การวิเคราะห์และการอภิปรายเกี่ยวกับปัญหาของเพลาหลักในวงจรตัดไฟสุญญากาศในกลไก EIB

สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศเป็นประเภทหนึ่งของสวิทช์วงจรป้อนไฟที่มีสื่อในการดับอาร์คและสื่อฉนวนระหว่างตัวต่อหลังจากดับอาร์คเป็นสุญญากาศ ในฐานะยูนิตการป้องกันและการควบคุมสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนโดยไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมและเหมืองแร่ สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศแรงดันไฟฟ้าสูงภายในสามารถใช้งานได้หลากหลายและสามารถติดตั้งในตู้สวิทช์ที่มีการติดตั้งแบบคงที่ ตู้สวิทช์ที่ติดตั้งกลาง และตู้สวิทช์สองชั้น ในฐานะอุปกรณ์ไฟฟ้าที่สำคัญอย่างหนึ่งในสวิทช์เกียร์ อุปกรณ์สวิทช์วงจรป้อนไฟแรงดันไฟฟ้าสูงเหมาะสมกับสถานที่ที่ต้องการการทำงานบ่อยครั้งที่กระแสไฟฟ้าทำงานตามกำหนดหรือการตัดวงจรหลายครั้ง

บทความนี้วิเคราะห์ปัญหาการไม่สามารถเปิดหรือปิดสวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศ IEE-Business ได้เนื่องจากการทำงานบ่อยครั้ง จากการทดลองพบว่าสปริงทริปบนด้านขวาของเพลาหลักหลุดเป็นสาเหตุของการทำงานผิดพลาดของสวิทช์วงจรป้อนไฟ ได้เสนอมาตรการปรับปรุงโดยการติดตั้งแผ่นรองปรับเพื่อรับประกันการทำงานปกติของสวิทช์วงจรป้อนไฟ ซึ่งมีความหมายในการสร้างความปลอดภัยในการผลิตขององค์กร

โครงสร้างของสวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศ

สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก เช่น ห้องดับอาร์คแบบสุญญากาศ กลไกการดำเนินงาน และฐานรองรับ

ห้องดับอาร์คแบบสุญญากาศ

เรียกอีกอย่างว่าท่อสวิทช์สุญญากาศ หลักการทำงานของห้องดับอาร์คแบบสุญญากาศคือการใช้คุณสมบัติฉนวนที่ดีของสื่อสุญญากาศภายในท่อ เพื่อให้วงจรกลางและแรงดันสูงสามารถดับอาร์คและตัดกระแสได้อย่างรวดเร็วหลังจากตัดแหล่งจ่ายไฟ โครงสร้างหลักของมันคือดังต่อไปนี้:

• ระบบฉนวนแน่น: เป็นภาชนะปิดในสภาพสุญญากาศ ประกอบด้วยกระบอกฉนวนแน่น ฝาครอบปลายที่เคลื่อนไหว ฝาครอบปลายที่คงที่ และท่อสแตนเลสแบบระบายอากาศ เพื่อรักษาความแน่นสนิท จะต้องมีกระบวนการปฏิบัติงานที่เข้มงวดสำหรับข้อต่อที่ปิดสนิท นอกจากนี้ยังต้องการวัสดุที่มีการซึมผ่านอากาศต่ำมาก และปริมาณการปล่อยแก๊สภายในต้องจำกัดให้น้อยที่สุด

• ระบบนำไฟฟ้า: ประกอบด้วยขั้วต่อคงที่และขั้วต่อที่เคลื่อนไหว ขั้วต่อคงที่ประกอบด้วยขั้วต่อคงที่ แท่งนำไฟฟ้าคงที่ และพื้นผิววิ่งอาร์คคงที่ ในขณะที่ขั้วต่อที่เคลื่อนไหวประกอบด้วยขั้วต่อที่เคลื่อนไหว แท่งนำไฟฟ้าที่เคลื่อนไหว และพื้นผิววิ่งอาร์คที่เคลื่อนไหว ประเภทโครงสร้างขั้วต่อสามารถแบ่งออกเป็นประเภทสนามแม่เหล็กขวางที่มีพื้นผิววิ่งอาร์คแบบเกลียว ประเภทสนามแม่เหล็กตามยาว และประเภททรงกระบอก กลไกการดำเนินงานทำให้ขั้วต่อทั้งสองใกล้กันผ่านการเคลื่อนที่ของแท่งนำไฟฟ้าที่เคลื่อนไหว ทำให้เกิดการเชื่อมต่อวงจร

