สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเบรกเกอร์วงจรป้อนสูญญากาศสูญเสียสภาวะสูญญากาศ ผลทดสอบจริงเปิดเผย

เกิดอะไรขึ้นเมื่อตัวตัดวงจรสุญญากาศสูญเสียสภาวะสุญญากาศ?

หากตัวตัดวงจรสุญญากาศสูญเสียสภาวะสุญญากาศ จะต้องพิจารณาสถานการณ์การทำงานดังต่อไปนี้:

• การเปิดตัวติดต่อ

• การปฎิบัติการปิด

• ปิดและทำงานอย่างปกติ

• การเปิดและการตัดกระแสไฟฟ้าที่ปกติ

• การเปิดและการตัดกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติ

กรณี a, b และ c เป็นเรื่องที่ค่อนข้างง่าย ในสถานการณ์เหล่านี้ ระบบโดยทั่วไปไม่ได้รับผลกระทบจากการสูญเสียสภาวะสุญญากาศ

อย่างไรก็ตาม กรณี d และ e ต้องมีการหารือเพิ่มเติม

สมมติว่าตัวตัดวงจรสุญญากาศสามเฟสของสายป้อนหนึ่งเฟสสูญเสียสภาวะสุญญากาศ หากโหลดที่ควบคุมโดยตัวตัดวงจรที่เสียหายเป็นโหลดที่เชื่อมต่อแบบเดลตา (ไม่ต่อกราวด์) การเปลี่ยนแปลงการดำเนินงานจะไม่ทำให้เกิดความล้มเหลว แทบจะไม่มีอะไรเกิดขึ้น เฟสที่สุขภาพดีสองเฟส (เช่น เฟส 1 และเฟส 2) สามารถตัดวงจรได้สำเร็จ และกระแสในเฟสที่เสียหาย (เฟส 3) จะหยุดลงเอง

สถานการณ์ที่แตกต่างกันเกิดขึ้นกับโหลดที่ต่อกราวด์ ในกรณีนี้ การตัดวงจรโดยเฟสที่สุขภาพดีสองเฟสไม่สามารถหยุดการไหลของกระแสในเฟสที่เสียหายได้ ประกายไฟยังคงอยู่ในเฟส 3 โดยไม่มีอะไรมาดับมัน และกระแสจะคงอยู่จนกว่าระบบป้องกันสำรองจะทำงาน ผลลัพธ์ที่ได้คือความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อตัวตัดวงจร

เนื่องจากตัวตัดวงจรสุญญากาศในช่วง 3–15 kV ส่วนใหญ่ใช้ในระบบที่ต่อกราวด์ เราได้ทำการทดสอบผลกระทบของตัวตัดวงจรที่เสียหายในห้องทดลองของเราหลายปีที่ผ่านมา เราได้ทำให้ตัวตัดวงจรสุญญากาศสูญเสียสภาวะสุญญากาศ (หรือ "แบน") แล้วทำการทดสอบการตัดวงจรลัดวงจรเต็มรูปแบบ

ตามที่คาดการณ์ไว้ ตัวตัดวงจรที่ "แบน" ไม่สามารถกำจัดความผิดปกติในเฟสที่เสียหายได้และถูกทำลาย ตัวตัดวงจรสำรองในห้องทดลองสามารถกำจัดความผิดปกติได้สำเร็จ

หลังจากทดสอบ ตัวตัดวงจรถูกนำออกจากเซลล์สวิตช์เกียร์ มันมีคราบเขม่าแต่ยังคงสภาพกลไกอยู่ ควันและคราบเขม่าถูกทำความสะอาดออกจากตัวตัดวงจรและสวิตช์เกียร์ ตัวที่เสียหายถูกแทนที่ และตัวตัดวงจรถูกใส่กลับเข้าไปในช่อง ภายหลังในวันเดียวกัน ทดสอบการตัดวงจรลัดวงจรอีกครั้ง—และสำเร็จ ประสบการณ์ในสนามหลายปีต่อมาได้ยืนยันผลลัพธ์จากการทดสอบในห้องทดลองเหล่านี้

