Co się dzieje, gdy wyłącznik próżniowy traci próżnię? Zostały ujawnione rzeczywiste wyniki testów

Co się dzieje, gdy przerzutnik próżniowy traci próżnię?

Jeśli przerzutnik próżniowy traci próżnię, należy rozważyć następujące scenariusze działania:

• Otwieranie kontaktów

• Operacja zamykania

• Zamknięty i działający normalnie

• Otwieranie i przerywanie normalnego prądu

• Otwieranie i przerywanie prądu uszkodzeniowego

Przypadki a, b i c są stosunkowo proste. W tych sytuacjach system jest ogólnie nie dotknięty utratą próżni.

Jednak przypadki d i e wymagają dalszej dyskusji.

Załóżmy, że przerzutnik próżniowy linii trójfazowej traci próżnię w jednym biegunie. Jeśli obciążenie obsługiwane przez uszkodzony przerzutnik jest połączone w trójkąt (nienaziemne), operacje przełączania nie prowadzą do awarii. W istocie nic się nie dzieje. Dwa zdrowe fazy (np. Faza 1 i Faza 2) pomyślnie przerywają obwód, a prąd w uszkodzonej fazie (Faza 3) zanika naturalnie.

Inna sytuacja występuje w przypadku obciążeń naziemnych. W tym przypadku przerywanie przez dwie zdrowe fazy nie zatrzymuje przepływu prądu w uszkodzonej fazie. Łuk trwa w Fazie 3 bez czegoś, co go zgasza, a ten prąd trwa, dopóki nie działa ochrona zapasowa. Wynikiem jest zwykle katastrofalne uszkodzenie przerzutnika.

Ponieważ przerzutniki próżniowe w zakresie 3–15 kV są głównie używane w systemach naziemnych, badaliśmy skutki uszkodzonego przerzutnika w naszym laboratorium testowym lata temu. Deliberatycznie wystawiliśmy przerzutnik próżniowy na ciśnienie atmosferyczne ("spłaszczony") a następnie poddaliśmy przerzutnik pełnemu testowi przerwania krótkiego zwarcia.

Jak przewidywano, "spłaszczony" przerzutnik nie był w stanie usunąć uszkodzenia w dotkniętej fazie i został zniszczony. Zapasowy przerzutnik laboratoryjny pomyślnie usunął uszkodzenie.

Po teście przerzutnik został usunięty z komórki aparatury rozdzielczej. Był mocno pokryty sadzą, ale mechanicznie nietknięty. Dym i sadza zostały usunięte z przerzutnika i aparatury rozdzielczej, uszkodzona jednostka została zastąpiona, a przerzutnik ponownie wstawiony do komory. Tego samego dnia wykonano kolejny test krótkiego zwarcia - pomyślnie. Lata późniejszych doświadczeń potwierdziły wyniki tych testów laboratoryjnych.

Jeden z naszych klientów, duży przedsiębiorstwo chemiczne, doświadczył izolowanych awarii na podobnych konfiguracjach obwodów (jeden z przerzutnikiem magnetycznym powietrznym, drugi z przerzutnikiem próżniowym) w dwóch różnych zakładach w różnych krajach. Obie miały wspólną konfigurację obwodu i tryb awarii: obwód łączący, gdzie źródła energii po obu stronach przerzutnika były nierównoległe, przykładając prawie dwukrotną wartość nominalną napięcia na szczelinę kontaktową. To spowodowało awarię przerzutnika.

Te awarie wynikały z warunków zastosowania naruszających wytyczne ANSI/IEEE i znacznie przekraczających parametry projektowe przerzutnika. Nie wskazują one na wadę projektową. Jednak stopień uszkodzeń jest pouczający:

• W przypadku przerzutnika magnetycznego powietrznego, obudowa urządzenia pękła gwałtownie. Sąsiednie komórki aparatury rozdzielczej po obu stronach doznały rozległych uszkodzeń, wymagając wielkich prac rekonstrukcyjnych. Przerzutnik został całkowicie zniszczony.

• W przypadku przerzutnika próżniowego, awaria była znacznie mniej gwałtowna. Uszkodzony przerzutnik próżniowy został zastąpiony, produkty łuku (sadza) zostały usunięte z przerzutnika i komory, a system został przywrócony do użytku.

