Gehäusewand gewaltsam. Die benachbarten Schaltanlagenzellen auf beiden Seiten erlitten umfangreiche Schäden, die eine umfangreiche Rekonstruktion erforderlich machten. Der Schalter war ein Totalverlust.

• Im Fall des Vakuumschalters war der Ausfall deutlich weniger gewaltsam. Der defekte Vakuumschalter wurde ersetzt, Rußabstände (Ruß) wurden vom Schalter und der Zelle gereinigt, und das System wurde wieder in Betrieb genommen.

Unsere umfangreichen Laborversuche, bei denen wir Vakuumschalter regelmäßig an ihre Grenzen bringen, stützen diese realen Ergebnisse.

Kürzlich wurden in unserem Labor mehrere Hochleistungstests durchgeführt, um Unterbrechungsversuche mit "leckenden" Vakuumschaltern zu evaluieren. Ein kleines Loch (~3 mm Durchmesser) wurde in die Gehäusewand des Schalters gebohrt, um einen Vakuumverlust zu simulieren. Die Ergebnisse waren aufschlussreich:

• Ein Normalstrom von 1.310 A (Nennkontinuierlicher Strom: 1.250 A) wurde von einer Phase eines Vakuumschalters unterbrochen. Der Strom floss 2,06 Sekunden lang durch den "defekten" Schalter, bevor der Laborsicherheitsschalter den Fehler beseitigte. Es wurden keine Teile abgestoßen, der Schalter explodierte nicht, und nur die Farbe auf dem Gehäuse des Schalters blubberte. Es trat kein weiterer Schaden auf.

• Eine zweite Phase desselben Schalters versuchte, 25 kA (Nennunterbrechungsstrom: 25 kA) zu unterbrechen. Der Bogen hielt 0,60 Sekunden an, bevor der Laborsicherheitsschalter den Fehler beseitigte. Der Bogen brannte ein Loch in die Seite des Gehäuses des Schalters. Es kam weder zu einer Explosion noch zu fliegenden Trümmern. Glühende Partikel wurden aus dem Loch abgestoßen, aber keine mechanischen Komponenten oder benachbarte Schalter wurden beschädigt. Alle Schäden beschränkten sich auf den defekten Schalter.

Diese Tests bestätigen, dass die Folgen eines Vakuumschalterausfalls erheblich geringer sind als bei Ausfällen anderer Unterbrechungstechnologien.

Aber die eigentliche Frage ist nicht, was passiert, wenn er ausfällt, sondern wie wahrscheinlich ist es, dass er ausfällt?

Die Ausfallraten von Vakuumschaltern sind extrem gering. Der Vakuumverlust ist nicht länger ein signifikantes Problem.

In den frühen 1960er Jahren waren Vakuumschalter anfällig für Lecks—das war ein großes Problem. Frühe Designs verwendeten gelötete oder geschweißte Verbindungen zwischen ungleichartigen Materialien, ohne organische Materialien. Handwerkliche Herstellung war üblich, insbesondere mit borosilikatgläsernen Isolatoren, die hohe Temperaturen nicht aushalten konnten.

Heute werden maschinelle Schweissverfahren und Batch-Induktionsöfen zur Lötung mit extrem strengen Prozesskontrollen verwendet. Der einzige bewegliche Teil innerhalb eines Vakuumschalters ist der Kupferkontakt, der über einen geschweißten Edelstahlbalg mit der Endplatte verbunden ist. Da beide Enden des Balgs geschweißt sind, ist die Ausfallrate dieses beweglichen Dichtungssystems außerordentlich gering—was die hohe Zuverlässigkeit moderner Vakuumschaltkreise demonstriert.

Tatsächlich wird die mittlere Ausfallzeit (MTTF) moderner Vakuumschalter heute auf 57.000 Jahre geschätzt.

Kundensorgen über Vakuumverluste waren in den 1960er Jahren berechtigt, als Vakuumschalter neu in der Energietechnik waren. Damals leckten Vakuumschalter oft, und Überspannungsprobleme waren häufig. Nur ein Unternehmen bot Vakuumschalter an, und Berichte zeigten zahlreiche Probleme.

Bis Mitte der 1970er Jahre unterschieden sich europäisch entwickelte Vakuumschalter—wie moderne Siemens-Designs—grundlegend von den 1960er Modellen in Materialien und Prozesskontrolle. Kupfer-Bismut-Kontakte waren anfälliger für Überspannungen als heutige Chrom-Kupfer-Legierungen. Handgefertigte Schalter waren anfälliger für Lecks als heutige präzisionsgefertigte Einheiten.

Heute haben strenge Prozesskontrollen und Automatisierung die meisten menschlichen Variabilitäten eliminiert. Daher bieten moderne Vakuumschalter eine lange Lebensdauer, und der di-elektrische Stress, den sie auf angeschlossene Geräte ausüben, ist nicht schlechter als bei traditionellen Luftmagnet- oder Ölschaltkreisen.