Kaip vakuumo jungiklis padidina sistemos patikimumą

Vakuumo grandinės pertraukiklio veikimo principas: kodėl vakuumas užtikrina aukštesnį lanko gesinimo lygį

Fizika: lanko gesinimas aukšto vakuumo sąlygomis – jonizuojamos aplinkos nebuvimas slopina elektronų audrą

Kontaktų atskyrimas gedimo pertraukos metu sukelia metalo garų jonizaciją ir lankinės iškrovos susidarymą. Aukšto vakuumo aplinkoje, paprastai mažesnėje nei 10⁻⁴ torro, beveik nėra dujų molekulių, reikalingų elektronų lavinos palaikymui. Kai laisviems elektronams nėra su kuo susidurti, jie negali sukurti antrinių elektronų, kurie kitu atveju sukurtų plazmą. Dar prieš tai, kol ši plazma taps stabilioji, metalo garai per maždaug 3 milisekundes greitai kondensuojasi atgal ant kontaktų paviršių. Šis greitas procesas leidžia greitai pašalinti jonizuotąją aplinką ir žymiai sumažina kontaktų ausimą laikui bėgant. Šio sprendimo efektyvumą lemia tai, kad tokios sistemos gali atlaikyti daugiau nei 30 tūkstančių veiksmų be techninės priežiūros. Tai žymiai viršija dujų arba alyva užpildytų alternatyvų galimybes, nes jų jonizacijos procesai ilgina lankinės iškrovos trukmę ir pagreitina komponentų nusidėvėjimą.

Dielektrinės atstatymo našumo greitis: beveik akimirkinė pakartotinės iškrovos atsparumas palyginti su SF₆ ir oru veikiančiomis alternatyvomis

Vakuumo pertraukikliai dielektrinę atstatymo procesą pradeda tik po 10 mikrosekundžių nuo srovės pasiekimo nulinės reikšmės, kas yra apytikriai 200 kartų greičiau nei SF6 pertraukikliai ir maždaug 1000 kartų greičiau nei senieji oro pertraukikliai. Kodėl taip nutinka? Na, vakuumas turi nuostabią savybę – savitąją dielektrinę stiprybę, kuri siekia apie 40 kV/mm, palyginti su tik 8 kV/mm SF6 atveju. Be to, čia nėra nepatogios cheminių skilimo produktų, kurie gali sutrikdyti veikimą. Kai metalo garai pradeda kondensuotis, jie iš tikrųjų išvalo kontaktų tarpą būtent prieš tai, kol laikinosios atstatomosios įtampos pasiekia savo viršūnę. Tai padeda supresuoti netikėtus pakartotinius užsidegimus net esant labai staigiam įtampos kilimui, siekiančiam iki 20 kV per mikrosekundę. Palyginus su kitomis technologijomis, SF6 sistemoms reikia nuo 2 iki 5 milisekundžių dėl dujų dezjonizacijos procesų, o oro pertraukikliams būdingos problemos, susijusios su nepatogiais plazmos kanalais, kurie lieka ilgesnį laiką. Dėl šio neįtikėtinai greito dielektrinio atstatymo laiko vakuumo grandinės pertraukikliai išsiskiria kaip pagrindinis sprendimas įvairioms aukšto dažnio jungimo užduotims, pvz., kondensatorių bankų valdymui ar variklių paleidimui įvairiose pramonės srityse.

Vakuumo jungiklio gedimų šalinimo našumas: apsaugos pagreitinimas, kad būtų padidinta patikimumo lygis

Laiko srities pranašumas: 15 ms kontaktų atskyrimas prieš 60+ ms skystojo ir oro jungiklių – sumažinamas šiluminis įtempimas ir gedimų plitimas

Tai, kiek greitai veikia vakuumo grandinės pertraukiklis, lemia viską, kai sistemos susiduria su elektrinėmis gedimų būsenomis. Šie pertraukikliai atskiria kontaktus per apytiksliai 15 milisekundžių – tai iš tikrųjų keturis kartus greičiau nei tradiciniai aliejiniai ar oriniai modeliai, kuriems reikia daugiau nei 60 ms. Toks greitis reiškia, kad jie žymiai sumažina elektrinių viršįtampių žalingą poveikį. Kai įvyksta trumpieji jungimai, laidai ir transformatoriai patenka į didžiulį šilumos kaupimąsi. Tyrimai rodo, kad laidų temperatūra gali pakilti net 300 °C per tik pusę sekundės nuo gedimo pradžios, dėl ko izoliacinės medžiagos senėja žymiai greičiau. Tikroji nauda slypi galimybėje nutraukti srovės tekėjimą dar prieš tai pasiekiant maksimalią stiprumo reikšmę, todėl šiluminė žala lieka lokalizuota ir neplinta į kitas elektros tinklo dalis. Kodėl tai veikia? Todėl, kad vakuumo pertraukikliai veikia esminiu lygiu kitaip. Kadangi jų viduje nėra jokios medžiagos, kuri galėtų sukurti jonų, elektrinis lankas išnyksta per 5–10 mikrosekundžių po to, kai kontaktai atsiskiria. Šiuos privalumus patvirtina ir pramonės lauko ataskaitos, kuriose nurodoma, kad su vakuumo pertraukikliais daug retesni dideli grandininiai gedimai. Remiantis įvairių įrengimų techninės priežiūros įrašais, nutraukimų trukmė yra apytiksliai 68 % trumpesnė nei su senesnėmis technologijomis.

