Analisi e Discussione sul Guasto dell'Albero Motore dell'Interruttore a Vuoto nel Meccanismo EIB

Un interruttore a vuoto è un tipo di interruttore in cui sia il mezzo di spegnimento dell'arco che il mezzo isolante nello spazio tra i contatti dopo lo spegnimento dell'arco sono vuoto. Come unità di protezione e controllo per l'attrezzatura elettrica e le attrezzature azionate da energia elettrica nelle imprese industriali e minerarie, gli interruttori ad alta tensione a vuoto per uso interno hanno molteplici applicazioni e possono essere installati in armadi fissi, armadi centrali e armadi a doppio strato. Come dispositivo elettrico cruciale tra gli apparati di commutazione, gli interruttori ad alta tensione sono adatti ai luoghi che richiedono operazioni frequenti alla corrente di lavoro nominale o multiple interruzioni della corrente di cortocircuito.

Questo articolo analizza il problema dell'interruttore del circuit breaker a vuoto IEE-Business che non si apre o chiude correttamente a causa di operazioni frequenti. Attraverso esperimenti, si è scoperto che la molla di sgancio sul lato destro dell'asse principale che si stacca è la causa del malfunzionamento dell'interruttore. Si propone una misura di miglioramento consistente nell'installazione di cuscinetti di regolazione per garantire il funzionamento normale dell'interruttore, il che ha un certo significato di riferimento per la costruzione sicura della produzione aziendale.

Struttura dell'interruttore a vuoto

Un interruttore a vuoto è composto principalmente da componenti come la camera di spegnimento dell'arco a vuoto, il meccanismo di manovra e il supporto.

Camera di spegnimento dell'arco a vuoto

Anche conosciuta come tubo di interruzione a vuoto, il principio di funzionamento della camera di spegnimento dell'arco a vuoto consiste nell'utilizzare l'eccellente proprietà isolante del mezzo a vuoto all'interno del tubo, consentendo al circuito medio-alto tensione di spegnere rapidamente l'arco e interrompere la corrente dopo l'interruzione dell'alimentazione. Le sue strutture principali sono le seguenti:

• Sistema di isolamento ermetico: Questo è un contenitore chiuso in un ambiente a vuoto, composto principalmente da un cilindro di isolamento ermetico, una piastra di copertura mobile, una piastra di copertura fissa e una campana ondulata in acciaio inossidabile. Per garantire l'ermeticità, sono richiesti processi operativi rigorosi per le giunture di sigillatura. Inoltre, sono necessari materiali con una permeabilità all'aria estremamente bassa e la quantità di gas rilasciato internamente deve essere limitata al valore minimo.

• Sistema conduttivo: È composto principalmente da un elettrodo fisso e un elettrodo mobile. L'elettrodo fisso include un contatto fisso, un conduttore fisso e una superficie di corsa dell'arco fissa, mentre l'elettrodo mobile include un contatto mobile, un conduttore mobile e una superficie di corsa dell'arco mobile. I tipi di struttura dei contatti possono essere suddivisi grossomodo in tipo campo magnetico trasversale con superficie di corsa dell'arco a scanalatura elicoidale, tipo campo magnetico longitudinale e tipo cilindrico. Il meccanismo di manovra fa sì che i due contatti si chiudano attraverso il movimento del conduttore mobile, completando così la connessione del circuito.

• Sistema di schermatura: È composto principalmente da un cilindro di schermatura, un coperchio di schermatura e altri dispositivi. Attualmente, i coperchi di schermatura comunemente utilizzati includono tipi come il coperchio di schermatura a campana e il coperchio di schermatura principale intorno ai contatti. Il coperchio di schermatura principale può ridurre l'intensità del campo locale, migliorare l'uniformità della distribuzione del campo elettrico interno della camera di spegnimento dell'arco, favorendo la miniaturizzazione della camera di spegnimento dell'arco a vuoto. Allo stesso tempo, può prevenire che i prodotti dell'arco schizzino sulla parete interna dell'involucro isolante durante il processo di arco, assicurando che l'effetto isolante dell'involucro non venga influenzato dalla scarica dell'arco. Può anche assorbire l'energia dell'arco, condensare i prodotti dell'arco e accelerare il recupero della resistenza dielettrica nella fessura post-arco.

