Que Sucede Cando un Interruptor de Circuito de Vacío Perde o Vacío Resultados Reais de Probas Revelados

Que Sucede Cando Un Interruptor de Vacío Perde o Seu Vacío?

Se un interruptor de vacío perde o seu vacío, deben considerarse os seguintes escenarios operativos:

• Abertura dos contactos

• Operación de pechado

• Pechado e funcionando normalmente

• Abertura e interrupción da corrente normal

• Abertura e interrupción dunha corrente de fallo

Os casos a, b e c son relativamente sinxelos. Nestas situacións, o sistema xeralmente non se ve afectado pola perda de vacío.

No entanto, os casos d e e requiren unha maior discusión.

Supóñase que un interruptor de circuito de alimentación trifásico con vacío perde o vacío nun polo. Se a carga servida polo interruptor defectuoso é unha carga conectada en delta (sen terra), as operacións de conmutación non levarán a un fallo. Esencialmente, non pasa nada. As dúas fases sadias (por exemplo, Fase 1 e Fase 2) interrompen satisfactoriamente o circuito, e a corrente na fase defectuosa (Fase 3) cesará naturalmente.

Unha situación diferente surge con cargas a terras. Neste caso, a interrupción por parte das dúas fases sadias non detén o flujo de corrente na fase defectuosa. Persístese un arco na Fase 3 sen nada para apagalo, e esta corrente continua ata que opera a protección de reserva. O resultado é xeralmente un danio catastrofico no interruptor.

Xa que os interruptores de circuito de vacío no rango de 3–15 kV usan principalmente en sistemas a terras, investigamos os efectos dun interruptor fallido no noso laboratorio de probas hai anos. Expusemos deliberadamente un interruptor de vacío á presión atmosférica ("achatándolo") e logo sometemos o interruptor a unha proba completa de interrupción de curto-circuíto.

Como se predixo, o "interruptor achatado" non conseguiu eliminar o fallo na fase afectada e foi destruído. O interruptor de reserva do laboratorio eliminou satisfactoriamente o fallo.

Despois da proba, o interruptor foi retirado da cela de conmutación. Estaba fortemente enegrecido pero mecánicamente intacto. O humo e o hullo foron limpos do interruptor e da conmutación, a unidade defectuosa foi substituída, e o interruptor foi reintroducido na cela. Máis tarde ese mesmo día, realizouse outra proba de curto-circuíto—con éxito. Os anos de experiencia posterior no campo confirmaron os resultados destas probas de laboratorio.

Un dos nosos clientes, unha importante empresa química, experimentou fallos aislados en configuracións de circuito similares (un co interruptor magnético de aire, outro co interruptor de vacío) en dúas instalacións diferentes en países diferentes. Ambos compartían unha configuración de circuito común e un modo de fallo: un circuito de conexión onde as fontes de enerxía de cada lado do interruptor estaban desfasadas, aplicando case o dobre da tensión nominal a través do intervalo de contacto. Isto causou o fallo do interruptor.

Estes fallos resultaron de condicións de aplicación que violaban as liñas directrices ANSI/IEEE e excedían en gran medida as clasificacións de deseño do interruptor. Non indican un defecto de deseño. No entanto, a extensión do danio é instructiva:

• No caso do interruptor magnético de aire, a carcasa da unidade rupturou violentamente. As células de conmutación adxacentes en ambos os lados sufrieron danos extensos, requirindo unha reconstrución importante. O interruptor foi unha perda total.

• No caso do interruptor de vacío, o fallo foi significativamente menos violento. O interruptor de vacío defectuoso foi substituído, os subproductos do arco (hullo) foron limpos do interruptor e da cela, e o sistema foi devolto ao servizo.

As nosas extensivas probas de laboratorio, onde habitualmente llevamos os interruptores de vacío aos seus límites, apoian estes resultados do mundo real.

Recentemente, realizarónse varias probas de alta potencia no noso laboratorio para avaliar tentativas de interrupción usando interruptores de vacío "goteantes". Foi feito un pequeno orificio (~3 mm de diámetro) na carcasa do interruptor para simular a perda de vacío. Os resultados foron reveladores:

• Unha corrente normal de 1.310 A (corrente continua nominal: 1.250 A) foi interrompida por un polo dun interruptor de vacío. A corrente fluyu a través do "interruptor defectuoso" durante 2,06 segundos antes de que o interruptor de reserva do laboratorio eliminase o fallo. Non se expulsaron partes, o interruptor non explotou, e só a pintura na carcasa do interruptor formou ampollas. Non ocorreu ningún outro danio.

• Un segundo polo do mesmo interruptor tentou interromper 25 kA (corrente de interrupción nominal: 25 kA). O arco durou 0,60 segundos antes de que o interruptor do laboratorio eliminase o fallo. O arco queimou un orificio no costado da carcasa do interruptor. Non ocorreu explosión nin proxección de restos. Partículas incandescentes foron expulsadas polo orificio, pero non se danaron componentes mecánicos nin interruptores adxacentes. Todo o danio foi confinado ao interruptor fallido.

Estas probas confirmam que as consecuencias dun fallo de interruptor de vacío son significativamente menos severas en comparación cos fallos noutras tecnoloxías de interrupción.

Pero a verdadeira pregunta non é que sucede cando falla, senón qué tan probable é que falle?

As taxas de fallo dos interruptores de vacío son extremadamente baixas. A perda de vacío xa non é unha preocupación significativa.

Nos primeiros anos 1960, os interruptores de vacío eran propensos a fugas—esta era unha cuestión importante. Os deseños iniciais utilizaban unions soldadas ou brasadas entre materiais disímiles, sen materiais orgánicos. A artesanía manual era común, especialmente con aisladores de vidrio borosilicato, que non podían resistir altas temperaturas.

Hoxe, utilízanse soldaduras máquinas e brasado en forno de indución en lote con controles de proceso extremadamente estritos. A única parte móbil dentro dun interruptor de vacío é o contacto de cobre, conectado á placa final a través dun acordeón de acero inoxidable soldado. Xa que ambos os extremos do acordeón están soldados, a taxa de fallo desta xunta móbil é excepcionalmente baixa—demostrando a alta fiabilidade dos modernos interruptores de circuito de vacío.

De feito, o MTTF (Tempo Medio ata o Fallo) dos modernos interruptores de vacío estimase agora en 57.000 anos.

As preocupacións dos clientes sobre a perda de vacío eran válidas nos anos 1960, cando os interruptores de vacío eran novos nas aplicacións de enerxía. Naquel tempo, os interruptores de vacío a menudo perdían, e os problemas de sobretensión eran comúns. Só unha compañía ofrecía interruptores de vacío, e informes indicaban numerosos problemas.

Ao mediados dos anos 1970, os interruptores de vacío desenvoltos en Europa—como os diseños modernos de Siemens—diferían fundamentalmente dos modelos dos anos 1960 en materiais e control de proceso. Os contactos de cobre-bismuto eran máis propensos a sobretensiones que as ligas de cromo-cobre actuais. Os interruptores construídos a man eran máis propensos a fugas que as unidades fabricadas con precisión actualmente.

Hoxe, o rigoroso control de proceso e a automatización eliminaron a maior parte da variabilidade humana. Como resultado, os modernos interruptores de vacío ofrecen unha longa vida útil, e o estrés dieléctrico que imponen ao equipo conectado non é peor que o de interruptores de aire magnético ou de óleo tradicionais.