Nasze rozległe testy laboratoryjne, w których regularnie poddajemy przerzutniki próżniowe ich granicom, potwierdzają te wyniki z rzeczywistości.

Ostatnio w naszym laboratorium przeprowadzono kilka testów wysokiej mocy, aby ocenić próby przerwania za pomocą "uciekających" przerzutników próżniowych. Wiertłem o średnicy około 3 mm perforowano obudowę przerzutnika, symulując utratę próżni. Wyniki były ujawniające:

• Normalny prąd 1,310 A (nominalny prąd ciągły: 1,250 A) został przerwany przez jeden biegun przerzutnika próżniowego. Prąd przepływał przez "uszkodzony" przerzutnik przez 2,06 sekundy, zanim zapasowy przerzutnik laboratorium usunął uszkodzenie. Żadne części nie zostały wyrzucone, przerzutnik nie eksplodował, a tylko farba na obudowie przerzutnika pękała. Nie wystąpiły inne uszkodzenia.

• Drugi biegun tego samego przerzutnika próbował przerwać 25 kA (nominalny prąd zrywający: 25 kA). Łuk trwał 0,60 sekundy, zanim zapasowy przerzutnik laboratorium usunął uszkodzenie. Łuk spalił dziurę w boku obudowy przerzutnika. Nie doszło do eksplozji ani wyrzucenia odłamków. Z dziury wyrzucono świecące cząstki, ale żadne elementy mechaniczne ani sąsiednie przerzutniki nie zostały uszkodzone. Wszystkie uszkodzenia ograniczały się do uszkodzonego przerzutnika.

Te testy potwierdzają, że skutki awarii przerzutnika próżniowego są znacznie mniej poważne w porównaniu z awariami innych technologii przerwania.

Ale prawdziwe pytanie nie brzmi co się dzieje, gdy zawodzi, ale jak duże jest prawdopodobieństwo jego awarii?

Stopy awaryjności przerzutników próżniowych są niezwykle niskie. Utrata próżni nie jest już istotnym problemem.

W początku lat 60. przerzutniki próżniowe były podatne na przecieki - to był główny problem. Wczesne projekty używały spawanych lub spawanych stojących między różnymi materiałami, bez materiałów organicznych. Ręczne tworzenie było powszechne, zwłaszcza z izolatorami szkła borosilikatowego, które nie mogły wytrzymać wysokich temperatur.

Dziś stosuje się spawanie maszynowe i lotnicze spawanie indukcji, z bardzo surowymi kontrolami procesu. Jedyne ruchome części w przerzutniku próżniowym to kontakty miedziane, połączone z płytą końcową przez spawany stalowy mięsień. Ponieważ oba końce mięśni są spawane, wskaźnik awarii tego ruchomego uszczelnienia jest wyjątkowo niski - demonstrując wysoką niezawodność nowoczesnych przerzutników próżniowych.

Rzeczywiście, MTTF (Średni Czas do Awarii) nowoczesnych przerzutników próżniowych jest teraz szacowany na 57,000 lat.

Obawy klientów dotyczące utraty próżni były uzasadnione w latach 60., gdy przerzutniki próżniowe były nowością w zastosowaniach energetycznych. W tamtym czasie przerzutniki próżniowe często przeciekały, a problemy z przepięciami były powszechne. Tylko jedna firma oferowała przerzutniki próżniowe, a raporty wskazywały na liczne problemy.

Do połowy lat 70. europejsko opracowane przerzutniki próżniowe - takie jak współczesne projekty Siemensa - różniły się fundamentalnie od modeli z lat 60. w materiałach i kontroli procesu. Kontakty miedź-bizmut były bardziej podatne na przepięcia niż dzisiejsze stopy chrom-miedź. Ręcznie budowane przerzutniki były bardziej podatne na przecieki niż dzisiejsze precyzyjnie wyprodukowane jednostki.

Dziś surowa kontrola procesu i automatyzacja eliminują większość zmienności ludzkiej. W rezultacie nowoczesne przerzutniki próżniowe oferują długi czas użytkowania, a naprężenie dielektryczne, jakie nakładają na połączone urządzenia, nie jest gorsze niż w przypadku tradycyjnych przerzutników magnetycznych powietrznych lub olejowych.