Análise e Discussão sobre o Defeito do Eixo Principal do Disjuntor a Vácuo no Mecanismo EIB

Um disjuntor a vácuo é um tipo de disjuntor no qual tanto o meio extintor de arco quanto o meio isolante no intervalo entre os contatos após a extinção do arco são um vácuo. Como unidade de proteção e controle para equipamentos elétricos e equipamentos movidos a energia em empresas industriais e mineiras, os disjuntores a vácuo de alta tensão internos têm aplicações diversas e podem ser instalados em armários fixos, armários intermediários e armários duplos. Como um dispositivo elétrico crucial entre os equipamentos de comutação, os disjuntores de alta tensão são adequados para locais que requerem operações frequentes na corrente de trabalho nominal ou múltiplas interrupções da corrente de curto-circuito.

Este artigo analisa o problema do disjuntor a vácuo IEE-Business não abrir ou fechar adequadamente devido à operação frequente. Através de experimentos, foi descoberto que a queda da mola de disparo no lado direito do eixo principal é a causa do disjuntor não abrir ou fechar adequadamente. Uma medida de melhoria de instalação de calços de ajuste é proposta para garantir o funcionamento normal do disjuntor, o que tem certa relevância para a construção segura da produção empresarial.

Estrutura do Disjuntor a Vácuo

Um disjuntor a vácuo consiste principalmente em componentes como a câmara extintora de arco a vácuo, o mecanismo de operação e o suporte.

Câmara Extintora de Arco a Vácuo

Também conhecida como tubo de comutação a vácuo, o princípio de funcionamento da câmara extintora de arco a vácuo é utilizar a excelente propriedade isolante do meio de vácuo dentro do tubo, permitindo que o circuito de média e alta tensão extinga rapidamente o arco e corte a corrente após a interrupção da alimentação. Suas principais estruturas são as seguintes:

• Sistema de Isolamento Hermético: Este é um contêiner fechado em um ambiente de vácuo, composto principalmente por um cilindro de isolamento hermético, uma placa de extremidade móvel, uma placa de extremidade fixa e um sino de aço inoxidável. Para garantir a estanqueidade, são necessários processos de operação rigorosos nas juntas de vedação. Além disso, são necessários materiais com permeabilidade de ar extremamente baixa, e a quantidade de gás liberada internamente também precisa ser limitada ao valor mínimo.

• Sistema Conduzível: É composto principalmente por um eletrodo fixo e um eletrodo móvel. O eletrodo fixo inclui um contato fixo, uma haste condutora fixa e uma superfície de deslocamento de arco fixa, enquanto o eletrodo móvel inclui um contato móvel, uma haste condutora móvel e uma superfície de deslocamento de arco móvel. Os tipos de estrutura de contato podem ser divididos aproximadamente em tipo de campo magnético transversal com superfície de deslocamento de arco em espiral, tipo de campo magnético longitudinal e tipo cilíndrico. O mecanismo de operação faz com que os dois contatos se fechem através do movimento da haste condutora móvel, assim completando a conexão do circuito.

• Sistema de Blindagem: É composto principalmente por um cilindro de blindagem, uma tampa de blindagem e outros dispositivos. As tampas de blindagem atualmente usadas incluem tipos como a tampa de blindagem de sino e a tampa de blindagem principal que rodeia os contatos. A tampa de blindagem principal pode reduzir a intensidade local do campo, melhorar a uniformidade da distribuição do campo elétrico interno da câmara extintora de arco, o que é favorável à miniaturização da câmara extintora de arco a vácuo. Ao mesmo tempo, pode impedir que os produtos do arco respinguem na parede interna da caixa de isolamento durante o processo de arco, garantindo que o efeito de isolamento da caixa não seja afetado pela descarga do arco. Também pode absorver a energia do arco, condensar os produtos do arco e acelerar a recuperação da resistência dielétrica no intervalo pós-arco.

Mecanismo de Operação

Diferentes tipos de disjuntores usam diferentes mecanismos de operação. Mecanismos de operação comumente usados incluem mecanismos de mola, mecanismos de armazenamento de energia de mola EIB, mecanismos de armazenamento de energia de mola CT8, mecanismos de armazenamento de energia de mola CT19, mecanismos eletromagnéticos CD10, mecanismos eletromagnéticos CD17, etc. Entre eles, o mecanismo de mola tem as vantagens de tamanho pequeno, corrente de fechamento pequena e alta confiabilidade, e atualmente é amplamente usado em equipamentos de comutação de diferentes níveis de tensão.

Função e Princípio do Disjuntor a Vácuo

Função e Características

Em condições normais de operação, um disjuntor a vácuo que atende à faixa de parâmetros técnicos pode garantir seu funcionamento seguro e confiável na rede elétrica do nível de tensão correspondente. A vida útil mecânica de um disjuntor a vácuo é de aproximadamente 20.000 vezes, e o número de interrupções de corrente de curto-circuito de capacidade total é de 50 vezes. Pode ser operado frequentemente ou interromper a corrente de curto-circuito várias vezes dentro da faixa de corrente de trabalho. Os disjuntores de alta tensão a vácuo têm as vantagens de alta confiabilidade, operação em todas as condições climáticas, manutenção mínima, funções completas, boa intercambiabilidade e versatilidade forte, e podem ser aplicados a operações de religamento com várias características. Os disjuntores a vácuo adotam um cilindro de isolamento vertical e uma estrutura de pólo sólido integrado, que pode resistir à influência de vários ambientes especiais e é isento de manutenção. Além disso, os disjuntores a vácuo têm múltiplos modos de uso, podendo ser instalados de forma fixa, usados de maneira removível ou instalados em um quadro.

