Análisis y Discusión sobre la Falla del Eje Principal del Interruptor de Circuito por Vacío en el Mecanismo EIB

Un interruptor de circuito de vacío es un tipo de interruptor en el que tanto el medio de extinción del arco como el medio aislante en la brecha entre los contactos después de la extinción del arco son vacío. Como unidad de protección y control para equipos eléctricos y equipos accionados por electricidad en empresas industriales y mineras, los interruptores de circuito de vacío de alta tensión para interior tienen diversas aplicaciones y pueden instalarse en gabinetes fijos, gabinetes montados en el centro y gabinetes dobles. Como dispositivo eléctrico crucial entre los equipos de conmutación, los interruptores de circuito de alta tensión son adecuados para lugares que requieren operaciones frecuentes a corriente de trabajo nominal o múltiples interrupciones de corriente de cortocircuito.

Este documento analiza el problema del interruptor del IEE-Business de circuito de vacío que no se abre o cierra correctamente debido a una operación frecuente. A través de experimentos, se encuentra que la caída del resorte de disparo en el lado derecho del eje principal es la causa de que el interruptor de circuito no se abra o cierre correctamente. Se propone una medida de mejora de instalar arandelas de ajuste para garantizar el funcionamiento normal del interruptor de circuito, lo cual tiene cierta relevancia para la construcción segura de la producción empresarial.

Estructura del Interruptor de Circuito de Vacío

Un interruptor de circuito de vacío se compone principalmente de componentes como la cámara de extinción de arcos de vacío, el mecanismo de operación y el soporte.

Cámara de Extinción de Arcos de Vacío

También conocida como tubo de conmutación de vacío, el principio de funcionamiento de la cámara de extinción de arcos de vacío es utilizar la excelente propiedad aislante del medio de vacío dentro del tubo, permitiendo que el circuito de media y alta tensión extinga rápidamente el arco y corte la corriente después de que se interrumpe el suministro de energía. Sus estructuras principales son las siguientes:

• Sistema de Aislamiento Hermético: Este es un contenedor cerrado en un entorno de vacío, compuesto principalmente por un cilindro de aislamiento hermético, una placa de cubierta móvil, una placa de cubierta fija y un fuelle de acero inoxidable. Para garantizar la estanqueidad, se requieren procesos de operación estrictos para las uniones de sellado. Además, se necesitan materiales con una permeabilidad al aire extremadamente baja, y la cantidad de gas liberado internamente también debe limitarse a un valor mínimo.

• Sistema Conductor: Está compuesto principalmente por un electrodo fijo y un electrodo móvil. El electrodo fijo incluye un contacto fijo, un varilla conductora fija y una superficie de deslizamiento de arco fija, mientras que el electrodo móvil incluye un contacto móvil, una varilla conductora móvil y una superficie de deslizamiento de arco móvil. Los tipos de estructura de contacto se pueden dividir aproximadamente en el tipo de campo magnético transversal con una superficie de deslizamiento de arco en forma de ranura espiral, el tipo de campo magnético longitudinal y el tipo cilíndrico. El mecanismo de operación hace que los dos contactos se cierren a través del movimiento de la varilla conductora móvil, completando así la conexión del circuito.

• Sistema de Pantalla: Está compuesto principalmente por un cilindro de pantalla, una cubierta de pantalla y otros dispositivos. Actualmente, las cubiertas de pantalla comúnmente utilizadas incluyen tipos como la cubierta de pantalla de fuelle y la cubierta de pantalla principal que rodea los contactos. La cubierta de pantalla principal puede reducir la intensidad del campo local, mejorar la uniformidad de la distribución del campo eléctrico interno de la cámara de extinción de arcos, lo cual es favorable para la miniaturización de la cámara de extinción de arcos de vacío. Al mismo tiempo, puede prevenir que los productos del arco salpican en la pared interna de la carcasa aislante durante el proceso de arco, asegurando que el efecto aislante de la carcasa no se vea afectado por la descarga de arco. También puede absorber la energía del arco, condensar los productos del arco y acelerar la recuperación de la resistencia dieléctrica en la brecha post-arco.

Mecanismo de Operación

Diferentes tipos de interruptores de circuito utilizan diferentes mecanismos de operación. Los mecanismos de operación comúnmente utilizados incluyen mecanismos de operación de resorte, mecanismos de almacenamiento de energía de resorte IEE-Business, mecanismos de almacenamiento de energía de resorte CT8, mecanismos de almacenamiento de energía de resorte CT19, mecanismos de operación electromagnética CD10, mecanismos de operación electromagnética CD17, etc. Entre ellos, el mecanismo de operación de resorte tiene las ventajas de ser de pequeño tamaño, tener una corriente de cierre pequeña y alta confiabilidad, y actualmente se utiliza ampliamente en equipos de conmutación de diferentes niveles de voltaje.

