Vad händer när en vakuumbrytare förlorar vakuum Det exakta testresultatet avslöjas

Vad händer när en vakuumavbrytare förlorar sitt vakuum?

Om en vakuumavbrytare förlorar sitt vakuum bör följande driftsfall övervägas:

• Kontakter öppnas

• Stängningsoperation

• Stängd och fungerar normalt

• Öppning och avbrott av normal ström

• Öppning och avbrott av felström

Fall a, b och c är relativt enkla. I dessa situationer påverkas systemet i allmänhet inte av vakuumförlusten.

Fall d och e kräver dock ytterligare diskussion.

Anta att en trefasmatningsvakuumavbrytare förlorar vakuum i en fas. Om belastningen som serveras av den defekta avbrytaren är en deltaansluten (ojordad) belastning, kommer växlingsoperationer inte att leda till ett fel. I grund och botten inträffar ingenting. De två friska faserna (till exempel Fas 1 och Fas 2) avbryter kretsen framgångsrikt, och strömmen i den defekta fasen (Fas 3) upphör naturligt.

En annan situation uppstår med jordade belastningar. I detta fall stoppar inte avbrottet av de två friska faserna strömförsörjningen i den defekta fasen. En båge håller i sig i Fas 3 utan något som släcker den, och denna ström fortsätter tills reservskyddet agerar. Resultatet är vanligtvis katastrofal skada på avbrytaren.

Eftersom vakuumavbrytare i spänningsintervallet 3–15 kV huvudsakligen används i jordade system undersökte vi effekterna av en misslyckad avbrytare i vårt testlaboratorium för flera år sedan. Vi exponerade avsiktligt en vakuumavbrytare för atmosfärstryck ("plattade" den) och utsatte sedan avbrytaren för en fullständig kortslutningsskyddstest.

Som förutspått klarade den "platta" avbrytaren inte felet i den berörda fasen och förstördes. Laboratoriets reservavbrytare klarade felet framgångsrikt.

Efter testet togs avbrytaren bort från utrustningscellen. Den var tungt suddad men mekaniskt intakt. Rök och sudd rensades från avbrytaren och utrustningen, det defekta enheten ersattes, och avbrytaren sattes tillbaka i cellen. Senare samma dag genomfördes en annan kortslutningstest—framgångsrikt. År av efterföljande fältupplevelser har bekräftat resultaten från dessa laboratorietester.

En av våra kunder, en större kemisk företag, upplevde isolerade fel på liknande kretskonfigurationer (en med en luft-magnetisk avbrytare, en med en vakuumavbrytare) vid två olika anläggningar i olika länder. Båda delade en gemensam kretskonfiguration och felmodus: en bindningskrets där strömkällorna på båda sidor om avbrytaren var ur fas, vilket tillämpade nästan dubbla den nominella spänningen över kontaktklyftan. Detta orsakade avbrytarfel.

Dessa fel resulterade från tillämpningsvillkor som överträdde ANSI/IEEE-riktlinjer och långt översteg avbrytarens designgränser. De indikerar inte ett designfel. Men omfattningen av skadan är instruktiv:

• I fallet med luft-magnetisk avbrytare sprängdes enhetens behållare våldsamt. Angränsande utrustningsceller på båda sidor lidede omfattande skador, vilket krävde omfattande återuppbyggnad. Avbrytaren var totalförlust.

• I fallet med vakuumavbrytare var felet betydligt mindre våldsamt. Den defekta vakuumavbrytaren ersattes, arcbiprodukter (suot) rensades från avbrytaren och cellen, och systemet återställdes i drift.

Våra omfattande laboratorietester, där vi rutinmässigt driver vakuumavbrytare till deras gränser, stöder dessa verklighetsbaserade resultat.

Nyligen genomfördes flera högeffektstester i vårt labb för att utvärdera avbrottsförsök med "läckande" vakuumavbrytare. Ett litet hål (~3 mm diameter) borrades i avbrytarens behållare för att simulerar vakuumförlust. Resultaten var avslöjande:

• En 1 310 A normalström (nominell kontinuerlig ström: 1 250 A) avbröts av en fas av en vakuumavbrytare. Ström flödade genom den "defekta" avbrytaren i 2,06 sekunder innan laboratoriets reservavbrytare klargjorde felet. Inga delar kastades ut, avbrytaren exploderade inte, och endast målarbeläggningen på avbrytarens behållare blåste upp. Ingen annan skada inträffade.

• En andra fas av samma avbrytare försökte avbryta 25 kA (nominell avbrytningsström: 25 kA). Bågen varade 0,60 sekunder innan laboratoriets avbrytare klargjorde felet. Bågen brände ett hål genom sidan av avbrytarens behållare. Inga explosioner eller flygande delar inträffade. Glödande partiklar kastades ut genom hålet, men inga mekaniska komponenter eller angränsande avbrytare skadades. All skada begränsades till den defekta avbrytaren.

Dessa tester bekräftar att konsekvenserna av en vakuumavbrytaremisslyckande är betydligt mindre allvarliga jämfört med misslyckanden i andra avbrytningsmetoder.

Men den verkliga frågan är inte vad som händer när den misslyckas, utan hur troligt är det att den misslyckas?

Misslyckandefrekvensen för vakuumavbrytare är extremt låg. Vakuumförlust är inte längre en signifikant bekymmer.

På tidigt 1960-tal var vakuumavbrytare benägna att läcka—detta var ett stort problem. Tidiga design använde lödda eller svetsade fästen mellan olika material, utan organiska material. Hantverksproduktion var vanlig, särskilt med borosilikatglasisolatorer, som inte kunde stå emot höga temperaturer.

Idag används maskinsvetsning och batchinduktionsugnslödning med extremt strikta processkontroller. Den enda rörliga delen inuti en vakuumavbrytare är kopparkontakten, som är ansluten till slutplattan via en svetsad rostfritt stålbellows. Eftersom båda ändarna av bellowsen är svetsade är misslyckandefrekvensen för denna rörliga tätning exceptionellt låg—vilket visar den höga tillförlitligheten hos moderna vakuumavbrytare.

I själva verket uppskattas MTTF (Medel tid till fel) för moderna vakuumavbrytare nu till 57 000 år.

Kundbekymmer om vakuumförlust var berättigade på 1960-talet, när vakuumavbrytare var nya i energitillämpningar. På den tiden läckte vakuumavbrytare ofta, och överspänningsproblem var vanliga. Endast ett företag erbjöd vakuumavbrytare, och rapporter angav många problem.

Mellan 1970-talet hade europeiskt utvecklade vakuumavbrytare—som moderna Siemens-designer—fundamentalt skillnader från 1960-talsmodeller i material och processkontroll. Koppar-bismutkontakter var mer benägna till överspänningsproblem än idag's krom-kopparlegeringar. Handbyggda avbrytare var mer benägna att läcka än idag's precisionstillverkade enheter.

Idag har rigorös processkontroll och automatisering eliminera de flesta mänskliga variabler. Som ett resultat erbjuder moderna vakuumavbrytare lång livslängd, och dielektriska stress de påföra ansluten utrustning är inte värre än traditionella luft-magnetiska eller oljeavbrytare.