Introdução ao Princípio

Quando os contatos móveis e estáticos de um disjuntor a vácuo são abertos sob carga, um arco a vácuo será gerado entre os contatos. O arco eleva a temperatura superficial dos contatos, causando a aparição de vapor metálico na superfície do contato. Com base na forma especial dos contatos, quando a corrente passa, sob a ação do campo magnético que gera, o arco se move rapidamente na direção tangencial da superfície do contato. O vapor metálico e as partículas carregadas no arco se difundem continuamente para fora, e a densidade do vapor metálico e das partículas carregadas continua diminuindo. Quando o arco naturalmente passa por zero, o meio entre os contatos se recupera rapidamente de um condutor para um isolante, a corrente é cortada, e o arco é extinto.

Resumo e Análise da Causa da Falha

Analisando a situação em que o disjuntor a vácuo falha em abrir ou em abrir completamente devido à operação frequente, a inspeção no local revela que o parafuso na extremidade direita do eixo principal do interruptor caiu, causando a queda da mola de disparo direita e ficando presa no eixo principal ao mesmo tempo. O mecanismo de disparo depende apenas da mola de disparo na extremidade esquerda do eixo principal, resultando no interruptor não abrindo completamente. Embora a probabilidade de ocorrência dessa falha seja relativamente pequena, sua ocorrência ainda pode levar a acidentes de segurança na produção. Portanto, é necessário analisar a causa da falha, eliminar os perigos potenciais e garantir a produção segura.

Solução e Plano de Verificação

Os parafusos que fixam as molas de disparo em ambos os lados do eixo principal do interruptor do mecanismo EIB são parafusos comuns + arruelas de mola (veja Figura 1). Após anos de operação frequente do interruptor, o parafuso que fixa a mola de disparo na extremidade direita do eixo principal cai devido à vibração, causando a queda da mola de disparo direita e ficando presa no eixo principal ao mesmo tempo. O mecanismo de disparo depende apenas da mola de disparo na extremidade esquerda do eixo principal, resultando no interruptor não abrindo completamente. Através da investigação no local, foi descoberto que existe uma diferença de comprimento axial de cerca de 4 mm entre o eixo de engrenagem na extremidade direita do eixo principal e a carcaça externa, e a tampa de extremidade deformou-se e afundou para dentro (veja Figura 2). Em resposta a essa falha, ou seja, a falha do disjuntor causada pela queda da mola de disparo devido ao afrouxamento do parafuso de extremidade do eixo principal de fechamento e abertura, para verificar, um disjuntor com uma estrutura correspondente é então reconfigurado para simulação de falha:

Ajuste o comprimento axial entre o eixo de engrenagem na extremidade direita do eixo principal deste disjuntor simulado e a carcaça externa para criar uma folga de cerca de 4 mm (veja Figura 3), e use uma chave de torque para apertar com um torque de 45 Nm. Empurre-o para a câmara de rodagem mecânica para rodagem mecânica. A leitura inicial do contador é 26 vezes, e a tampa de extremidade mostra um fenômeno ligeiro de afundamento após o aperto. O processo é mostrado na Figura 4.

Em conclusão, quando o torque especificado é de 45 Nm, mesmo que o comprimento axial entre a manga e o eixo de engrenagem alcance 4 mm e a tampa de extremidade esteja deformada e afundada, permanece bem fixada até mais de 2.200 operações. Então, prossegue para a verificação da segunda etapa.

Ajuste o comprimento axial entre o eixo de engrenagem na extremidade direita do eixo principal deste disjuntor simulado e a carcaça externa para criar uma folga de 4 mm. Use uma chave de torque para apertar com um torque de 35 Nm, e use a tampa de extremidade deformada e afundada da etapa 1. Marque-a com uma linha de sinalização. Empurre-o para a câmara de rodagem mecânica para rodagem mecânica. A contagem inicial é 2.252. Em resumo, quando o torque é de 35 Nm, mesmo que o comprimento axial entre a manga e o eixo de engrenagem alcance 4 mm e a tampa de extremidade esteja deformada e afundada, permanece bem fixada até mais de 1.887 operações. Então, prossegue para a verificação da terceira etapa (veja Figura 6).

Ajuste o comprimento axial entre o eixo de engrenagem na extremidade direita do eixo principal deste disjuntor simulado e a carcaça externa para criar uma folga de 4 mm. Use uma chave de torque para apertar com um torque de 20 Nm, e use a tampa de extremidade deformada e afundada da terceira etapa. Marque-a com uma linha de sinalização. Empurre-o para a câmara de rodagem mecânica para rodagem mecânica. A contagem inicial é 4.139 (veja Figura 7).

