Kuidas parandab vaakumkäigukaitse süsteemi usaldusväärsust

Vaakumkaitselülitite tööpõhimõte: miks vaakum võimaldab ületähtsust kaare kustutamist

Kaare kustutamise füüsika kõrgvaakumis: ioniseeritava keskkonna puudumine takistab elektronlavina

Kontaktide eraldumine rikke katkestamisel põhjustab metalli aurude iooniseerumist ja kaare teket. Kõrgvaakumskeskkonnas, tavaliselt alla 10^-4 torri, on peaaegu puuduvad gaasmolekulid, mida vajatakse elektronlavinate jätkumiseks. Kui vabadel elektronidel pole millega kokku põrkuda, ei saa nad tekitada neid sekundaarseid elektrone, mis muul juhul moodustaksid plasma. Enne seda, kui see plasma üldse stabiilseks saab, kondenseeruvad metalli aurud kiiresti tagasi kontaktide pinnale umbes 3 millisekundi jooksul. See kiire protsess võimaldab kiiret deioonimist ja vähendab oluliselt kontaktide kulutust aeglaselt. Selle erakordse tõhususe põhjuseks on see, et need süsteemid suudavad töötada rohkem kui 30 000 operatsiooni ilma hoolduseta. See on palju rohkem kui gaasi- või õlitäidetud alternatiivid suudavad, sest nende ioonimisprotsessid pikendavad tavaliselt kaareteket ja kiirendavad komponentide vananemist.

Dielektrilise taastumiskiirus: peaaegu hetkeline uuesti läbi löömise vastupanu võrreldes SF6-ga ja õhukatkestuslike alternatiividega

Vaakumkaitseklappide dielektriline taastumine algab vaid 10 mikrosekundi pärast seda, kui vool jõuab nullpunkti – see on umbes 200 korda kiirem kui SF6-kaitseklappidel ja ligikaudu 1000 korda kiirem kui vanadel õhupõhiste kaitseklappidel. Miks see nii toimub? Vaakumil on imeline omadus – selle sisemine dielektriline tugevus on umbes 40 kV/mm, samas kui SF6 puhul on see vaid 8 kV/mm. Lisaks ei teki mingit segavat lagunemisprodukte. Kui metalli aur hakkab kondenseeruma, puhastab see tegelikult kontaktlõhe kohe enne üleülemise taastumispinge tippväärtuse saavutamist. See aitab takistada soovimatuid tagasipõrkumisi ka siis, kui pingetõusukiirus on väga teravnurkne – kuni 20 kV mikrosekundis. Alternatiivsete lahenduste puhul võtab SF6-süsteemide gaaside ioonide neutraliseerimiseks 2–5 millisekundit, samas kui õhupõhiste seadmete puhul tekib sageli probleeme tüütute plasmaahelatega, mis püsivad kaua. Selle äärmiselt kiire taastumisaja tõttu on vaakumkaitseklapid eriti sobivad kõigiks kõrgsageduslikuks lülitamiseks, näiteks kondensaatoripankade juhtimiseks või tööstuslikus keskkonnas mootorite käivitamise reguleerimiseks.

Vaakumlülitite rikkepuhastuse jõudlus: kaitse kiirendamine usaldusväärsuse tõstmiseks

Aegruumi eelis: 15 ms kontaktide eraldumine vs. 60+ ms õli- ja õhulülitite puhul – soojuskoormuse ja rikke leviku vähendamine

Selle, kui kiiresti vaakumkaitselülitus töötab, tähtsus on suur, kui süsteemid esinevad elektrikahjustuste korral. Need lülitused eraldavad kontaktid umbes 15 millisekundiga, mis on tegelikult neli korda kiirem kui traditsioonilised õli- või õhulülitused, millel kulub selleks üle 60 ms. See kiirus tähendab, et nad vähendavad oluliselt elektriliste ülekoormuste kahjulikke tagajärgi. Kui tekib lühis, saavad juhtmed ja transformaatorid suure soojuskoormuse. Uuringud näitavad, et juhtmete temperatuur võib tõusta kuni 300 °C-ni vaid pool sekundi jooksul pärast kahjustuse tekkimist, mis kiirendab oluliselt isoleerimismaterjalide vananemist. Tegelik eelis tuleneb sellest, et voolu lülitatakse välja enne, kui see jõuab maksimaalse tugevuseni, mistõttu jääb soojuskahju piiratudks ning ei leviks teistesse elektrivõrgu osadesse. Miks see toimib? Sellepärast, et vaakumkatkestid toimivad oma tuumatasandil erinevalt. Kuna neis pole ühtegi materjali, mis saaks moodustada ioone, kaob elektrikaar 5–10 mikrosekundiga pärast kontaktide eraldumist. Ka töökohal tehtud tööstusaruannad kinnitavad neid eeliseid, näidates, et suured ahelreaktsioonid on vaakumlülitustega palju harvemad. Hooldusandmete kohaselt kestavad katkestused umbes 68% lühemalt kui vanemate tehnoloogiate puhul.

