Analýza a diskuse o výpadku hlavního hřídele vakuového vypínače v mechanizmu EIB

Vakuový vypínač je typ vypínače, kde jak prostředí pro uhašení oblouku, tak izolační prostředí mezi styky po uhašení oblouku jsou vakuem. Jako ochranná a kontrolní jednotka pro elektrické zařízení a pohon v průmyslových a těžebních podnicích mají vnitřní střídavé vysokonapěťové vakuové vypínače různé aplikace a mohou být instalovány ve stacionárních skříních, středových skříních a dvojvrstvých skříních. Mezi klíčové elektrické zařízení mezi přepínači patří vysokonapěťové vypínače, které jsou vhodné pro místa, kde je potřeba častého provozu za nominálním pracovním proudem nebo opakovaného přerušení krátkozávodního proudu.

Tento článek analyzuje problém s vypínačem IEE-Business vakuového vypínače, který kvůli častému provozu nesprávně otevírá nebo zavírá. Přes experimenty bylo zjištěno, že příčinou selhání vypínače při otevírání nebo zavírání je odpadnutí pružiny na pravé straně hlavního hřídele. Navrhuje se zlepšení tím, že se nainstalují úpravné podsadky, aby se zajistil normální provoz vypínače, což má určitou referenční hodnotu pro bezpečnostní stavbu výroby podniku.

Struktura vakuového vypínače

Vakuový vypínač se hlavně skládá z komponent, jako je vakuová komora pro uhašení oblouku, ovládací mechanizmus a nosná konstrukce.

Vakuová komora pro uhašení oblouku

Také známá jako vakuová spínačová trubice, princip fungování vakuové komory pro uhašení oblouku spočívá v využití vynikajících izolačních vlastností vakuového prostředí uvnitř trubice, což umožňuje rychlé uhašení oblouku a přerušení proudu v středním a vysokém napětí po odpojení zdroje. Její hlavní struktury jsou následující:

• Hermetyční izolační systém: Jedná se o uzavřený kontejner v vakuovém prostředí, který se skládá ze hermetického izolačního válce, pohyblivého koncového víka, pevného koncového víka a nerezového plošného ložiska. Pro zajištění hermetičnosti jsou vyžadovány přísné pracovní postupy pro spoje. Kromě toho jsou potřebné materiály s extrémně nízkou propustností vzduchu a musí být také omezeno množství uvolněných plynů na minimální hodnotu.

• Vodičový systém: Skládá se zejména z pevného elektrodu a pohyblivého elektrodu. Pevný elektrod zahrnuje pevný kontakt, pevný vodič a pevnou povrchovou vrstvu pro běh oblouku, zatímco pohyblivý elektrod zahrnuje pohyblivý kontakt, pohyblivý vodič a pohyblivou povrchovou vrstvu pro běh oblouku. Struktury kontaktů lze hrubě rozdělit na transverzální magnetické pole s šroubové drážkou pro běh oblouku, longitudinální magnetické pole a válcový typ. Ovládací mechanismus umožňuje oběma kontaktům se spojit pohybem pohyblivého vodiče, čímž se dokončí spojení obvodu.

• Systém ochrany: Skládá se zejména z ochranného válce, ochranného víka a dalších zařízení. Aktuálně se často používají ochranné víka, jako jsou plošné ložiskové ochranné víko a hlavní ochranné víko obklopující kontakty. Hlavní ochranné víko může snížit lokální pole intenzity, zlepšit rovnoměrnost vnitřního elektrického pole v komoře pro uhašení oblouku, což je výhodné pro minimalizaci vakuové komory pro uhašení oblouku. Současně může zabránit spláchnutí produktů oblouku na vnitřní stěnu izolační obálky během procesu obloukování, což zajišťuje, že izolační efekt obálky není ovlivněn výbojem oblouku. Může také absorbovat energii oblouku, kondenzovat produkty oblouku a urychlit obnovu dielektrické síly v mezera po oblouku.