Vakuuminio jungiklio ilgalaikė patikimumo charakteristika: maža priežiūros našta, didelis ištvermingumas, tikrojo pasaulio patvirtinimas

Lauko duomenys: EPRI 2022 m. duomenys rodo <0,08 % gedimo dažnį po 25 000 veiksmų – sąlyginai priklausomai nuo tinkamo kontaktų tarpelio ir vakuumo vientisumo stebėjimo

Pagal Elektros energijos tyrimų instituto (EPRI) 2022 m. patikimumo tyrimų rezultatus, vakuominiai jungikliai po apytiksliai 25 000 veiksmų turi mažesnį nei 0,08 % gedimo dažnį, kas yra 3–5 kartus geriau nei alyviniai ir oriniai jungikliai. Tokios naštos pasiekimas priklauso daugiausia nuo dviejų dalykų: kontaktų tarpelio palaikymo ±0,2 mm ribose ir vakuumo vientisumo tikrinimo kas tris mėnesius magnetroninės išlydos bandymais. Įranga, kuriai taikomos šios priežiūros taisyklės, gali veikti be nuostolių efektyvumo net daugiau kaip 100 000 mechaninių ciklų. Tai reiškia, kad nebėra reikalo nerimauti dėl skysčių papildymo, kaip tai būna su alyvinėmis ar SF6 sistemomis, todėl ilguoju laikotarpiu sutaikoma tiek laiko, tiek pinigų.

Priėmimo tendencija: 82 % naujų vidutinės įtampos transformatorinių pastotelių (2020–2023 m.) nurodo vakuumines jungiklių sistemą pagal CIGRE TB 892

Naujausieji CIGRE techninės brošiūros Nr. 892 duomenys rodo, kad šiuo metu elektros energijos sektoriuje vyksta kažkas įdomaus. Apie 82 proc. visų 2020–2023 m. pastatytų naujų vidutinės įtampos transformatorinių pastotelių visame pasaulyje kaip standartinę įrangą naudoja vakuumines jungiklių sistemas. Kodėl? Na, šios įrangos tarnavimo trukmė yra apie 25 metus – tai beveik dvigubai ilgiau nei tradicinių alyvinių sistemų. Be to, joms reikia daug mažiau techninės priežiūros kasmet – techninės priežiūros valandos sumažėja maždaug 90 %. Kai įmonės vertina viso gyvavimo ciklo sąnaudas, skaičiavimai taip pat susiklosto. Elektros energijos tiekėjai visame pasaulyje, palygindami vakuumines sistemas su dujinėmis izoliuotomis sistemomis, pastebi apie 40 % sąnaudų sumažėjimą. Todėl vakuuminės jungiklių sistemos tampa aukso standartu patikimam veikimui kritinės infrastruktūros projektuose, kur netrukdomas veikimas tiesiog neįmanomas.

Palyginamasis patikimumo analizė: vakuumo jungiklis prieš įprastas technologijas

Vakuumo jungikliai yra paprasčiausiai patikimesni nei tradiciniai aliejiniai ar oru veikiantys modeliai, kaip tai patvirtina realaus pasaulio naudojimo rezultatai daugelyje įvairių įrengimų visame pasaulyje. Užsandarintos vakuumo kameros konstrukcija vienu metu pašalina kelias problemas – nevyksta oksidacija, viduje nėra degių medžiagų ir niekas nepateksta į aplinką, todėl ji nesuteršiama. Tai reiškia mažiau gaisrų ir žymiai mažiau prastovų dėl techninės priežiūros, kuriomis taip dažnai kenčia senesni aliejiniai sistemos. Tradiciniai jungikliai reikalauja reguliarių skysčių keitimo ir atidžios dujų valdymo, tačiau vakuumo jungikliai veikia kitaip. Jų specialus lankui gesinti skirtas procesas neatskiria pavojingų cheminių medžiagų, kai jie laikui bėgant dėvėjasi. Dėl šių privalumų saugumo, reagavimo greičio ir tarnavimo trukmės dauguma modernių vidutinės įtampos transformatorinių pastotės, pastatytų tarp 2020 ir 2023 metų, pradėjo nurodyti vakuumo technologiją pagal pramonės rekomendacijas. Lauko bandymai, atlikti 2022 metais, parodė, kad šie jungikliai sugenda mažiau nei vieną kartą per tūkstantį operacijų po apytiksliai 25 000 ciklų, kas nustatė naują etaloną, kurio tikimės nuo elektros įrangos ilguoju laikotarpiu.