• ระบบป้องกัน: ประกอบด้วยกระบอกป้องกัน ฝาครอบป้องกัน และอุปกรณ์อื่น ๆ ฝาครอบป้องกันที่ใช้ในปัจจุบันมีประเภทต่าง ๆ เช่น ฝาครอบป้องกันแบบระบายอากาศและฝาครอบป้องกันหลักที่ล้อมรอบขั้วต่อ ฝาครอบป้องกันหลักสามารถลดความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าเฉพาะที่ ปรับปรุงความสม่ำเสมอของการกระจายสนามไฟฟ้าภายในห้องดับอาร์ค ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการทำให้ห้องดับอาร์คขนาดเล็กลง พร้อมกันนี้ยังป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์อาร์คกระเด็นใส่ผนังภายในของท่อฉนวน ทำให้การฉนวนของท่อไม่ได้รับผลกระทบจากการปล่อยอาร์ค สามารถดูดซับพลังงานอาร์ค ควบแน่นผลิตภัณฑ์อาร์ค และเร่งการฟื้นฟูความสามารถในการฉนวนของช่องว่างหลังอาร์ค

กลไกการดำเนินงาน

สวิทช์วงจรป้อนไฟประเภทต่าง ๆ ใช้กลไกการดำเนินงานที่แตกต่างกัน กลไกการดำเนินงานที่ใช้บ่อย ๆ ได้แก่ กลไกการดำเนินงานด้วยสปริง กลไกการสะสมพลังงานด้วยสปริง EIB กลไกการสะสมพลังงานด้วยสปริง CT8 กลไกการสะสมพลังงานด้วยสปริง CT19 กลไกการดำเนินงานด้วยแม่เหล็ก CD10 และกลไกการดำเนินงานด้วยแม่เหล็ก CD17 ซึ่งกลไกการดำเนินงานด้วยสปริงมีข้อดีคือขนาดเล็ก กระแสไฟฟ้าปิดน้อย และความน่าเชื่อถือสูง และกำลังถูกใช้แพร่หลายในสวิทช์เกียร์ที่มีระดับแรงดันต่าง ๆ

ฟังก์ชันและหลักการทำงานของสวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศ

ฟังก์ชันและคุณลักษณะ

ภายใต้เงื่อนไขการทำงานปกติ สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศที่ตรงตามช่วงพารามิเตอร์ทางเทคนิคสามารถรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและน่าเชื่อถือในระบบไฟฟ้าที่มีระดับแรงดันที่สอดคล้องกัน อายุการใช้งานทางกลของสวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศประมาณ 20,000 ครั้ง และจำนวนการตัดกระแสสั้นที่มีความจุเต็มรูปแบบคือ 50 ครั้ง สามารถทำงานบ่อยครั้งหรือตัดกระแสสั้นหลายครั้งภายในช่วงกระแสไฟฟ้าทำงาน สวิทช์วงจรป้อนไฟแรงดันสูงแบบสุญญากาศมีข้อดีคือความน่าเชื่อถือสูง การทำงานตลอดเวลา ไม่ต้องบำรุงรักษา ฟังก์ชันครบถ้วน สามารถเปลี่ยนทดแทนได้ดี และมีความเป็นสากลสูง สามารถนำไปใช้ในการทำงานรีเซ็ตด้วยคุณสมบัติต่าง ๆ สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศใช้กระบอกฉนวนแนวตั้งและโครงสร้างฉนวนที่มั่นคง - เสาโพลสัมผัสที่มั่นคงและมีการปิดสนิท สามารถต้านทานอิทธิพลของสภาพแวดล้อมพิเศษต่าง ๆ และไม่ต้องบำรุงรักษา พร้อมกันนี้สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศมีวิธีการใช้งานหลายแบบ สามารถติดตั้งแบบคงที่ ใช้งานแบบถอนออก หรือติดตั้งบนเฟรม

การแนะนำหลักการ

เมื่อขั้วต่อที่เคลื่อนไหวและขั้วต่อคงที่ของสวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศเปิดขณะมีประจุ อาร์คสุญญากาศจะเกิดขึ้นระหว่างขั้วต่อ อาร์คทำให้อุณหภูมิพื้นผิวขั้วต่อสูงขึ้น ทำให้เกิดไอโลหะบนพื้นผิวขั้วต่อ โดยพื้นผิวขั้วต่อที่มีรูปร่างพิเศษ เมื่อมีกระแสผ่าน ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้น อาร์คจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตามทิศทางสัมผัสของพื้นผิวขั้วต่อ ไอโลหะและอนุภาคที่มีประจุในเส้นอาร์คจะกระจายตัวออกไปอย่างต่อเนื่อง และความหนาแน่นของไอโลหะและอนุภาคที่มีประจุจะลดลงอย่างต่อเนื่อง เมื่ออาร์คผ่านศูนย์ธรรมชาติ สารกลางระหว่างขั้วต่อจะฟื้นฟูอย่างรวดเร็วจากสารนำไฟฟ้าเป็นสารฉนวน กระแสไฟฟ้าจะถูกตัดและอาร์คจะดับ