Ovládací mechanismus

Různé typy vypínačů používají různé ovládací mechanismy. Běžně používané ovládací mechanismy zahrnují pružinové ovládací mechanismy, IEE-Business pružinové akumulační ovládací mechanismy, CT8 pružinové akumulační ovládací mechanismy, CT19 pružinové akumulační ovládací mechanismy, CD10 elektromagnetické ovládací mechanismy, CD17 elektromagnetické ovládací mechanismy atd. Mezi nimi má pružinový ovládací mechanismus výhody malých rozměrů, malého zavíracího proudu a vysoké spolehlivosti a je v současné době široce používán v přepínačích různých napěťových stupňů.

Funkce a princip vakuového vypínače

Funkce a charakteristiky

Pod normálními pracovními podmínkami může vakuový vypínač, který splňuje rozsah technických parametrů, zajistit svůj bezpečný a spolehlivý provoz v elektrické síti odpovídajícího napěťového stupně. Mechanický život vakuového vypínače je přibližně 20 000 cyklů a počet přerušení plné kapacity krátkozávodního proudu je 50. Lze ho často používat nebo opakovaně přerušovat krátkozávodní proud v rozsahu pracovního proudu. Vysokonapěťové vakuové vypínače mají výhody vysoké spolehlivosti, provozu všední i noční, bez údržby, kompletních funkcí, dobré zaměnitelnosti a univerzálnosti a mohou být použity pro opakovací operace s různými charakteristikami. Vakuové vypínače používají vertikální izolační válec a pevnou integrovanou izolační strukturu - integrované pevně uzavřené polosloupy, které mohou odolat vlivu různých speciálních prostředí a jsou bez údržby. Zároveň mají vakuové vypínače několik způsobů použití, mohou být instalovány stacionárně, používány vysouvacím způsobem nebo instalovány na rámu.

Úvod do principu

Když jsou pohyblivý a statický kontakt vakuového vypínače otevřeny za nabitého stavu, mezi kontakty vznikne vakuový oblouk. Oblouk zvyšuje povrchovou teplotu kontaktů, což vede k vzniku kovové páry na povrchu kontaktů. Na základě specifického tvaru kontaktů, když proud prochází, oblouk se rychle pohybuje podél tečny k povrchu kontaktu pod vlivem magnetického pole, které generuje. Kovová pára a nabitá částice v sloupci oblouku se neustále rozptylují ven, hustota kovové páry a nabitých částic se neustále snižuje. Když oblouk přirozeně projde nulou, prostředí mezi kontakty se rychle obnoví z vodiče na izolátor, proud je přerušen a oblouk je uhašen.

Souhrn a analýza příčin poruchy

Analýza situace, kdy vakuový vypínač kvůli častému provozu nesprávně otevírá nebo neotevírá úplně, ukazuje, že na místě bylo zjištěno, že šroub na pravém konci hlavního hřídele vypínače odpadl, což vedlo k tomu, že pravá pružina pro otevírání spadla a zasekla se na hlavním hřídeli. Mechanismus otevírání závisí pouze na pružině pro otevírání na levé straně hlavního hřídele, což vede k tomu, že vypínač neotevírá úplně. Ačkoli pravděpodobnost výskytu této poruchy je relativně malá, její výskyt může stále vést ke nehodám v bezpečnosti výroby. Proto je třeba analyzovat příčinu poruchy, odstranit potenciální bezpečnostní rizika a zajistit bezpečnou výrobu.

