Analiza i rasprava o grešci glavnog vratila vakuumskog prekidača u EIB mehanizmu

Vakuumski prekidač je vrsta prekidača u kojem su sredstvo za ugasevanje luka i izolaciono sredstvo u razmaku između kontakata posle ugasevanja luka vakuum. Kao jedinica za zaštitu i kontrolu električnih opreme i pogonske opreme u industrijskim i rudarskim preduzećima, unutrašnji AC visokonaponski vakuumski prekidači imaju raznovrsne primene i mogu se instalirati u fiksne ormari, ormari sa srednjom montažom i dvostruki ormari. Kao ključna električna uređajna među prekidnim uređajima, visokonaponski prekidači su prikladni za mesta gde je potrebno često operisanje na nominalnom radnom struju ili više puta prekidanje struje kratkog spoja.

Ovaj rad analizira problem da EIB vakuumski prekidač ne može pravilno otvoriti ili zatvoriti kontakt zbog čestog operisanja. Putem eksperimenata utvrđeno je da je razlog padanja skoka na desnoj strani glavnog vratila uzrok nepravilnog otvaranja ili zatvaranja prekidača. Predložena je poboljšanja mjera postavljanja regulacionih šimova kako bi se osiguralo normalno funkcionisanje prekidača, što ima određenu referentnu važnost za bezbednu konstrukciju proizvodnje preduzeća.

Struktura vakuumskog prekidača

Vakuumski prekidač se uglavnom sastoji od komponenti kao što su vakuumsko ugasevno spremište, mehanizam rukovanja i nosač.

Vakuumsko ugasevno spremište

Takođe poznato kao vakuumski prekidačni cev, princip rada vakuumskog ugasevnog spremišta je korišćenje odličnih izolacionih osobina vakuumskog sredstva unutar cevi, omogućavajući brzo ugasevanje luka i prekid struje nakon isključivanja napajanja. Njegove glavne strukture su sledeće:

• Sistem hermetične izolacije: Ovo je zatvoreni kontejner u vakuumskoj sredini, uglavnom sastavljen od hermetične izolacione cilindrične cevi, pokretnog poklopka, fiksnog poklopka i nerđajuće čelike bubrege. Da bi se osigurala hermeticnost, potrebne su stroge operativne procedure za spojeve. Takođe, potrebni su materijali sa ekstremno niskom propusnosti vazduha, a količina gasa emitovanog iznutra takođe treba biti ograničena na minimalnu vrednost.

• Sistem provodnosti: Uglavnom se sastoji od fiksnog elektroda i pokretnog elektroda. Fiksan elektrod uključuje fiksnu kontakt, fiksan provodni štap i fiksan površinu za hod luka, dok pokretni elektrod uključuje pokretnu kontakt, pokretni provodni štap i pokretnu površinu za hod luka. Strukture kontakata mogu biti približno podeljene na transverzalni magnetski tip sa spiralnim režanjem površine za hod luka, longitudinalni magnetski tip i valjkasti tip. Mekanizam rukovanja dovodi do zatvaranja dva kontakta putem kretanja pokretnog provodnog štapa, time obavljajući vezu kruga.

• Sistem štitnica: Uglavnom se sastoji od štitne cevi, štitnog poklopka i drugih uređaja. Trenutno se često koriste štitni poklopci poput bubregastog štitnog poklopa i glavnog štitnog poklopa oko kontakata. Glavni štitni poklopac može smanjiti lokalnu poljsku jačinu, poboljšati uniformnost raspodele električnog polja unutar ugasevnog spremišta, što je korisno za miniaturizaciju vakuumskog ugasevnog spremišta. U isto vreme, može sprečiti da proizvodi luka odrivaju na unutrašnju stenu izolacionog kučišta tokom procesa lukovlaska, osiguravajući da izolacioni efekat kučišta ne bude utičen od luka. Takođe može apsorbirati energiju luka, kondenzirati proizvode luka i ubrzati oporavak dielektrične čvrstoće u razmaku posle luka.

