Mitä tapahtuu kun tyhjiöpäästys sulake menettää tyhjiönsä? Todelliset testitulokset paljastuneet

Mitä tapahtuu, kun tyhjiökatkaisu menettää tyhjiönsä?

Jos tyhjiökatkaisu menettää tyhjiönsä, on harkittava seuraavia toimintatilanteita:

• Yhteyksien avaaminen

• Suljetun tilan toiminta

• Suljettu ja normaalisti toimiva

• Avaaminen ja normaalin sähkövirran keskeyttäminen

• Avaaminen ja sian sähkövirran keskeyttäminen

Tilanteet a, b ja c ovat suhteellisen yksinkertaisia. Nämä tilanteissa järjestelmään ei yleensä vaikuta tyhjiön menetyksellä.

Kuitenkin tilanteissa d ja e tarvitaan lisäkeskustelua.

Oletetaan, että kolmivaiheinen syöttökatkaisu menettää yhden vaiheen tyhjiön. Jos vialliselle katkaisulle palveltava lataus on deltayhdistetty (maamaton) lataus, kytkentätoiminnot eivät johtaa epäonnistumiseen. Periaatteessa mitään ei tapahdu. Kaksi terveitä vaihetta (esimerkiksi Vaihe 1 ja Vaihe 2) keskeyttävät onnistuneesti piirin, ja viallisen vaiheen (Vaihe 3) virta loppuu luonnollisesti.

Erilainen tilanne syntyy maadetuilla latauksilla. Tässä tapauksessa kahden terveen vaiheen keskeyttäminen ei pysäytä viallisen vaiheen virran virtaamista. Kaari jatkuu Vaihe 3:ssa ilman, että sitä tukahdutettaisi, ja tämä virta jatkuu, kunnes varakappale toimii. Tuloksena on yleensä katastrofaalinen vaurio katkaisulle.

Koska 3–15 kV:n alueella käytetyt tyhjiökatkaisut käytetään pääasiassa maadetuissa järjestelmissä, tutkimme vuosia sitten testilaboratoriossamme viallisen katkaisun vaikutuksia. Aiomme tarkoituksella altistaa tyhjiökatkaisun ilmakehän paineelle ("tasaamalla" sen) ja asetimme katkaisun täyteen lyhytkiertokatkaisutestiin.

Kuten ennustettiin, "tasattu" katkaisu epäonnistui poistamaan vian vaikutuksen vaiheesta ja tuhoutui. Laboratorion varakatkaisu onnistui poistamaan vian.

Testin jälkeen katkaisu poistettiin kytkentälaatikosta. Se oli huomattavasti savuttunut, mutta mekaanisesti kokonainen. Savu ja savu puhdistettiin katkaisusta ja kytkentälaatikosta, viallinen osa korvattiin, ja katkaisu asetettiin uudelleen laitteeseen. Myöhemmin samana päivänä suoritettiin toinen lyhytkiertokatkaisutesti—onnistuneesti. Vuosien kenttäkokemus on vahvistanut näiden laboratoriotestien tulokset.

Yksi asiakkaistamme, suuri kemikaaliteollisuuden yritys, koki erillisiä viopeja samankaltaisissa piirikonfiguraatioissa (yksi ilmakehän-magneettisella katkaisulla, toinen tyhjiökatkaisulla) kahdella eri tehtaalla eri maissa. Molemmilla oli yhteinen piirikonfiguraatio ja viope: yhdistävä piiri, jossa katkaisun molemmissa puolissa olevat energialähteet olivat synkronisoinnissa, mikä aiheutti lähes kaksinkertaisen suuruisen jännitteen kontaktien välille. Tämä aiheutti katkaisun epäonnistumisen.

Nämä viot johtuivat sovellusolojen rikkominen ANSI/IEEE -ohjeista ja katkaisun suunnitteluarvojen ylittämisestä. Ne eivät osoita suunnitteluviota. Kuitenkin vaurioiden laajuus on opettavainen:

• Ilmakehän-magneettisessa katkaisutilanteessa laitteen kuori räjähti voimakkaasti. Viereiset kytkentälaatikot molemmissa puolissa kärsivät laajasti vaurioita, jotka vaativat suuria korjaustoimia. Katkaisu oli kokonaan hävitetty.

• Tyhjiökatkaisutilanteessa vio oli huomattavasti vähemmän dramaattinen. Viallinen tyhjiökatkaisu korvattiin, kaaren tuotteet (savu) puhdistettiin katkaisusta ja laatikosta, ja järjestelmä palautettiin palveluun.