Řešení a plán ověření

Šrouby upevňující pružiny pro otevírání na obou stranách hlavního hřídele vypínače s mechanismem IEE-Business jsou běžné šrouby + pružinové podložky (viz obrázek 1). Po letech častého provozu vypínače došlo k tomu, že šroub upevňující pružinu pro otevírání na pravé straně hlavního hřídele odpadl kvůli vibracím, což vedlo k tomu, že pravá pružina pro otevírání spadla a zasekla se na hlavním hřídeli. Mechanismus otevírání závisí pouze na pružině pro otevírání na levé straně hlavního hřídele, což vede k tomu, že vypínač neotevírá úplně. Při místním vyšetřování bylo zjištěno, že existuje axiální délkový rozdíl přibližně 4 mm mezi ozubeným hřídelem na pravé straně hlavního hřídele a vnější obálkou, a koncové víko se deformovalo a zapadlo doprostřed (viz obrázek 2). V reakci na tuto poruchu, tj. selhání vypínače způsobené odpadnutím pružiny pro otevírání kvůli uvolnění koncového šroubu hlavního hřídele pro zavírání a otevírání, byl pro simulaci poruchy znovu sestaven vypínač s odpovídající strukturou:

Upravte axiální délku mezi ozubeným hřídelem na pravé straně hlavního hřídele tohoto simulovaného vypínače a vnější obálkou, abyste vytvořili mezera přibližně 4 mm (viz obrázek 3), a použijte momentový klíč k utažení s momentem 45 Nm. Vložte ho do mechanické chambry pro behovou jízdu. Počáteční číslo čítače je 26, a po utažení se koncové víko mírně zapadlo. Proces je znázorněn na obrázku 4.

Závěrem, když je stanovený moment 45 Nm, i když axiální délka mezi ložiskem a ozubeným hřídelem dosáhne 4 mm a koncové víko se deformuje a zapadne, zůstane pevně utaženo až po více než 2 200 cyklech. Poté následuje ověření druhé fáze.

Upravte axiální délku mezi ozubeným hřídelem na pravé straně hlavního hřídele tohoto simulovaného vypínače a vnější obálkou, abyste vytvořili mezera 4 mm. Použijte momentový klíč k utažení s momentem 35 Nm a použijte deformované a zapadlé koncové víko z fáze 1. Označte ho s řeznou linkou. Vložte ho do mechanické chambry pro behovou jízdu. Počáteční počet je 2 252. Závěrem, když je moment 35 Nm, i když axiální délka mezi ložiskem a ozubeným hřídelem dosáhne 4 mm a koncové víko se deformuje a zapadne, zůstane pevně utaženo až po více než 1 887 cyklech. Poté následuje ověření třetí fáze (viz obrázek 6).

Upravte axiální délku mezi ozubeným hřídelem na pravé straně hlavního hřídele tohoto simulovaného vypínače a vnější obálkou, abyste vytvořili mezera 4 mm. Použijte momentový klíč k utažení s momentem 20 Nm a použijte deformované a zapadlé koncové víko z třetí fáze. Označte ho s řeznou linkou. Vložte ho do mechanické chambry pro behovou jízdu. Počáteční počet je 4 139 (viz obrázek 7).

Závěrem, když je moment 20 Nm, i když axiální délka mezi ložiskem a ozubeným hřídelem dosáhne 4 mm a koncové víko se deformuje a zapadne, zůstane pevně utaženo až po více než 1 671 cyklech. Poté následuje ověření čtvrté fáze (viz obrázek 8 a obrázek 9).

Upravte axiální délku mezi ozubeným hřídelem na pravé straně hlavního hřídele tohoto simulovaného vypínače a vnější obálkou, abyste vytvořili mezera 4 mm. Použijte momentový klíč k utažení s momentem 10 Nm a použijte deformované a zapadlé koncové víko z čtvrté fáze. Označte ho s řeznou linkou. Vložte ho do mechanické chambry pro behovou jízdu. Počáteční počet je 5 810 (viz obrázek 10).

Během testovacího procesu bylo zjištěno, že když čítač dosáhl 551 cyklů, koncové víko začalo mírně rotovat vzhledem k počáteční pozici (viz obrázek 11); když se počet zvýšil na 820 cyklů, koncové víko mírně rotovat vzhledem k pozici 551 cyklů (viz obrázek 12); když se počet zvýšil na 1 122 cyklů, pružina pro otevírání byla viditelně volná na oko (viz obrázek 13); když se počet zvýšil na 1 261 cyklů, pružina pro otevírání spadla (viz obrázek 14).

