ניתוח ודיון על תקלה של ציר ראשי במתג חשמלי בריק במנגנון EIB
מחברת מפסק תחת לחץ היא סוג של מפסק שבו הן החומר המכבה את הקשת חשמלית והן החומר המבודד בין הנוגעים לאחר כיבוי הקשת הם תחת לחץ. כיחידה להגנה ובקרה על ציוד חשמלי ומונע חשמל במכונות ותעשייה, מפסקים חשמליים תחת לחץ לתחום הפנימי יש שימושים מגוונים יכולים להותקן במגירות קבועות, מגירות אמצעיות ומגירות דו-שכבתיות. כמכשיר חשמלי חשוב בין מכשירי מתג, מפסקים חשמליים בעומסים גבוהים מתאימים לאזורי פעולה הדורשים פעולה תדירה בתפוקה מוערכת או מספר רב של התנתקויות זרם קצר.
מאמר זהניתוח את הבעיה של המפסק של IEE-Business מחברת תחת לחץ שלא נפתח או נסגר נכון עקב פעולה תדירה. דרך ניסויים נמצא שהקפיץ המתנדף על הצד הימני של הציר הראשי נופל הוא הגורם למפסק לא נפתח או נסגר נכון. הוצע פתרון שיפור של התקנת משטחי התאמה כדי להבטיח את פעולתו הנורמלית של המפסק, שיש לו משמעות מסוימת לבנייה בטוחה של ייצור עסקי.
מבנה מחברת תחת לחץ
מחברת תחת לחץ מורכבת בעיקר מהרכיבים הבאים: חדר כיבוי תחת לחץ, מנגנון פעולה ותמיכה.
חדר כיבוי תחת לחץ
ידוע גם בשם צינור מחברת תחת לחץ, עקרון העבודה של חדר הכיבוי תחת לחץ הוא לנצל את תכונות הבידודcellent של החומר תחת לחץ בתוך הצינור, המאפשר לכיבוי מהיר של הקשת ולניתוק הזרם אחרי ניתוק החשמל. המבנים העיקריים שלו הם כדלקמן:
מערכת בידוד סגורה: זהו מיכל סגור בסביבה תחת לחץ, מורכב בעיקר מגליל בידוד סגור, לוח סוף נייד, לוח סוף קבוע וצינור בלוטה מפלדה בלתי קורסית. כדי להבטיח סגירה, נדרשות תהליכי עבודה מדויקים לקשרים הסוגרים. בנוסף, נדרשים חומרים בעלי חדירת אוויר מאוד נמוכה, וכמות גז הפנימית צריכה להיות מוגבלת למינימום.
מערכת מוליכות: היא מורכבת בעיקר מנוגע קבוע ונוגע נייד. הנוגע הקבוע כולל מגע קבוע, מוט מוליך קבוע ומשטח ריצה קשת קבוע, בעוד הנוגע הנע כולל מגע נע, מוט מוליך נע ומשטח ריצה קשת נע. סוגי המבנה של המגע ניתן לחלק באופן כללי לסוג השדה המגנטי הצידי עם משטח ריצה קשת מסובך, לסוג השדה המגנטי הארוך ולסוג הגלילי. המנגנון הפועל גורם לשני המגע להתקרב באמצעות תנועת מוט המוליך הנע, ובכך משלים את החיבור החשמלי.
מערכת מגן: היא מורכבת בעיקר מגליל מגן, כיסוי מגן ואבזרים אחרים. כיסויי מגן נפוצים כיום כוללים סוג כיסוי מגן בלוטה וסוג כיסוי מגן ראשי סביב הנוגעים. כיסוי מגן ראשי יכול להפחית את עוצמת השדה המקומי, לשפר את אחידות הפיזור של השדה החשמלי הפנימי בחדר הכיבוי, מה שמקל על הקטנה של חדר הכיבוי תחת לחץ. באותו זמן, הוא יכול למנוע מהתוצרים של הקשת להתפזר על הקיר הפנימי של המכל הבידודי במהלך תהליך הקשת, ומסייע לשמור על אפקט הבידוד של המכל ללא השפעה מהפרעת הקשת. הוא יכול גם לספוג אנרגיית קשת, למקם תוצרים של קשת ולהאיץ את שחזור עוצמת הבידוד בעקבות הקשת.