Laajat laboratoriotestit, joissa tyhjiökatkaisuja säännöllisesti ajetaan rajapainoon, tukevat näitä todellismaailman tuloksia.

Viime aikoina laboratoriossamme on suoritettu useita suurenpäteisyys-testejä arvioidaksemme keskeyttämistyönteväsyötteiden avulla tyhjiökatkaisujen keskeyttämiskykyä. Pieni reikä (~3 mm halkaisija) on reikäillyt katkaisun talteen simuloidakseen tyhjiön menettämisen. Tulokset olivat valaisevia:

• 1,310 A:n normaali virta (arvioitu jatkuva virta: 1,250 A) keskeytettiin yhdellä tyhjiökatkaisun polulla. Virta virtasi "viallisessa" katkaisussa 2.06 sekuntia ennen kuin laboratorion varakatkaisu poisti vian. Ei osia heitettynyt, katkaisu ei räjähtänyt, ja vain maalin pinnalla katkaisun talteen muodostui kuplia. Muuta vauriota ei tapahtunut.

• Toinen samaan katkaisuun yritettiin keskeyttää 25 kA (arvioitu katkaisujuuri: 25 kA). Kaari kesti 0.60 sekuntia ennen kuin laboratorion katkaisu poisti vian. Kaari poltti reikan katkaisun talteen. Ei räjähdystä tai lentäviä osia tapahtunut. Hohtavia hiukkasia heitettiin reikan kautta, mutta mekaanisia komponentteja tai viereisiä katkaisuja ei vaurioitunut. Kaikki vauriot rajoittuivat vialliseen katkaisuun.

Nämä testit vahvistavat, että tyhjiökatkaisun epäonnistumisen seuraukset ovat huomattavasti vähemmän vakavia verrattuna muiden keskeyttävien teknologioiden epäonnistumisiin.

Mutta todellinen kysymys ei ole mitä tapahtuu, kun se epäonnistuu, vaan kuinka todennäköistä on, että se epäonnistuu?

Tyhjiökatkaisun epäonnistumisaste on erittäin alhainen. Tyhjiön menettäminen ei ole enää merkittävä huolenaihe.

1960-luvun alussa tyhjiökatkaisut olivat alttiina leviämiselle—tämä oli merkittävä ongelma. Varhaisissa suunnitelmissa käytettiin liitosten välillä erilaisia materiaaleja, ilman organisia materiaaleja. Käsityö oli yleistä, erityisesti borosilikaattilaseilla, jotka eivät kestäneet korkeita lämpötiloja.

Nykyään käytetään koneellista hitaus- ja erityisesti prosessikontrolloituja induktiolammikoita. Tyhjiökatkaisun ainoa liikkuvan osa on kuparin kosketin, joka on yhdistetty pääplaatteihin tarttinuun teräsvaateeseen. Koska molemmat vaatteen päät on tarttima, tämän liikkuvan tiivistelevän osan epäonnistumisaste on erittäin alhainen—osoittaa nykyaikaisen tyhjiökatkaisun korkeaa luotettavuutta.

Itse asiassa nykyaikaisen tyhjiökatkaisun MTTF (keskiarvomainen aika ennen epäonnistumista) on nyt arvioitu 57,000 vuodeksi.

Asiakkaiden huoli tyhjiön menettämisestä oli perusteltua 1960-luvulla, kun tyhjiökatkaisut olivat uusia sähköenergian sovelluksissa. Silloin tyhjiökatkaisut usein levisivät, ja sähköiskut olivat yleisiä. Vain yksi yritys tarjosi tyhjiökatkaisuja, ja raportit osoittivat monia ongelmia.

1970-luvun puoliväliin mennessä Euroopassa kehitetyt tyhjiökatkaisut—kuten nykyaikaiset Siemens-suunnitelmat—eroivat perustavanlaatuisesti 1960-luvun mallien materiaaleista ja prosessikontrollista. Kupari-bismutti-kosketit olivat alttiimpia sähköiskuille kuin nykyaikaiset kromi-kupari-liitokset. Käsityöllä rakennetut katkaisut olivat alttiimpia leviämiseen kuin nykyaikaiset tarkkuuseristettyjä yksiköitä.

Nykyään tiukka prosessikontrolli ja automaatio ovat poistaneet suurimman osan ihmisen varianssista. Tämän seurauksena nykyaikaiset tyhjiökatkaisut tarjoavat pitkän käyttöajan, ja ne aiheuttamat dielektriset stressit yhdistettyihin laitteisiin eivät ole huonompia kuin perinteisten ilmakehän-magneettisten tai öljykatkaisujen.