Mehanizam rukovanja

Različite vrste prekidača koriste različite mehanizme rukovanja. Često korišćeni mehanizmi rukovanja uključuju mehanizme sa vijačnim skokom, EIB mehanizme sa akumulacijom vijačne energije, CT8 mehanizme sa akumulacijom vijačne energije, CT19 mehanizme sa akumulacijom vijačne energije, CD10 elektromagnetske mehanizme, CD17 elektromagnetske mehanizme itd. Među njima, mehanizam sa vijačnim skokom ima prednosti male dimenzije, male struje zatvaranja i visoke pouzdanosti, te se trenutno široko koristi u prekidnim uređajima različitih nivoa napona.

Funkcija i princip vakuumskog prekidača

Funkcija i karakteristike

Pod normalnim uslovima rada, vakuumski prekidač koji ispunjava tehničke parametre može osigurati sigurno i pouzdano funkcionisanje u mreži odgovarajućeg nivoa napona. Mekanički život vakuumskog prekidača iznosi približno 20.000 ciklusa, a broj prekida punog kapaciteta struje kratkog spoja je 50. Može se često operirati ili prekidati struju kratkog spoja više puta unutar opsega radne struje. Visokonaponski vakuumski prekidači imaju prednosti visoke pouzdanosti, rada u svim vremenskim uslovima, bez održavanja, kompletnih funkcija, dobre zamjenjivosti i visoke univerzalnosti, te se mogu primeniti u operacijama ponovnog zatvaranja sa različitim karakteristikama. Vakuumski prekidači koriste vertikalni izolacioni cilindar i solidnu izolacionu strukturu - integrisane solidne zategnute stupove, koji mogu da otpore djelovanju različitih specifičnih okruženja i nemaju potrebu za održavanjem. Istovremeno, vakuumski prekidači imaju mnogo načina upotrebe, mogu se instalirati na fiksni način, koristiti na izvlačivi način ili instalirati na ramu.

Uvod u princip

Kada se pokretni i fiksni kontakti vakuumskog prekidača otvore dok su pod napajanjem, između kontakata nastaje vakuumski luk. Luk povišava površinsku temperaturu kontakata, dovodeći do pojavljivanja metalnih parova na površini kontakata. Na osnovu specifične forme kontakata, kada struja prolazi, pod dejstvom magnetskog polja koje generiše, luk se brzo kreće duž tangencijalnog smera površine kontakta. Metalni parovi i nabijeni čestice u stupcu luka neprestano difundiraju van, a gustoća metalnih parova i nabijenih čestica stalno opada. Kada luk prirodno prođe nultu tačku, sredstvo između kontakata brzo se oporavi iz vodilja u izolator, struja se prekida, a luk se ugasi.

Sažetak i analiza uzroka greške

Analizirajući situaciju u kojoj vakuumski prekidač ne može da otvori ili da potpuno otvori kontakt zbog čestog operisanja, na mestu utvrđeno je da je bolt na desnoj strani glavnog vratila pao, što je doveo do pada desnog skoka na glavno vratilo i istovremeno zategnuta na glavnom vratilu. Mekanizam rukovanja se oslanja samo na skok sa leve strane glavnog vratila, što dovodi do nepotpunog otvaranja prekidača. Iako je verovatnoća pojavljivanja ove greške relativno mala, njeno pojavljivanje može ipak dovesti do nesreća u proizvodnji. Stoga je potrebno analizirati uzrok greške, eliminisati potencijalne opasnosti i osigurati bezbednu proizvodnju.