Vaakumlülitite pikaajaline usaldusväärsus: väike hooldusvajadus, kõrge vastupidavus, reaalmaailmas kinnitatud

Väljatõendused: EPRI 2022. aasta andmed näitavad alla 0,08 % rikkeprotsenti 25 000 toimingu jooksul — tingimusel, et järgitakse nii kontaktivahe kui ka vaakumiterviklikkuse jälgimist

Elektrienergia-uuringute instituudi (EPRI) 2022. aasta usaldusväärsusuuringute kohaselt on vaakumlülitite rikkeprotsent umbes 25 000 toimingu järel alla 0,08 %, mis on 3–5 korda parem kui õli- ja õhulülititel. Selle taseme saavutamine sõltub peamiselt kahest asjast: kontaktivahe säilitamisest ±0,2 mm piires ning vaakumiterviklikkuse kontrollimisest iga kolmanda kuu tagant magnetroni läbilaskekatse abil. Seadmed, mis järgivad neid hooldusnõudeid, võivad oma tõhusust säilitada ka üle 100 000 mehaanilise tsükli. See tähendab, et ei ole enam vaja muretseda vedeliku täitmise üle nagu õli- või SF6-süsteemides, mis aeglaselt säästab nii aega kui ka raha.

Adopteerimistrend: 82 % uutest keskpinge alajaamadest (2020–2023) määravad vaakumlüliti kasutamise vastavalt CIGRE TB 892

Viimased andmed CIGRE tehnilisest brošüürist nr 892 näitavad, et energiasektoris toimub hetkel midagi huvitavat. Umbes 82 protsenti kõigist 2020–2023 aastatel maailmas ehitatud uutest keskpinge alajaamadest kasutavad standardse varustusena vaakumlüliteid. Miks? Need seadmed on tõestanud oma usaldusväärsust umbes 25 aasta pikkuse teeninduselueaga, mis on peaaegu kaks korda pikem kui traditsiooniliste õhupõhiste süsteemide puhul. Lisaks nõuavad nad aastas oluliselt vähem hooldustööd, vähendades hooldusajat umbes 90 protsenti. Kui ettevõtted analüüsivad elutsükli kulusid, siis arvutused kaasaegses kontekstis sobivad hästi kokku. Energiateenusepakkuja üle maailma saavad vaakumtehnoloogia kasutamisel umbes 40-protsendilise säästu võrreldes gaasisisaldavate alternatiividega. Seetõttu on vaakumlülid muutumas kuldstandardiks usaldusväärseks tööks kriitilistes infrastruktuuriprojektides, kus katkestused lihtsalt ei ole lubatud.

Võrdlev usaldusväärsusanalüüs: vaakumlülitid vs. tavatehnoloogiad

Vaakumlülitid on lihtsalt usaldusväärsemad kui traditsioonilised õli- või õhulülitid, nagu on tõestatud reaalmaailmas toimunud katsetega paljudes erinevates paigaldustes üle kogu maailma. Hermeetilise vaakumkambri konstruktsioon lahendab korraga mitmeid probleeme – ei toimu oksüdatsiooni, sees pole põlevaid materjale ja ühtegi ainet ei leake keskkonda saastama. See tähendab vähem tulekahju ja palju vähem seiskumisaega hoolduseks, mis on vanemate õlisüsteemide pidev probleem. Traditsiooniliste lülitite puhul on vaja regulaarselt vahetada vedelikke ja hoolikalt hallata gaase, kuid vaakumlülitid töötavad teisiti. Nende eriline kaare kustutamise protsess ei tooda kahjulikke kemikaale nende kuluvuse tõttu. Neid eeliseid – ohutus, reageerimiskiirus ja eluiga – arvestades on enamik 2020.–2023. aastal ehitatud kaasaegsetest keskmise pinge alajaamadest alustanud vaakumtehnoloogia määramist vastavalt tööstusjuhistele. Väljakatsete andmed 2022. aastast näitavad, et need lülitid lähevad rikki vähem kui ühe korra tuhandis operatsioonis pärast umbes 25 000 tsüklit, mis on seatnud uue standardi selle kohta, mida ootame elektriseadmetelt pikaajaliselt.