หนึ่งในลูกค้าของเรา บริษัทยาเคมีรายใหญ่ ประสบกับความล้มเหลวที่แยกกันในวงจรที่คล้ายคลึงกัน (หนึ่งใช้ตัวตัดวงจรแม่เหล็กอากาศ อีกหนึ่งใช้ตัวตัดวงจรสุญญากาศ) ที่สถานที่ต่างๆ ในประเทศที่ต่างกัน ทั้งสองมีวงจรที่คล้ายคลึงกันและรูปแบบความล้มเหลว: วงจรที่เชื่อมโยงที่แหล่งพลังงานทั้งสองด้านของตัวตัดวงจรไม่ได้ซิงโครไนซ์ ทำให้มีแรงดันเกือบสองเท่าของแรงดันที่กำหนดระหว่างช่องติดต่อ ซึ่งทำให้ตัวตัดวงจรล้มเหลว

ความล้มเหลวนี้เกิดจากเงื่อนไขการใช้งานที่ฝ่าฝืนแนวทาง ANSI/IEEE และเกินอัตราการออกแบบของตัวตัดวงจรอย่างมาก ไม่ได้แสดงถึงข้อบกพร่องในการออกแบบ อย่างไรก็ตาม ระดับความเสียหายเป็นบทเรียน:

• ในกรณีของตัวตัดวงจรแม่เหล็กอากาศ โครงสร้างภายนอกของตัวตัดวงจรแตกอย่างรุนแรง เซลล์สวิตช์เกียร์ที่อยู่ข้างๆ ทั้งสองด้านได้รับความเสียหายอย่างมาก ต้องมีการสร้างใหม่ ตัวตัดวงจรถูกทำลายหมด

• ในกรณีของตัวตัดวงจรสุญญากาศ ความล้มเหลวน้อยรุนแรงกว่ามาก ตัวตัดวงจรสุญญากาศที่เสียหายถูกแทนที่ ผลิตภัณฑ์จากการอาร์ค (คราบเขม่า) ถูกทำความสะอาดออกจากตัวตัดวงจรและช่อง และระบบกลับมาใช้งานได้

การทดสอบในห้องทดลองของเราอย่างละเอียด ที่เราทำการทดสอบตัวตัดวงจรสุญญากาศอย่างสม่ำเสมอ เพื่อสนับสนุนผลลัพธ์ในโลกจริงเหล่านี้

เมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้มีการทดสอบกำลังสูงหลายครั้งในห้องทดลองของเราเพื่อประเมินการพยายามตัดวงจรโดยใช้ตัวตัดวงจรสุญญากาศที่รั่ว รูเล็ก (~3 มม. đường kính) ถูกเจาะในโครงสร้างตัวตัดวงจรเพื่อจำลองการสูญเสียสภาวะสุญญากาศ ผลลัพธ์เป็นที่น่าสนใจ:

• กระแสไฟฟ้าปกติ 1,310 A (กระแสต่อเนื่องที่กำหนด: 1,250 A) ถูกตัดโดยขั้วหนึ่งของตัวตัดวงจรสุญญากาศ กระแสไหลผ่านตัวตัดวงจรที่เสียหายเป็นเวลา 2.06 วินาที ก่อนที่ตัวตัดวงจรสำรองในห้องทดลองจะกำจัดความผิดปกติ ไม่มีส่วนใดถูกปล่อยออกมา ตัวตัดวงจรไม่ระเบิด และเพียงสีบนโครงสร้างตัวตัดวงจรที่ถูกทำลาย ไม่มีความเสียหายอื่น ๆ เกิดขึ้น

• ขั้วที่สองของตัวตัดวงจรเดียวกันพยายามตัด 25 kA (กระแสตัดที่กำหนด: 25 kA) ประกายไฟคงอยู่เป็นเวลา 0.60 วินาที ก่อนที่ตัวตัดวงจรในห้องทดลองจะกำจัดความผิดปกติ ประกายไฟเผาทะลุผ่านด้านข้างของโครงสร้างตัวตัดวงจร ไม่มีการระเบิดหรือเศษวัสดุที่ลอยออก อนุภาคที่ส่องแสงถูกปล่อยออกมาจากรู แต่ไม่มีส่วนประกอบกลไกหรือตัวตัดวงจรใกล้เคียงถูกทำลาย ความเสียหายทั้งหมดจำกัดอยู่เฉพาะตัวตัดวงจรที่เสียหาย