Rješenje i plan verifikacije

Vijci koji fiksiraju skokove na obe strane glavnog vratila prekidača EIB mehanizma su obični vijci + vijačne prstenove (vidi Sliku 1). Nakon godina čestog operisanja prekidača, vijak koji fiksira skok na desnoj strani glavnog vratila pada zbog vibracija, što dovodi do pada desnog skoka i istovremeno zategnuta na glavnog vratila. Mekanizam rukovanja se oslanja samo na skok sa leve strani glavnog vratila, što dovodi do nepotpunog otvaranja prekidača. Putem terenske inspekcije utvrđeno je da postoji aksijalna dužinska razlika od približno 4mm između šipkastog vratila na desnoj strani glavnog vratila i spoljnog kučišta, a poklopac je deformiran i ugnječen unutra (vidi Sliku 2). U odgovoru na ovu grešku, to jest, grešku prekidača uzrokovanu padanjem skoka zbog oslabljenja krajevnog vijka glavnog vratila za zatvaranje i otvaranje, za verifikaciju, prekidač sa odgovarajućom strukturom je ponovo sastavljen za simulaciju greške:

Podesite aksijalnu dužinu između šipkastog vratila na desnoj strani glavnog vratila ovog simuliranog prekidača i spoljnog kučišta kako biste stvorili razmak od približno 4mm (vidi Sliku 3), i koristite vijak sa momentom od 45Nm. Ubacite ga u mehaničku kambru za testiranje. Početni broj otkaza je 26, a poklopac pokazuje blag ugnječenje nakon zaglađivanja. Proces je prikazan na Slici 4.

Zaključno, kada je definisani moment 45 Nm, čak i kada aksijalna dužina između vratila i šipkastog vratila doseže 4 mm i poklopac bude deformiran i ugnječen, ostaje dobro fiksiran do više od 2.200 operacija. Zatim sledi verifikacija druge faze.

Podesite aksijalnu dužinu između šipkastog vratila na desnoj strani glavnog vratila ovog simuliranog prekidača i spoljnog kučišta kako biste stvorili 4-mm razmak. Koristite vijak sa momentom od 35 Nm, i koristite deformirani i ugnječen poklopac iz faze 1. Označite ga linijom. Ubacite ga u mehaničku kambru za testiranje. Početni broj otkaza je 2.252. Zaključno, kada je moment 35 Nm, čak i kada aksijalna dužina između vratila i šipkastog vratila doseže 4 mm i poklopac bude deformiran i ugnječen, ostaje dobro fiksiran do više od 1.887 operacija. Zatim sledi verifikacija treće faze (vidi Sliku 6).

Podesite aksijalnu dužinu između šipkastog vratila na desnoj strani glavnog vratila ovog simuliranog prekidača i spoljnog kučišta kako biste stvorili 4-mm razmak. Koristite vijak sa momentom od 20 Nm, i koristite deformirani i ugnječen poklopac iz treće faze. Označite ga linijom. Ubacite ga u mehaničku kambru za testiranje. Početni broj otkaza je 4.139 (vidi Sliku 7).

Zaključno, kada je moment 20 Nm, čak i kada aksijalna dužina između vratila i šipkastog vratila doseže 4 mm i poklopac bude deformiran i ugnječen, ostaje dobro fiksiran do više od 1.671 operacija. Zatim sledi verifikacija četvrte faze (vidi Sliku 8 i Sliku 9).

Podesite aksijalnu dužinu između šipkastog vratila na desnoj strani glavnog vratila ovog simuliranog prekidača i spoljnog kučišta kako biste stvorili 4-mm razmak. Koristite vijak sa momentom od 10 Nm, i koristite deformirani i ugnječen poklopac iz četvrte faze. Označite ga linijom. Ubacite ga u mehaničku kambru za testiranje. Početni broj otkaza je 5.810 (vidi Sliku 10).

Tokom testiranja utvrđeno je da kada brojač dostigne 551 operacija, poklopac je počeo lagano rotirati u odnosu na početnu poziciju (vidi Sliku 11); kada broj otkaza poraste na 820 operacija, poklopac je lagano rotirao u odnosu na poziciju na 551 operacija (vidi Sliku 12); kada broj otkaza dostigne 1.122 operacija, skok je bio vidljivo oslabljen golim okom (vidi Sliku 13); kada broj otkaza poraste na 1.261 operacija, skok je pao (vidi Sliku 14).