מנגנון פעולה
סוגים שונים של מפסקים משתמשים במנגנונים פעולה שונים. מנגנונים פעולה נפוצים כוללים מנגנוני פעולה קפיציים, מנגנוני פעולה קפיציים מאחסנים אנרגיה של IEE, מנגנוני פעולה קפיציים CT8, מנגנוני פעולה קפיציים CT19, מנגנוני פעולה אלקטרומגנטיים CD10, מנגנוני פעולה אלקטרומגנטיים CD17, ועוד. בהם, המנגנון הקפיצי יש לו יתרונות של גודל קטן, זרם סגירה קטן ואמינות גבוהה, והוא נפוץ בשימוש רחב בציוד מתגים בגדלים שונים של מתח.
תפקיד ועקרון מחברת תחת לחץ
תפקיד ומאפיינים
תחת תנאים של פעולה נורמלית, מחברת תחת לחץ שמקיימת טווח פרמטרים טכנולוגיים יכולה להבטיח את פעולתה הבטוחה והאמינה ברשת החשמל של רמת המתח המתאימה. חיי המחשבה של מחברת תחת לחץ הם בערך 20,000 פעמים, ומספר ניתוקי זרם קצר מלאים הוא 50 פעמים. ניתן לבצע אותה תדיר או לניתוק זרם קצר מספר פעמים בתפוקה המבצעת. מפסקים חשמליים בעומסים גבוהים יש להם יתרונות של אמינות גבוהה, פעולה 24/7, חסרת תחזוקה, פונקציות מלאות, חילופיות טובה וגמישות חזקה, וניתן ליישם אותם בפעולות חיבור מחדש עם מאפיינים שונים. מחברות תחת לחץ משתמשות בגליל בידוד אנכי ובקוטר מבודד מוצק - קוטר מוצק מושלם ונסגר, שיכול לעמוד בפני השפעות של סביבות מיוחדות שונות והן חסרות תחזוקה. באותו הזמן, יש למחברות תחת לחץ דרכים רבות של שימוש, שניתן להתקין אותן בצורה קבועה, להשתמש בהן בצורה ניתקת, או להתקין אותן על מסגרת.
הסבר עקרון
כאשר הנוגעים הנע והנייח של מחברת תחת לחץ נפתחים בזמן שהן טעונות, תיווצר קשת תחת לחץ בין הנוגעים. הקשת מגבירה את טמפרטורת פני השטח של הנוגעים, גורמת להופעת קיטור מתכת על פני השטח של הנוגעים. בהתאם לצורתם המיוחדת של הנוגעים, כאשר הזרם עובר, תחת פעולת השדה המגנטי שהוא יוצר, הקשת זזה במהירות לאורך כיוון המשיק של פני השטח של הנוגעים. קיטור המתכת והículוסים המטענים בעמוד הקשת מתפשטים постоянно החוצה, וצפיפות הקיטור המתכת והICLES ממשיך להפוך. כשהקשת עוברת באופן טבעי דרך אפס, החומר בין הנוגעים מתאושש במהירות מקולח לבודד, הזרם מתנתק, והקשת נכותכת.
סיכום ושילוב סיבות לתיקון
ניתוח מצב בו מחברת תחת לחץ לא נפתחת או לא נפתחת לחלוטין עקב פעולה תדירה, בבדיקה במקום נמצא שה嫘丝螺栓从主轴右侧脱落，导致右侧跳闸弹簧同时脱落并卡在主轴上。机构的跳闸仅依靠主轴左侧的跳闸弹簧，导致开关无法完全打开。虽然这种故障发生的概率相对较小，但其发生仍可能导致生产安全事故。因此，有必要分析故障原因，消除安全隐患，确保安全生产。
解决方案与验证方案