สรุปและวิเคราะห์สาเหตุของปัญหา

จากการวิเคราะห์กรณีที่สวิทช์วงจรป้อนไฟแบบสุญญากาศไม่สามารถเปิดหรือไม่สามารถเปิดได้สมบูรณ์เนื่องจากการทำงานบ่อยครั้ง ตรวจสอบที่หน้างานพบว่าสลักเกลียวที่ปลายขวาของเพลาหลักสวิทช์หลุด ทำให้สปริงทริปด้านขวาหล่นและติดอยู่บนเพลาหลักในเวลาเดียวกัน กลไกการทริปพึ่งพาสปริงทริปด้านซ้ายของเพลาหลักเท่านั้น ทำให้สวิทช์ไม่สามารถเปิดได้สมบูรณ์ แม้ว่าความน่าจะเป็นในการเกิดข้อผิดพลาดนี้จะน้อย แต่การเกิดขึ้นอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุทางความปลอดภัยในการผลิต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวิเคราะห์สาเหตุของข้อผิดพลาด กำจัดอันตรายที่อาจเกิดขึ้น และรับประกันความปลอดภัยในการผลิต

แผนการแก้ไขและตรวจสอบ

สลักเกลียวที่ยึดสปริงทริปทั้งสองด้านของเพลาหลักสวิทช์ของกลไก EIB เป็นสลักเกลียวธรรมดา + แหวนสปริง (ดูรูปที่ 1) หลังจากการทำงานของสวิทช์อย่างบ่อยครั้งเป็นระยะเวลานาน สลักเกลียวที่ยึดสปริงทริปด้านขวาของเพลาหลักหลุดเนื่องจากการสั่นสะเทือน ทำให้สปริงทริปด้านขวาหล่นและติดอยู่บนเพลาหลักในเวลาเดียวกัน กลไกการทริปพึ่งพาสปริงทริปด้านซ้ายของเพลาหลักเท่านั้น ทำให้สวิทช์ไม่สามารถเปิดได้สมบูรณ์ จากการตรวจสอบที่หน้างาน พบว่ามีความยาวตามแกนประมาณ 4 มม. ระหว่างเพลาซอลิดด้านขวาของเพลาหลักและท่อหุ้ม และฝาครอบด้านนอกมีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านใน (ดูรูปที่ 2) ในการตอบสนองต่อข้อผิดพลาดนี้ คือ ความผิดพลาดของสวิทช์วงจรป้อนไฟเนื่องจากสปริงทริปหลุดเนื่องจากการคลายสลักเกลียวปลายของเพลาหลักที่ใช้ในการปิดและเปิด ในการตรวจสอบ ทำการประกอบสวิทช์วงจรป้อนไฟที่มีโครงสร้างที่สอดคล้องกันเพื่อจำลองข้อผิดพลาด:

ปรับความยาวตามแกนระหว่างเพลาซอลิดด้านขวาของเพลาหลักของสวิทช์วงจรป้อนไฟจำลองนี้กับท่อหุ้ม เพื่อสร้างช่องว่างประมาณ 4 มม. (ดูรูปที่ 3) และใช้คีมทอร์คเพื่อขันด้วยทอร์ค 45 Nm ดันเข้าไปในห้องทำงานกลไก ค่าเริ่มต้นของเครื่องนับคือ 26 ครั้ง และฝาครอบแสดงอาการทรุดลงไปด้านในเล็กน้อยหลังจากขัน กระบวนการนี้แสดงในรูปที่ 4

สรุปแล้ว เมื่อทอร์คที่ระบุคือ 45 Nm แม้ว่าความยาวตามแกนระหว่างปลอกเพลาและเพลาซอลิดจะถึง 4 มม. และฝาครอบมีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านใน ก็ยังคงมั่นคงจนกว่าจะทำงานมากกว่า 2,200 ครั้ง จากนั้นก็ดำเนินการตรวจสอบในขั้นตอนที่สอง