Sažetak testiranja

Dizajn spindela EIB mehanizma sa vijačnim skokom temelji se na dizajnu belgijske EIB kompanije. Nakon precizne pozicioniranja koluha, vijaci na obe strane su zaglađeni do definisanog momenata. Vijačni prstenovi (napravljeni od vijačne čelike) koriste se za sprečavanje oslabljenja putem trenja. Nakon montaže, prstenovi su splašteni, a njihov povratni sile održavaju silu zatezanja i trenje između navojnih niti. Ovaj dizajn spindela i mere za sprečavanje oslabljenja su dokazali svoju pouzdanost u mehaničkim testovima životne trajnosti u Kineskom institutu za električnu energetiku (CEPRI).

Rani problemi sa spindelom EIB mehanizma

U ranom montažnom procesu, radnici su morali prilagođavati rukave različitih tolerancijskih klasa kako bi balansirali dimenzije, što je dovodilo do nekonzistentnosti i teško kontroli kvaliteta montaže. Nakon montaže spindela prekidača, kumulativne greške su doveli do aksijalnih dužinskih odstupanja između unutrašnjeg šipkastog vratila i spoljnog rukava. Kada su vijaci bili zaglađeni do definisanog momenata, sredina poklopaca je ugnječena unutra. Budući da poklopaci su izrađeni od nevijačne čelike elastičnih materijala, oni ne mogu da se oporave nakon deformacije. Takođe, rukav spindela može da se kripi zbog udara tokom operisanja, što može postepeno smanjiti moment zaglađivanja vijaka (bez očiglednih promena na čvrstima poput vijaka i poklopaca sve dok se moment ne oslabi značajno). Konvencionalno održavanje takođe teško može da primeni dovoljan moment sa običnim ključevima. Konačno, kada moment padne ispod 10 Nm, poklopaci ubrzano oslabavaju, uništavajući anti-oslabljivački efekat vijačnih prstenova.

Poboljšani proces

Da bi se eliminisalo oslabljenje momenta zbog ugnječenja poklopaca, proces je promenjen: nakon ukupne montaže, ravnotežne šimove su uniformno dodati. Na vijake se nanese lepativa za zategnute niti, a zatim se zaglađuju do 45 Nm sa vijakom sa momentom. Sa postavljenim šimovima, više nema prostora za ugnječenje poklopaca. Poklopaci neće postepeno smanjiti moment zategnuta zbog plastične deformacije, osiguravajući stabilno i pouzdano funkcionisanje prekidača tokom celog životnog veka pod dovoljnim momentom.

Mere za ispravljanje

Za prekidač sa ovom greškom, kao što je prikazano na Slici 15, instalirati ravnotežne šimove. Nakon poravnanja end face unutrašnjeg glavnog vratila sa spoljnim rukavom, zaključiti ga sa vijcima. Naneti lepativa za zategnute niti na vijake i koristiti vijak sa momentom da bi se zaglačili do momenta od 45 Nm.

Da bi se sprečilo pojavljivanje takvih događaja sa niskom verovatnoćom, izvršiti kompletnu inspekciju prekidača koji su već uvedeni u eksploataciju i instalirati ravnotežne šimove kako bi se osiguralo da prekidači u eksploataciji mogu raditi normalno i pouzdano.

Zaključak

Ovaj rad se fokusira na situaciju gde visokonaponski AC vakuumski prekidač ne može pravilno otvoriti. Putem simulacije i eksperimentalne verifikacije, analizira se uzrok padanja skoka. Utvrđeno je da gumeni disk deforme zbog razmaka glavnog vratila, a zatim, nakon dugotrajnih vibracija zatvaranja i otvaranja, skok pada, što dovodi do nepravilnog otvaranja prekidača. Za to je predloženo rješenje, a detaljno je demonstrirana sprovedivost rješenja. Predložene su odgovarajuće mere za ispravljanje kako bi se eliminirala greška, vratila normalna upotreba visokonaponskog vakuumskog prekidača i osigurala normalna proizvodnja preduzeća.