Аналіз та обговорення вади головного валу вакуумного вимикача у механізмі EIB

Вакуумний вимикач — це тип вимикача, у якому як середовище для гасіння дуги, так і ізоляційне середовище між контактами після гасіння дуги є вакуум. Як пристрій захисту та керування електрообладнанням та обладнанням, що приводяться в рух електроенергією, в промислових та горнодобувних підприємствах, внутрішні високовольтні вакуумні вимикачі мають різноманітні застосування і можуть бути встановлені в стаціонарних шафах, середньорозташованих шафах та двоповерхових шафах. Як ключовий електричний прилад серед комутаційного обладнання, високовольтні вимикачі призначенні для місць, де потрібно часто виконувати операції на номінальному робочому струмі або кілька разів переривати струм короткого замикання.

У цій статті аналізується проблема неправильного відкриття або закриття вимикача EIB через часте використання. В результаті експериментів було з'ясовано, що відпалювання пружини на правій стороні головного валу є причиною неправильного відкриття або закриття вимикача. Запропоновано вдосконалення за допомогою встановлення регульованих прокладок, щоб забезпечити нормальне функціонування вимикача, що має певне значення для безпечної роботи підприємства.

Структура вакуумного вимикача

Вакуумний вимикач складається з таких компонентів, як вакуумна камера гасіння дуги, механізм управління та підтримка.

Вакуумна камера гасіння дуги

Також відома як вакуумна лампа, принцип роботи вакуумної камери гасіння дуги полягає у використанні відмінних ізоляційних властивостей вакуумного середовища всередині трубки, що дозволяє швидко загасити дугу та перервати струм у середньо-високовольтному контурі після відключення живлення. Його основні конструктивні елементи наступні:

• Герметична ізоляційна система: Це замкнена кутя в вакуумному середовищі, основними компонентами якої є герметична ізоляційна циліндр, кришка з кінцевим рухом, кришка зі стаціонарним кінцем та нержавіюча гармошка. Для забезпечення герметичності необхідні строгі процеси обробки з'єднувальних швів. Крім того, потрібні матеріали з надзвичайно низькою проникливістю газу, а кількість виділеного внутрішнього газу також повинна бути обмежена до мінімального значення.

• Провідна система: Основними компонентами є стаціонарний електрод та рухомий електрод. Стаціонарний електрод включає стаціонарний контакт, стаціонарний провідний стержень та поверхню розбігу дуги, а рухомий електрод включає рухомий контакт, рухомий провідний стержень та поверхню розбігу дуги. Типи структури контактів можна приблизно поділити на поперечнополе з поверхнею розбігу дуги з спіральною канавкою, продовжувало-поле та циліндричний тип. Механізм управління заставляє два контакти згорнути через рух рухомого провідного стержня, таким чином завершуючи з'єднання контуру.

• Система екранування: Основними компонентами є екранувальний циліндр, екранувальна кришка та інші пристрої. Поточні найпоширеніші екранувальні кришки включають типи, такі як екранувальна кришка з гармошкою та головна екранувальна кришка, яка оточує контакти. Головна екранувальна кришка може знизити локальну напруженість поля, покращити рівномірність внутрішнього розподілу електричного поля камері гасіння дуги, що сприяє її мініатюрізації. Одночасно вона може запобігти розбіженню продуктів дуги на внутрішню поверхню ізоляційної оболонки під час процесу дуги, забезпечуючи, що ізоляційна ефективність оболонки не постраждає від розряду дуги. Вона також може поглинати енергію дуги, конденсувати продукти дуги та прискорити відновлення диелектричної стійкості в проміжку після дуги.

Механізм управління

Різні типи вимикачів використовують різні механізми управління. Поширено використовуються механізми управління, такі як пружинні механізми, пружинні механізми зберігання енергії IEE-Business, пружинні механізми зберігання енергії CT8, пружинні механізми зберігання енергії CT19, електромагнітні механізми CD10, електромагнітні механізми CD17 тощо. Серед них, пружинний механізм має переваги, такі як невеликий розмір, невеликий струм з'єднання та високу надійність, і наразі широко використовується у комутаційному обладнанні різних напруг.

Функція та принцип роботи вакуумного вимикача

Функція та характеристики

При нормальній роботі вакуумний вимикач, який відповідає технічному діапазону параметрів, може гарантувати його безпечну та надійну роботу в мережі відповідної напруги. Механічний термін служби вакуумного вимикача становить приблизно 20 000 циклів, а кількість повних переривань струму короткого замикання становить 50. Він може часто використовуватися або кілька разів переривати струм короткого замикання в рамках робочого струму. Високовольтні вакуумні вимикачі мають переваги, такі як висока надійність, круглодобова робота, без потреби обслуговування, повний набір функцій, хороша взаємозамінність, висока універсальність та можливість застосування до різних характеристик повторного включення. Вакуумні вимикачі використовують вертикальний ізоляційний циліндр та тверду ізоляційну конструкцію — інтегровані тверді герметичні стовпи, що можуть протистояти впливу різних спеціальних середовищ та не потребують обслуговування. Одночасно, вакуумні вимикачі мають кілька способів використання, які можуть бути встановлені стаціонарно, використовуватися вивізно або встановлені на раму.

Опис принципу

Коли рухомий та стаціонарний контакти вакуумного вимикача відкриваються під зарядом, між контактами виникає вакуумна дуга. Дуга підвищує температуру поверхні контактів, викликаючи появи металевого пару на поверхні контактів. На основі особливих форм контактів, коли струм проходить, під дією магнітного поля, дуга швидко переміщується у дотичному напрямку поверхні контактів. Металевий пар та заряджені частинки в стовбурі дуги постійно розсіюються на зовні, а щільність металевого пару та заряджених частинок постійно зменшується. Коли дуга природно проходить нуль, середовище між контактами швидко відновлюється з провідника до ізолятора, струм переривається, а дуга гаситься.