Meccanismo di manovra

Diversi tipi di interruttori utilizzano diversi meccanismi di manovra. I meccanismi di manovra comunemente utilizzati includono meccanismi a molla, meccanismi a molla a accumulo di energia IEE-Business, meccanismi a molla a accumulo di energia CT8, meccanismi a molla a accumulo di energia CT19, meccanismi elettromagnetici CD10, meccanismi elettromagnetici CD17, ecc. Tra questi, il meccanismo a molla presenta i vantaggi di piccole dimensioni, corrente di chiusura ridotta e alta affidabilità, ed è attualmente ampiamente utilizzato negli apparati di commutazione di diversi livelli di tensione.

Funzione e principio dell'interruttore a vuoto

Funzione e caratteristiche

In condizioni operative normali, un interruttore a vuoto che rispetta l'intervallo di parametri tecnici può garantire il suo funzionamento sicuro e affidabile nella rete elettrica del corrispondente livello di tensione. La vita meccanica di un interruttore a vuoto è di circa 20.000 cicli, e il numero di interruzioni di corrente di cortocircuito a piena capacità è di 50. Può essere operato frequentemente o interrompere la corrente di cortocircuito più volte entro l'intervallo di corrente di lavoro. Gli interruttori ad alta tensione a vuoto presentano i vantaggi di alta affidabilità, funzionamento in tutte le condizioni atmosferiche, manutenzione zero, funzioni complete, buona interscambiabilità e forte versatilità, e possono essere applicati a operazioni di ricomposizione con varie caratteristiche. Gli interruttori a vuoto adottano un cilindro di isolamento verticale e una struttura solida integrata di poli solidi sigillati, che possono resistere all'influenza di vari ambienti speciali e sono senza manutenzione. Inoltre, gli interruttori a vuoto hanno diversi metodi di utilizzo, che possono essere installati in modo fisso, utilizzati in modo estrattile o installati su un telaio.

Introduzione al principio

Quando i contatti mobili e fissi di un interruttore a vuoto si aprono mentre sono carichi, si genera un arco a vuoto tra i contatti. L'arco aumenta la temperatura superficiale dei contatti, causando l'apparizione di vapore metallico sulla superficie dei contatti. Basandosi sulla forma speciale dei contatti, quando la corrente passa, sotto l'azione del campo magnetico generato, l'arco si muove rapidamente lungo la direzione tangente della superficie dei contatti. Il vapore metallico e le particelle cariche nell'arco si diffondono continuamente verso l'esterno, e la densità del vapore metallico e delle particelle cariche continua a diminuire. Quando l'arco passa naturalmente attraverso lo zero, il mezzo tra i contatti si ripristina rapidamente da conduttore a isolante, la corrente viene interrotta e l'arco si spegne.

Riepilogo e analisi delle cause del guasto

Analizzando la situazione in cui l'interruttore a vuoto non si apre o non si apre completamente a causa di operazioni frequenti, l'ispezione sul posto rivela che il bullone all'estremità destra dell'asse principale dell'interruttore si stacca, causando la caduta e l'inceppamento della molla di sgancio destra sull'asse principale. Il meccanismo di sgancio dipende solo dalla molla di sgancio a sinistra dell'asse principale, risultando nell'interruttore che non si apre completamente. Sebbene la probabilità di tale guasto sia relativamente bassa, la sua occorrenza potrebbe comunque portare a incidenti di sicurezza nella produzione. Pertanto, è necessario analizzare la causa del guasto, eliminare i pericoli potenziali e garantire la sicurezza della produzione.