การทดสอบเหล่านี้ยืนยันว่าผลกระทบที่เกิดจากการล้มเหลวของตัวตัดวงจรสุญญากาศมีความรุนแรงน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการตัดวงจรประเภทอื่น

แต่คำถามที่แท้จริงไม่ใช่ว่า จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมันล้มเหลว แต่คือโอกาสที่มันจะล้มเหลวมีมากแค่ไหน?

อัตราการล้มเหลวของตัวตัดวงจรสุญญากาศนั้นต่ำมาก การสูญเสียสภาวะสุญญากาศไม่ได้เป็นปัญหาสำคัญอีกต่อไป

ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ตัวตัดวงจรสุญญากาศมักจะรั่ว—ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ การออกแบบแรกเริ่มใช้การเชื่อมประสานระหว่างวัสดุที่แตกต่างกัน โดยไม่มีวัสดุออร์แกนิก การทำด้วยมือเป็นเรื่องทั่วไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับฉนวนแก้วโบรอนซิลิเกต ซึ่งทนทานต่ออุณหภูมิสูงไม่ได้

ในปัจจุบัน การเชื่อมด้วยเครื่องจักรและการเชื่อมประสานด้วยเตาเหนี่ยวนำแบบแบตช์ถูกใช้กับการควบคุมกระบวนการที่เข้มงวดมาก ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวภายในตัวตัดวงจรสุญญากาศคือตัวติดต่อทองแดง ที่เชื่อมต่อกับแผ่นปลายทางผ่านกระบอกสูบสเตนเลสที่เชื่อม เช่นนั้น ทั้งสองด้านของกระบอกสูบถูกเชื่อม อัตราการล้มเหลวของซีลที่เคลื่อนไหวนี้ต่ำมาก—แสดงถึงความน่าเชื่อถือสูงของตัวตัดวงจรสุญญากาศสมัยใหม่

ในความเป็นจริง MTTF (Mean Time To Failure) ของตัวตัดวงจรสุญญากาศสมัยใหม่ตอนนี้ประมาณการไว้ที่ 57,000 ปี

ความกังวลของลูกค้าเกี่ยวกับการสูญเสียสภาวะสุญญากาศมีเหตุผลในช่วงทศวรรษ 1960 เมื่อตัวตัดวงจรสุญญากาศยังใหม่ในแอปพลิเคชันพลังงาน ในเวลานั้น ตัวตัดวงจรสุญญากาศมักจะรั่ว และปัญหาเกี่ยวกับการสอดคล้องเป็นเรื่องธรรมดา บริษัทเดียวที่เสนอตัวตัดวงจรสุญญากาศ และรายงานระบุว่ามีปัญหามากมาย

ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 ตัวตัดวงจรสุญญากาศที่พัฒนาในยุโรป—เช่นการออกแบบของ Siemens สมัยใหม่—แตกต่างจากโมเดลในทศวรรษ 1960 ในแง่ของวัสดุและการควบคุมกระบวนการ ตัวติดต่อทองแดง-บิสมัทมีแนวโน้มที่จะสอดคล้องมากกว่าวัสดุผสมโครเมียม-ทองแดงในปัจจุบัน ตัวตัดวงจรที่ทำด้วยมือมีแนวโน้มที่จะรั่วมากกว่าตัวที่ผลิตด้วยความแม่นยำในปัจจุบัน

ในปัจจุบัน การควบคุมกระบวนการที่เข้มงวดและการอัตโนมัติได้ลดความแปรปรวนของมนุษย์ออกไป ดังนั้น ตัวตัดวงจรสุญญากาศสมัยใหม่จึงมีอายุการใช้งานยาวนาน และความเครียดดีไอเอลทริกที่พวกมันสร้างขึ้นกับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อไม่เลวไปกว่าตัวตัดวงจรแม่เหล็กอากาศหรือตัวตัดวงจรน้ำมันแบบดั้งเดิม