EIB 机构断路器开关主轴两侧的跳闸弹簧固定螺丝为普通螺丝 + 弹簧垫圈（见图 1）。经过多年的频繁开关操作，由于振动，主轴右侧固定跳闸弹簧的螺丝脱落，导致右侧跳闸弹簧同时脱落并卡在主轴上。机构的跳闸仅依靠主轴左侧的跳闸弹簧，导致开关无法完全打开。通过现场调查发现，主轴右侧花键轴与外壳之间存在约 4 毫米的轴向长度差，且端盖变形并向内凹陷（见图 2）。针对此故障，即由于合分主轴端部螺栓松动导致跳闸弹簧脱落而引起的断路器故障，为了验证，重新组装了一台具有相应结构的断路器进行故障模拟：
调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其产生约 4 毫米的间隙（见图 3），并用扭矩扳手以 45 Nm 的扭矩拧紧。将其推入机械磨合室进行机械磨合。初始计数为 26 次，拧紧后端盖出现轻微下沉现象。过程如图 4 所示。
总之，当规定扭矩为 45 Nm 时，即使轴套与花键轴之间的轴向长度达到 4 毫米并且端盖变形下沉，直到超过 2,200 次操作后仍然保持良好的固定。然后进入第二阶段验证。
调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其产生 4 毫米的间隙。使用扭矩扳手以 35 Nm 的扭矩拧紧，并使用第一阶段变形下沉的端盖。用划线标记。将其推入机械磨合室进行机械磨合。初始计数为 2,252。总之，当扭矩为 35 Nm 时，即使轴套与花键轴之间的轴向长度达到 4 毫米并且端盖变形下沉，直到超过 1,887 次操作后仍然保持良好的固定。然后进入第三阶段验证（见图 6）。
调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其产生 4 毫米的间隙。使用扭矩扳手以 20 Nm 的扭矩拧紧，并使用第三阶段变形下沉的端盖。用划线标记。将其推入机械磨合室进行机械磨合。初始计数为 4,139（见图 7）。
总之，当扭矩为 20 Nm 时，即使轴套与花键轴之间的轴向长度达到 4 毫米并且端盖变形下沉，直到超过 1,671 次操作后仍然保持良好的固定。然后进入第四阶段验证（见图 8 和图 9）。
调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其产生 4 毫米的间隙。使用扭矩扳手以 10 Nm 的扭矩拧紧，并使用第四阶段变形下沉的端盖。用划线标记。将其推入机械磨合室进行机械磨合。初始计数为 5,810（见图 10）。
在测试过程中，发现在计数达到 551 次操作时，端盖相对于初始位置开始轻微旋转（见图 11）；当计数增加到 820 次操作时，端盖相对于 551 次操作的位置稍微旋转（见图 12）；当计数达到 1,122 次操作时，跳闸弹簧肉眼可见地松动（见图 13）；当计数增加到 1,261 次操作时，跳闸弹簧脱落（见图 14）。
测试过程总结
EIB 弹簧操作机构的主轴设计基于比利时 EIB 公司的设计。曲臂精确定位后，两侧的螺栓被拧紧到规定的扭矩值。使用弹簧垫圈（由弹簧钢制成）通过摩擦防松。装配后，垫圈被压平，其回弹力保持螺纹间的夹紧力和摩擦力。这种主轴结构设计和防松措施在中国电力科学研究院 (CEPRI) 的机械寿命型式试验中得到了证明是可靠的。
EIB 机构主轴早期工艺问题
在早期装配过程中，工人需要调整不同公差等级的套筒来平衡尺寸，使得装配质量不一致且难以控制。断路器主轴装配完成后，累积误差导致内部花键轴与外部套筒之间的轴向长度偏差。当螺栓拧紧到规定扭矩时，端盖中间会向内下陷。由于端盖是由非弹簧钢弹性材料制成的，变形后无法恢复。此外，主轴套筒可能因运行中的冲击而蠕变，逐渐降低螺栓的拧紧扭矩（直到扭矩显著减弱之前，螺栓和端盖等紧固件没有明显变化）。常规维护也难以用普通扳手施加足够的扭矩。最终，当扭矩降至 10 Nm 以下时，端盖加速松动，破坏了弹簧垫圈的防松效果。
改进工艺
为消除端盖下沉引起的扭矩减弱，调整了工艺：整体装配后，统一添加调整垫片进行平衡。在螺栓上涂抹螺纹锁固胶，然后用扭矩扳手拧紧至 45 Nm。安装垫片后，端盖不再有向内下沉的空间。端盖不会因塑性变形而逐渐减小拧紧扭矩，确保断路器在整个使用寿命期间在足够扭矩下稳定可靠地运行。
整改措施
对于具有此故障的断路器，如图 15 所示，安装调整垫片。对准内部主轴端面与外套筒，用螺栓锁定。在螺栓上涂抹螺纹锁固胶，并用扭矩扳手拧紧至 45 Nm 的扭矩。
为防止此类低概率事件的发生，对已投入运行的断路器进行全面检查，并相应安装调整垫片，确保投入运行的断路器能够正常可靠地工作。
结论
本文重点讨论了高压交流真空断路器无法正常开断的情况。通过仿真分析和实验验证，分析了跳闸弹簧脱落的原因。发现主轴间隙导致端盖变形，长期合分振动后跳闸弹簧脱落，导致断路器无法开断。为此提出了一个解决方案，并详细论证了解决方案的可行性。提出了相应的整改措施，以消除故障，恢复高压真空断路器的正常使用，确保企业的正常生产。