Función y Principio del Interruptor de Circuito de Vacío

Función y Características

Bajo condiciones de funcionamiento normales, un interruptor de circuito de vacío que cumple con el rango de parámetros técnicos puede garantizar su funcionamiento seguro y confiable en la red eléctrica del nivel de voltaje correspondiente. La vida útil mecánica de un interruptor de circuito de vacío es de aproximadamente 20,000 veces, y el número de interrupciones de corriente de cortocircuito a plena capacidad es de 50 veces. Puede operarse con frecuencia o interrumpir la corriente de cortocircuito varias veces dentro del rango de corriente de trabajo. Los interruptores de circuito de vacío de alta tensión tienen las ventajas de alta confiabilidad, operación todo el año, sin mantenimiento, funciones completas, buena intercambiabilidad y versatilidad fuerte, y pueden aplicarse a operaciones de recierre con diversas características. Los interruptores de circuito de vacío adoptan un cilindro de aislamiento vertical y una estructura de polo sólido integrada - polos de sellado sólido, que pueden resistir la influencia de diversos entornos especiales y son libres de mantenimiento. Al mismo tiempo, los interruptores de circuito de vacío tienen múltiples métodos de uso, que pueden instalarse de manera fija, usarse de manera extraíble o instalarse en un bastidor.

Introducción al Principio

Cuando los contactos móviles y fijos de un interruptor de circuito de vacío se abren mientras están cargados, se generará un arco de vacío entre los contactos. El arco eleva la temperatura superficial de los contactos, causando que aparezca vapor metálico en la superficie del contacto. Basándose en la forma especial de los contactos, cuando la corriente pasa, bajo la acción del campo magnético que genera, el arco se mueve rápidamente en la dirección tangencial de la superficie del contacto. El vapor metálico y las partículas cargadas en el pilar del arco se difunden continuamente hacia afuera, y la densidad del vapor metálico y las partículas cargadas sigue disminuyendo. Cuando el arco pasa naturalmente por cero, el medio entre los contactos se recupera rápidamente de conductor a aislante, la corriente se corta y el arco se extingue.

Resumen y Análisis de Causas de Fallos

Analizando la situación en la que el interruptor de circuito de vacío no se abre o no se abre completamente debido a una operación frecuente, la inspección en el sitio revela que el perno en el extremo derecho del eje principal del interruptor se cae, causando que el resorte de disparo derecho caiga y se atasque en el eje principal al mismo tiempo. El mecanismo de disparo depende solo del resorte de disparo en el lado izquierdo del eje principal, resultando en que el interruptor no se abra completamente. Aunque la probabilidad de que ocurra este fallo es relativamente pequeña, su ocurrencia aún puede llevar a accidentes de seguridad en la producción. Por lo tanto, es necesario analizar la causa del fallo, eliminar los peligros potenciales y garantizar la producción segura.

Solución y Plan de Verificación

Los tornillos que fijan los resortes de disparo en ambos lados del eje principal del interruptor del mecanismo IEE-Business son tornillos comunes + arandelas de resorte (ver Figura 1). Después de años de operación frecuente del interruptor, el tornillo que fija el resorte de disparo en el lado derecho del eje principal se cae debido a la vibración, causando que el resorte de disparo derecho caiga y se atasque en el eje principal al mismo tiempo. El mecanismo de disparo depende solo del resorte de disparo en el lado izquierdo del eje principal, resultando en que el interruptor no se abra completamente. A través de la investigación en el sitio, se encuentra que hay una diferencia de longitud axial de aproximadamente 4 mm entre el eje de spline en el lado derecho del eje principal y la carcasa exterior, y la tapa final ha deformado y hundido hacia adentro (ver Figura 2). En respuesta a este fallo, es decir, el fallo del interruptor de circuito causado por la caída del resorte de disparo debido al aflojamiento del perno final del eje principal de cierre y apertura, para verificar, se vuelve a ensamblar un interruptor de circuito con una estructura correspondiente para la simulación del fallo:

Ajustar la longitud axial entre el eje de spline en el lado derecho del eje principal de este interruptor de circuito simulado y la carcasa exterior para crear un espacio de aproximadamente 4 mm (ver Figura 3), y usar una llave dinamométrica para apretarlo con un par de 45 Nm. Empujarlo en la cámara de rodaje mecánica para la rodaje mecánica. La lectura inicial del contador es 26 veces, y la tapa final muestra un fenómeno de hundimiento ligero después de apretar. El proceso se muestra en la Figura 4.