Souhrn testovacího procesu

Návrh hlavního hřídele mechanismu IEE-Business je založen na návrhu belgické firmy IEE. Po přesné poloze ramen jsou šrouby na obou stranách utaženy na stanovenou hodnotu momentu. Pružinové podložky (vyráběné z pružné oceli) se používají k protiuvolňování prostřednictvím tření. Po montáži jsou podložky spláceny a jejich odrazová síla udržuje tlakovou sílu a tření mezi vlákny. Tento návrh struktury hlavního hřídele a protiuvolňovací opatření byl prokázán jako spolehlivý v mechanických životních typových testech v Čínském výzkumném institutu elektrické energie (CEPRI).

Rané procesní problémy hlavního hřídele mechanismu IEE

V raném montážním procesu museli pracovníci upravit roury různých tolerančních stupňů, aby vyrovnali rozměry, což vedlo k nejednotné a obtížně kontrolovatelné kvalitě montáže. Po montáži hlavního hřídele vypínače došlo k tomu, že kumulativní chyby způsobily axiální délkové odchylky mezi vnitřním ozubeným hřídelem a vnějším ložiskem. Když byly šrouby utaženy na stanovenou hodnotu momentu, střed koncového víka se zapadl doprostřed. Protože koncové víko je vyrobeno z nepružného elastického materiálu, nemůže se po deformaci obnovit. Kromě toho může ložisko hlavního hřídele kvůli dopadům během provozu kročit, což postupně snižuje moment utažení šroubů (bez zřetelných změn v součástech, jako jsou šrouby a koncové víko, dokud moment velmi nepoklesne). Běžná údržba také může mít potíže s aplikací dostatečného momentu pomocí běžných klíčů. Nakonec, když moment klesne pod 10 Nm, koncové víko urychlí uvolnění, což ničí protiuvolňovací efekt pružinových podložek.

Zlepšený proces

Pro eliminaci oslabení momentu způsobeného zapadnutím koncového víka byl proces upraven: po celkové montáži jsou jednotně přidány úpravné podsadky pro vyrovnání. Na šrouby se aplikuje lepidlo pro fixaci vláken, které jsou pak utaženy na 45 Nm pomocí momentového klíče. S nainstalovanými podsadkami již není prostor pro zapadnutí koncového víka. Koncové víko nebude postupně snižovat moment utažení kvůli plastické deformaci, což zajišťuje stabilní a spolehlivý provoz vypínače po celou dobu jeho životnosti za dostatečného momentu.

Opravná opatření

Pro vypínač s touto poruchou, jak je znázorněno na obrázku 15, nainstalujte úpravné podsadky. Po zarovnání koncové plochy vnitřního hlavního hřídele s vnějším ložiskem jej zafixujte šrouby. Aplikujte lepidlo pro fixaci vláken na šrouby a použijte momentový klíč k utažení na moment 45 Nm.

Pro prevenci výskytu takových událostí s nízkou pravděpodobností proveďte komplexní inspekci vypínačů, které byly uvedeny do provozu, a nainstalujte úpravné podsadky, aby se zajistilo, že vypínače uvedené do provozu budou fungovat správně a spolehlivě.

Závěr

Tento článek se zaměřuje na situaci, kdy vysokonapěťový střídavý vakuový vypínač nesprávně otevírá. Pomocí simulační analýzy a experimentálního ověření analyzuje příčiny odpadnutí pružiny pro otevírání. Bylo zjištěno, že podložka na konci se deformuje kvůli mezere hlavního hřídele a poté, po dlouhodobých vibrocích při zavírání a otevírání, pružina pro otevírání spadne, což vede k tomu, že vypínač neotevírá. Pro tento problém je navrženo řešení a detailně se ukazuje proveditelnost řešení. Jsou předložena odpovídající opravná opatření, aby byla odstraněna porucha, obnovena normální funkce vysokonapěťového vakuového vypínače a zajistila normální výrobu podniku.