Soluzione e piano di verifica

I bulloni di fissaggio delle molle di sgancio su entrambi i lati dell'asse principale dell'interruttore del meccanismo IEE-Business sono bulloni comuni + rondelle a molla (vedi Figura 1). Dopo anni di operazioni frequenti dell'interruttore, il bullone di fissaggio della molla di sgancio sul lato destro dell'asse principale si stacca a causa delle vibrazioni, causando la caduta e l'inceppamento della molla di sgancio destra sull'asse principale. Il meccanismo di sgancio dipende solo dalla molla di sgancio a sinistra dell'asse principale, risultando nell'interruttore che non si apre completamente. Attraverso l'indagine sul posto, si scopre che c'è una differenza di lunghezza assiale di circa 4 mm tra l'albero a filettatura sul lato destro dell'asse principale e l'involucro esterno, e il coperchio finale è deformato e affondato verso l'interno (vedi Figura 2). In risposta a questo guasto, cioè il malfunzionamento dell'interruttore causato dalla caduta della molla di sgancio a causa dello allentamento del bullone finale dell'asse di chiusura e apertura, per verificare, viene quindi riasssemblato un interruttore con una struttura corrispondente per la simulazione del guasto:

Regolare la lunghezza assiale tra l'albero a filettatura sul lato destro dell'asse principale di questo interruttore simulato e l'involucro esterno per creare uno spazio di circa 4 mm (vedi Figura 3), e utilizzare una chiave dinamometrica per stringerlo con una coppia di 45 Nm. Spingerlo nella camera di rodaggio meccanico. La lettura iniziale è di 26 cicli, e il coperchio finale mostra un leggero fenomeno di affondamento dopo la serratura. Il processo è mostrato in Figura 4.

In conclusione, quando la coppia specificata è di 45 Nm, anche se la lunghezza assiale tra la manica dell'asta e l'albero a filettatura raggiunge 4 mm e il coperchio finale è deformato e affondato, rimane ben fissato fino a oltre 2.200 operazioni. Quindi, si procede alla verifica della seconda fase.

Regolare la lunghezza assiale tra l'albero a filettatura sul lato destro dell'asse principale di questo interruttore simulato e l'involucro esterno per creare uno spazio di 4 mm. Utilizzare una chiave dinamometrica per stringerlo con una coppia di 35 Nm, e utilizzare il coperchio finale deformato e affondato dalla fase 1. Segnarlo con una linea di tracciatura. Spingerlo nella camera di rodaggio meccanico. Il conteggio iniziale è 2.252. In conclusione, quando la coppia è di 35 Nm, anche se la lunghezza assiale tra la manica dell'asta e l'albero a filettatura raggiunge 4 mm e il coperchio finale è deformato e affondato, rimane ben fissato fino a oltre 1.887 operazioni. Quindi, si procede alla verifica della terza fase (vedi Figura 6).

Regolare la lunghezza assiale tra l'albero a filettatura sul lato destro dell'asse principale di questo interruttore simulato e l'involucro esterno per creare uno spazio di 4 mm. Utilizzare una chiave dinamometrica per stringerlo con una coppia di 20 Nm, e utilizzare il coperchio finale deformato e affondato dalla terza fase. Segnarlo con una linea di tracciatura. Spingerlo nella camera di rodaggio meccanico. Il conteggio iniziale è 4.139 (vedi Figura 7).

In conclusione, quando la coppia è di 20 Nm, anche se la lunghezza assiale tra la manica dell'asta e l'albero a filettatura raggiunge 4 mm e il coperchio finale è deformato e affondato, rimane ben fissato fino a oltre 1.671 operazioni. Quindi, si procede alla verifica della quarta fase (vedi Figura 8 e Figura 9).

Regolare la lunghezza assiale tra l'albero a filettatura sul lato destro dell'asse principale di questo interruttore simulato e l'involucro esterno per creare uno spazio di 4 mm. Utilizzare una chiave dinamometrica per stringerlo con una coppia di 10 Nm, e utilizzare il coperchio finale deformato e affondato dalla quarta fase. Segnarlo con una linea di tracciatura. Spingerlo nella camera di rodaggio meccanico. Il conteggio iniziale è 5.810 (vedi Figura 10).

Durante il processo di test, si è scoperto che quando il contatore ha raggiunto 551 operazioni, il coperchio finale ha iniziato a ruotare leggermente rispetto alla posizione iniziale (vedi Figura 11); quando il conteggio è aumentato a 820 operazioni, il coperchio finale ha ruotato leggermente rispetto alla posizione a 551 operazioni (vedi Figura 12); quando il conteggio ha raggiunto 1.122 operazioni, la molla di sgancio era visibilmente allentata a occhio nudo (vedi Figura 13); quando il conteggio è aumentato a 1.261 operazioni, la molla di sgancio si è staccata (vedi Figura 14).