En conclusión, cuando el par especificado es de 45 Nm, incluso si la longitud axial entre la manga del eje y el eje de spline alcanza 4 mm y la tapa final está deformada y hundida, permanece bien fijada hasta más de 2,200 operaciones. Luego, se procede a la verificación de la segunda etapa.

Ajustar la longitud axial entre el eje de spline en el lado derecho del eje principal de este interruptor de circuito simulado y la carcasa exterior para crear un espacio de 4 mm. Usar una llave dinamométrica para apretarlo con un par de 35 Nm, y usar la tapa final deformada y hundida de la etapa 1. Marcarla con una línea de rayado. Empujarlo en la cámara de rodaje mecánica para la rodaje mecánica. La cuenta inicial es 2,252. En resumen, cuando el par es de 35 Nm, incluso si la longitud axial entre la manga del eje y el eje de spline alcanza 4 mm y la tapa final está deformada y hundida, permanece bien fijada hasta más de 1,887 operaciones. Luego, se procede a la verificación de la tercera etapa (ver Figura 6).

Ajustar la longitud axial entre el eje de spline en el lado derecho del eje principal de este interruptor de circuito simulado y la carcasa exterior para crear un espacio de 4 mm. Usar una llave dinamométrica para apretarlo con un par de 20 Nm, y usar la tapa final deformada y hundida de la tercera etapa. Marcarla con una línea de rayado. Empujarlo en la cámara de rodaje mecánica para la rodaje mecánica. La cuenta inicial es 4,139 (ver Figura 7).

En conclusión, cuando el par es de 20 Nm, incluso si la longitud axial entre la manga del eje y el eje de spline alcanza 4 mm y la tapa final está deformada y hundida, permanece bien fijada hasta más de 1,671 operaciones. Luego, se procede a la verificación de la cuarta etapa (ver Figura 8 y Figura 9).

Ajustar la longitud axial entre el eje de spline en el lado derecho del eje principal de este interruptor de circuito simulado y la carcasa exterior para crear un espacio de 4 mm. Usar una llave dinamométrica para apretarlo con un par de 10 Nm, y usar la tapa final deformada y hundida de la cuarta etapa. Marcarla con una línea de rayado. Empujarlo en la cámara de rodaje mecánica para la rodaje mecánica. La cuenta inicial es 5,810 (ver Figura 10).

Durante el proceso de prueba, se encontró que cuando el contador llegó a 551 operaciones, la tapa final comenzó a girar ligeramente en relación con la posición inicial (ver Figura 11); cuando la cuenta aumentó a 820 operaciones, la tapa final giró ligeramente en relación con la posición en 551 operaciones (ver Figura 12); cuando la cuenta llegó a 1122 operaciones, el resorte de disparo estaba visiblemente suelto a simple vista (ver Figura 13); cuando la cuenta aumentó a 1261 operaciones, el resorte de disparo se cayó (ver Figura 14).

Resumen del Proceso de Prueba

El diseño del eje principal del mecanismo de operación de resorte IEE-Business se basa en el diseño de la empresa belga IEE-Business. Después de que los brazos de manivela se posicionan con precisión, los pernos en ambos lados se aprietan al valor de par especificado. Se utilizan arandelas de resorte (hechas de acero de resorte) para antideslizamiento mediante fricción. Después del ensamblaje, las arandelas se aplanan, y su fuerza de rebote mantiene la fuerza de agarre y la fricción entre los hilos. Este diseño de estructura del eje principal y las medidas de antideslizamiento se demostraron confiables en pruebas de vida mecánica de tipo en el Instituto de Investigación Eléctrica de China (CEPRI).

Problemas Iniciales del Eje Principal del Mecanismo IEE-Business

En el proceso de ensamblaje inicial, los trabajadores tenían que ajustar mangas de diferentes grados de tolerancia para equilibrar las dimensiones, lo que hacía que la calidad del ensamblaje fuera inconsistente y difícil de controlar. Después de que el eje principal del interruptor de circuito se ensamblaba, los errores acumulativos causaban desviaciones de longitud axial entre el eje de spline interno y la manga externa. Cuando los pernos se apretaban al par especificado, el centro de las tapas finales se hundía hacia adentro. Dado que las tapas finales están hechas de materiales elásticos no de acero de resorte, no pueden recuperarse después de la deformación. Además, la manga del eje puede arrastrarse debido a los impactos durante la operación, lo que puede reducir gradualmente el par de apriete de los pernos (sin cambios obvios en los elementos de fijación como pernos y tapas finales hasta que el par se debilita significativamente). El mantenimiento convencional también lucha para aplicar suficiente par con llaves comunes. Finalmente, cuando el par cae por debajo de 10 Nm, las tapas finales aceleran el aflojamiento, destruyendo el efecto antideslizante de las arandelas de resorte.