ปรับความยาวตามแกนระหว่างเพลาซอลิดด้านขวาของเพลาหลักของสวิทช์วงจรป้อนไฟจำลองนี้กับท่อหุ้ม เพื่อสร้างช่องว่าง 4 มม. ใช้คีมทอร์คเพื่อขันด้วยทอร์ค 35 Nm และใช้ฝาครอบที่มีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านในจากขั้นตอนที่ 1 ทำเครื่องหมายด้วยเส้นขีด ดันเข้าไปในห้องทำงานกลไก ค่าเริ่มต้นคือ 2,252 สรุปแล้ว เมื่อทอร์คคือ 35 Nm แม้ว่าความยาวตามแกนระหว่างปลอกเพลาและเพลาซอลิดจะถึง 4 มม. และฝาครอบมีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านใน ก็ยังคงมั่นคงจนกว่าจะทำงานมากกว่า 1,887 ครั้ง จากนั้นก็ดำเนินการตรวจสอบในขั้นตอนที่สาม (ดูรูปที่ 6)

ปรับความยาวตามแกนระหว่างเพลาซอลิดด้านขวาของเพลาหลักของสวิทช์วงจรป้อนไฟจำลองนี้กับท่อหุ้ม เพื่อสร้างช่องว่าง 4 มม. ใช้คีมทอร์คเพื่อขันด้วยทอร์ค 20 Nm และใช้ฝาครอบที่มีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านในจากขั้นตอนที่สาม ทำเครื่องหมายด้วยเส้นขีด ดันเข้าไปในห้องทำงานกลไก ค่าเริ่มต้นคือ 4,139 (ดูรูปที่ 7)

สรุปแล้ว เมื่อทอร์คคือ 20 Nm แม้ว่าความยาวตามแกนระหว่างปลอกเพลาและเพลาซอลิดจะถึง 4 มม. และฝาครอบมีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านใน ก็ยังคงมั่นคงจนกว่าจะทำงานมากกว่า 1,671 ครั้ง จากนั้นก็ดำเนินการตรวจสอบในขั้นตอนที่สี่ (ดูรูปที่ 8 และ 9)

ปรับความยาวตามแกนระหว่างเพลาซอลิดด้านขวาของเพลาหลักของสวิทช์วงจรป้อนไฟจำลองนี้กับท่อหุ้ม เพื่อสร้างช่องว่าง 4 มม. ใช้คีมทอร์คเพื่อขันด้วยทอร์ค 10 Nm และใช้ฝาครอบที่มีการเปลี่ยนรูปและทรุดลงไปด้านในจากขั้นตอนที่สี่ ทำเครื่องหมายด้วยเส้นขีด ดันเข้าไปในห้องทำงานกลไก ค่าเริ่มต้นคือ 5,810 (ดูรูปที่ 10)

ระหว่างการทดสอบ พบว่าเมื่อเครื่องนับถึง 551 ครั้ง ฝาครอบเริ่มหมุนเล็กน้อยเมื่อเทียบกับตำแหน่งเริ่มต้น (ดูรูปที่ 11); เมื่อค่าเพิ่มขึ้นเป็น 820 ครั้ง ฝาครอบหมุนเล็กน้อยเมื่อเทียบกับตำแหน่งที่ 551 ครั้ง (ดูรูปที่ 12); เมื่อค่าถึง 1,122 ครั้ง สปริงทริปหลวมอย่างชัดเจน (ดูรูปที่ 13); เมื่อค่าเพิ่มขึ้นเป็น 1,261 ครั้ง สปริงทริปหลุด (ดูรูปที่ 14)

สรุปกระบวนการทดสอบ

การออกแบบเพลาหลักของกลไกสปริง EIB สร้างขึ้นบนการออกแบบของบริษัท EIB ประเทศเบลเยียม หลังจากแขนโยกถูกตั้งค่าอย่างถูกต้อง สลักเกลียวทั้งสองด้านถูกขันด้วยทอร์คที่ระบุ แหวนสปริง (ทำจากเหล็กสปริง) ถูกใช้เพื่อป้องกันการคลายโดยการเสียดสี หลังจากการประกอบ แหวนสปริงถูกบีบแบน และแรงสปริงทำให้เกิดแรงกดและความเสียดสีระหว่างเกลียว โครงสร้างเพลาและการป้องกันการคลายนี้ได้รับการพิสูจน์ว่าเชื่อถือได้ในการทดสอบอายุการใช้งานทางกลที่สถาบันวิจัยไฟฟ้าแห่งประเทศจีน (CEPRI)