Em conclusão, quando o torque é de 20 Nm, mesmo que o comprimento axial entre a manga e o eixo de engrenagem alcance 4 mm e a tampa de extremidade esteja deformada e afundada, permanece bem fixada até mais de 1.671 operações. Então, prossegue para a verificação da quarta etapa (veja Figura 8 e Figura 9).

Ajuste o comprimento axial entre o eixo de engrenagem na extremidade direita do eixo principal deste disjuntor simulado e a carcaça externa para criar uma folga de 4 mm. Use uma chave de torque para apertar com um torque de 10 Nm, e use a tampa de extremidade deformada e afundada da quarta etapa. Marque-a com uma linha de sinalização. Empurre-o para a câmara de rodagem mecânica para rodagem mecânica. A contagem inicial é 5.810 (veja Figura 10).

Durante o processo de teste, foi descoberto que, quando o contador atingiu 551 operações, a tampa de extremidade começou a girar ligeiramente em relação à posição inicial (veja Figura 11); quando a contagem aumentou para 820 operações, a tampa de extremidade girou ligeiramente em relação à posição em 551 operações (veja Figura 12); quando a contagem atingiu 1.122 operações, a mola de disparo estava visivelmente frouxa a olho nu (veja Figura 13); quando a contagem aumentou para 1.261 operações, a mola de disparo caiu (veja Figura 14).

Resumo do Processo de Teste

O design do eixo do mecanismo de operação de mola EIB é baseado no design da empresa belga EIB. Depois que os braços de manivela são posicionados com precisão, os parafusos em ambos os lados são apertados até o valor de torque especificado. Arruelas de mola (feitas de aço de mola) são usadas para anti-afrouxamento por atrito. Após a montagem, as arruelas são achatadas, e sua força de retorno mantém a força de prensagem e o atrito entre as rosas. Este design de estrutura do eixo e medidas anti-afrouxamento foram comprovados confiáveis em testes de vida útil mecânica no Instituto de Pesquisa Elétrica da China (CEPRI).

Problemas Iniciais do Eixo do Mecanismo EIB

No processo de montagem inicial, os trabalhadores tinham que ajustar mangas de diferentes classes de tolerância para equilibrar as dimensões, tornando a qualidade da montagem inconsistente e difícil de controlar. Após a montagem do eixo do disjuntor, erros cumulativos causaram desvios de comprimento axial entre o eixo de engrenagem interno e a manga externa. Quando os parafusos foram apertados até o torque especificado, o centro das tampas de extremidade afundou para dentro. Como as tampas de extremidade são feitas de materiais elásticos não metálicos, não podem se recuperar após a deformação. Além disso, a manga do eixo pode sofrer fluência devido a impactos durante a operação, o que pode gradualmente reduzir o torque de aperto dos parafusos (com mudanças insignificantes nos fixadores, como parafusos e tampas de extremidade, até que o torque enfraqueça significativamente). A manutenção convencional também tem dificuldades em aplicar torque suficiente com chaves comuns. Eventualmente, quando o torque cai abaixo de 10 Nm, as tampas de extremidade aceleram o afrouxamento, destruindo o efeito anti-afrouxamento das arruelas de mola.

Processo Melhorado

Para eliminar o enfraquecimento do torque causado pelo afundamento das tampas de extremidade, o processo foi ajustado: após a montagem geral, calços de ajuste são adicionados de forma uniforme para equilíbrio. Adesivo de travamento de rosca é aplicado aos parafusos, que são então apertados a 45 Nm com uma chave de torque. Com os calços instalados, não há mais espaço para as tampas de extremidade afundarem para dentro. As tampas de extremidade não reduzirão gradualmente o torque de aperto devido à deformação plástica, garantindo o funcionamento estável e confiável do disjuntor ao longo de sua vida útil com torque suficiente.

Medidas de Correção

Para o disjuntor com esta falha, conforme mostrado na Figura 15, instale calços de ajuste. Após alinhar a face final do eixo principal interno com a manga externa, trave-o com parafusos. Aplique adesivo de travamento de rosca nos parafusos e use uma chave de torque para apertá-los a um torque de 45 Nm.

Para prevenir a ocorrência de tais eventos de baixa probabilidade, realize uma inspeção completa dos disjuntores que já foram colocados em operação e instale calços de ajuste conforme necessário para garantir que os disjuntores colocados em operação possam funcionar normalmente e de forma confiável.

Conclusão

Este artigo se concentra na situação do disjuntor a vácuo de alta tensão AC não abrindo adequadamente. Por meio de análise de simulação e verificação experimental, analisa as causas da queda da mola de disparo. Foi descoberto que a deformação da tampa de extremidade devido à folga do eixo principal, e depois, após longos períodos de vibração de fechamento e abertura, a mola de disparo cai, resultando no disjuntor não abrindo. Para isso, uma solução é proposta, e a viabilidade da solução é demonstrada detalhadamente. Medidas de correção correspondentes são apresentadas, a fim de eliminar a falha, restaurar o uso normal do disjuntor a vácuo de alta tensão e garantir a produção normal da empresa.