Riepilogo del processo di test

Il progetto dell'asse principale del meccanismo a molla IEE-Business si basa sul design della società belga EIB. Dopo che le braccia oscillanti sono state posizionate accuratamente, i bulloni su entrambi i lati sono stati stretti alla coppia specificata. Le rondelle a molla (realizzate in acciaio a molla) sono utilizzate per l'antiscivolamento tramite attrito. Dopo l'assemblaggio, le rondelle sono appiattite, e la loro forza di rinculo mantiene la forza di compressione e l'attrito tra i fili. Questo design di asse e misure antiscivolamento sono stati dimostrati affidabili nei test di vita meccanica presso l'Istituto Cinese di Ricerca Elettrica (CEPRI).

Problemi iniziali del perno del meccanismo IEE-Business

Nel processo di assemblaggio iniziale, gli operai dovevano regolare le maniche di diverse tolleranze per bilanciare le dimensioni, rendendo la qualità dell'assemblaggio inconsistente e difficile da controllare. Dopo l'assemblaggio dell'asta dell'interruttore, gli errori cumulativi causavano deviazioni della lunghezza assiale tra l'albero a filettatura interno e la manica esterna. Quando i bulloni venivano stretti alla coppia specificata, il centro dei coperchi finali si affossava verso l'interno. Poiché i coperchi finali sono realizzati in materiali elastici non metallici, non possono recuperare dopo la deformazione. Inoltre, la manica dell'asta potrebbe subire un flusso plastico a causa degli impatti durante l'operazione, che potrebbe gradualmente ridurre la coppia di serraggio dei bulloni (senza cambiamenti evidenti nei fermi come bulloni e coperchi finali fino a quando la coppia non si indebolisce notevolmente). Anche la manutenzione convenzionale ha difficoltà a fornire una coppia sufficiente con chiavi ordinarie. Alla fine, quando la coppia scende sotto i 10 Nm, i coperchi finali accelerano l'allentamento, distruggendo l'effetto antiscivolamento delle rondelle a molla.

Processo migliorato

Per eliminare l'indebolimento della coppia causato dall'affossamento dei coperchi finali, il processo è stato modificato: dopo l'assemblaggio complessivo, sono stati aggiunti uniformemente cuscinetti di regolazione per il bilanciamento. Viene applicata una colla bloccafilo sui bulloni, che vengono poi stretti a 45 Nm con una chiave dinamometrica. Con i cuscinetti installati, non c'è più spazio per l'affossamento dei coperchi finali. I coperchi finali non ridurranno gradualmente la coppia di serraggio a causa della deformazione plastica, garantendo un funzionamento stabile e affidabile dell'interruttore per tutta la sua vita utile con una coppia sufficiente.

Misure di rettifica

Per l'interruttore con questo guasto, come mostrato in Figura 15, installare cuscinetti di regolazione. Dopo aver allineato la faccia finale dell'asta principale interna con la manica esterna, bloccarla con bulloni. Applicare colla bloccafilo sui bulloni e utilizzare una chiave dinamometrica per stringerli a una coppia di 45 Nm.

Per prevenire l'occorsione di tali eventi a bassa probabilità, effettuare un'ispezione completa degli interruttori già in servizio e installare cuscinetti di regolazione di conseguenza per assicurare che gli interruttori in servizio possano funzionare normalmente e in modo affidabile.

Conclusione

Questo articolo si concentra sulla situazione dell'interruttore ad alta tensione a vuoto alternato che non si apre correttamente. Attraverso l'analisi di simulazione e la verifica sperimentale, analizza le cause della caduta della molla di sgancio. Si scopre che il cuscinetto finale si deforma a causa dello spazio dell'asta principale, e poi, dopo vibrazioni a lungo termine di chiusura e apertura, la molla di sgancio si stacca, causando l'impossibilità dell'interruttore di aprirsi. A questo riguardo, si propone una soluzione, e la fattibilità della soluzione viene dimostrata in dettaglio. Si avanzano misure di rettifica appropriate, al fine di eliminare il guasto, ripristinare l'uso normale dell'interruttore ad alta tensione a vuoto e garantire la produzione normale dell'azienda.