ปัญหาเริ่มต้นของเพลาหลักของกลไก EIB

ในกระบวนการประกอบเริ่มต้น พนักงานต้องปรับปลอกที่มีระดับความคลาดเคลื่อนต่าง ๆ เพื่อทำให้ขนาดสมดุล ทำให้คุณภาพการประกอบไม่สม่ำเสมอและยากต่อการควบคุม หลังจากที่เพลาหลักของสวิทช์วงจรป้อนไฟถูกประกอบ ความคลาดเคลื่อนสะสมทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนตามแกนระหว่างเพลาซอลิดภายในและปลอกภายนอก เมื่อสลักเกลียวถูกขันด้วยทอร์คที่ระบุ กลางของฝาครอบจะทรุดลงไปด้านใน เนื่องจากฝาครอบทำจากวัสดุที่ไม่ใช่เหล็กสปริงที่มีความยืดหยุ่น ทำให้ไม่สามารถฟื้นฟูรูปทรงหลังจากเปลี่ยนรูป นอกจากนี้ ปลอกเพลายังอาจเกิดการไหลเนื่องจากแรงกระแทกในการทำงาน ซึ่งอาจทำให้ทอร์คการขันสลักเกลียวลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป (โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนในชิ้นส่วนเช่น สลักเกลียวและฝาครอบ จนกว่าทอร์คจะลดลงอย่างมาก) การบำรุงรักษาทั่วไปยังมีปัญหาในการใช้คีมที่ธรรมดาในการขันสลักเกลียวด้วยทอร์คที่เพียงพอ จนกระทั่งทอร์คลดลงต่ำกว่า 10 Nm ฝาครอบจะเริ่มคลายอย่างรวดเร็ว ทำลายประสิทธิภาพในการป้องกันการคลายของแหวนสปริง

กระบวนการปรับปรุง

เพื่อกำจัดการลดลงของทอร์คเนื่องจากการทรุดของฝาครอบ กระบวนการได้ถูกปรับ: หลังจากประกอบทั้งหมด แผ่นรองปรับถูกเพิ่มเข้ามาเพื่อทำให้สมดุล สารยึดเกาะเกลียวถูกทาลงบนสลักเกลียว ซึ่งถูกขันด้วยคีมทอร์คที่ 45 Nm ด้วยการติดตั้งแผ่นรองปรับ ไม่มีพื้นที่ให้ฝาครอบทรุดลงไปด้านใน ฝาครอบจะไม่ลดทอร์คการขันลงเนื่องจากการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก ทำให้สวิทช์วงจรป้อนไฟสามารถทำงานอย่างมั่นคงและเชื่อถือได้ตลอดช่วงอายุการใช้งานด้วยทอร์คที่เพียงพอ

มาตรการแก้ไข

สำหรับสวิทช์วงจรป้อนไฟที่มีข้อผิดพลาดนี้ ดังแสดงในรูปที่ 15 ติดตั้งแผ่นรองปรับ หลังจากจัดให้หน้าตัดของเพลาหลักภายในตรงกับปลอกภายนอก ล็อกด้วยสลักเกลียว ทาสารยึดเกาะเกลียวบนสลักเกลียว และใช้คีมทอร์คขันด้วยทอร์ค 45 Nm

เพื่อป้องกันการเกิดเหตุการณ์ที่มีความน่าจะเป็นต่ำเช่นนี้ ทำการตรวจสอบสวิทช์วงจรป้อนไฟที่ได้รับการติดตั้งอย่างละเอียด และติดตั้งแผ่นรองปรับเพื่อให้แน่ใจว่าสวิทช์วงจรป้อนไฟที่ได้รับการติดตั้งสามารถทำงานได้อย่างปกติและเชื่อถือได้

สรุป

บทความนี้เน้นที่กรณีที่สวิทช์วงจรป้อนไฟ AC แรงดันสูงแบบสุญญากาศไม่สามารถเปิดได้อย่างถูกต้อง ผ่านการวิเคราะห์จำลองและการตรวจสอบทดลอง วิเคราะห์สาเหตุของการหลุดของสปริงทริป พบว่าแผ่นรองด้านปลายเปลี่ยนรูปเนื่องจากช่องว่างของเพลาหลัก และหลังจากมีการปิดและเปิดอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน สปริงทริปหลุด ทำให้สวิทช์วงจรป้อนไฟไม่สามารถเปิดได้ สำหรับประเด็นนี้ ได้เสนอแนวทางแก้ไข และแสดงรายละเอียดความเป็นไปได้ของแนวทางแก้ไข พร้อมทั้งเสนอมาตรการแก้ไขที่เหมาะสม เพื่อกำจัดข้อผิดพลาด ฟื้นฟูการใช้งานปกติของสวิทช์วงจรป้อนไฟแรงดันสูง และรับประกันการผลิตที่ปกติขององค์กร