Зведення та аналіз причин аварій

Аналізуючи ситуацію, коли вакуумний вимикач не відкривається або не повністю відкривається через часте використання, на місці було виявлено, що болт на правому кінці головного валу відкрутиться, що призводить до відпалювання пружини на правій стороні головного валу та одночасного застревання її на головному валу. Механізм відключення залежить лише від пружини відключення на лівій стороні головного валу, що призводить до неповного відключення вимикача. Хоча ймовірність такого виникнення вади є відносно невеликою, її виникнення все ж може призвести до аварій безпеки виробництва. Тому необхідно проаналізувати причину виникнення вади, усунути потенційні небезпеки та забезпечити безпечне виробництво.

Рішення та план перевірки

Болти, що фіксують пружини відключення з обох сторін головного валу вимикача EIB, є звичайними болтами + пружинними шайбами (див. Рис. 1). Через роки частого використання вимикача, болт, що фіксує пружину відключення на правій стороні головного валу, відкрутиться через вібрацію, що призводить до відпалювання пружини відключення на правій стороні головного валу та одночасного застревання її на головному валу. Механізм відключення залежить лише від пружини відключення на лівій стороні головного валу, що призводить до неповного відключення вимикача. У результаті проведеного на місці дослідження було виявлено, що між шлицевим валом на правій стороні головного валу та зовнішньою оболонкою є аксіальна довжина приблизно 4 мм, а кришка кінця деформувалася та занурена внутріш (див. Рис. 2). Для вирішення цієї вади, тобто відмови вимикача через відпалювання пружини відключення через ослаблення болта кінця головного валу, для перевірки був перезбіркований вимикач з відповідною конструкцією для моделювання вади:

Налаштуйте аксіальну довжину між шлицевим валом на правій стороні головного валу цього моделюваного вимикача та зовнішньою оболонкою, щоб створити зазор приблизно 4 мм (див. Рис. 3), та затягніть його моментним ключем з моментом 45 Нм. Потім введіть його в механічну камеру для пробігу. Початкове показання лічильника становить 26, а кришка кінця показує легке занурення після затягування. Процес показано на Рис. 4.

Отже, коли заданий момент становить 45 Нм, навіть якщо аксіальна довжина між муфтою та шлицевим валом досягає 4 мм, а кришка кінця деформується та занурюється, він залишається добре зафіксованим до понад 2200 операцій. Потім переходимо до другого етапу перевірки.

Налаштуйте аксіальну довжину між шлицевим валом на правій стороні головного валу цього моделюваного вимикача та зовнішньою оболонкою, щоб створити зазор 4 мм. Затягніть його моментним ключем з моментом 35 Нм, використовуючи деформовану та занурену кришку кінця з першого етапу. Позначте його рискою. Потім введіть його в механічну камеру для пробігу. Початковий лічильник становить 2252. Отже, коли момент становить 35 Нм, навіть якщо аксіальна довжина між муфтою та шлицевим валом досягає 4 мм, а кришка кінця деформується та занурюється, він залишається добре зафіксованим до понад 1887 операцій. Потім переходимо до третього етапу перевірки (див. Рис. 6).

Налаштуйте аксіальну довжину між шлицевим валом на правій стороні головного валу цього моделюваного вимикача та зовнішньою оболонкою, щоб створити зазор 4 мм. Затягніть його моментним ключем з моментом 20 Нм, використовуючи деформовану та занурену кришку кінця з третього етапу. Позначте його рискою. Потім введіть його в механічну камеру для пробігу. Початковий лічильник становить 4139 (див. Рис. 7).

Отже, коли момент становить 20 Нм, навіть якщо аксіальна довжина між муфтою та шлицевим валом досягає 4 мм, а кришка кінця деформується та занурюється, він залишається добре зафіксованим до понад 1671 операцій. Потім переходимо до четвертого етапу перевірки (див. Рис. 8 та Рис. 9).

Налаштуйте аксіальну довжину між шлицевим валом на правій стороні головного валу цього моделюваного вимикача та зовнішньою оболонкою, щоб створити зазор 4 мм. Затягніть його моментним ключем з моментом 10 Нм, використовуючи деформовану та занурену кришку кінця з четвертого етапу. Позначте його рискою. Потім введіть його в механічну камеру для пробігу. Початковий лічильник становить 5810 (див. Рис. 10).

Під час тестування було виявлено, що, коли лічильник досяг 551 операцій, кришка кінця почала трохи обертатися відносно початкового положення (див. Рис. 11); коли лічильник збільшився до 820 операцій, кришка кінця трохи обернулася відносно положення на 551 операцій (див. Рис. 12); коли лічильник досяг 1122 операцій, пружина відключення була візуально пом’якшена (див. Рис. 13); коли лічильник збільшився до 1261 операцій, пружина відключення впала (див. Рис. 14).

Зведення процесу тестування

Дизайн головного валу механізму з пружиною IEE-Business базується на дизайні бельгійської компанії IEE. Після точного позиціонування кривошипів, болти з обох боків затягуються до заданого моменту. Пружинні шайби (виготовлені з пружинної сталі) використовуються для запобігання розкрутки через тертя. Після зборки шайби розпрямляються, а їх відскок зберігає стисковий зусилля та тертя між різьбами. Цей дизайн головного валу та заходи з запобігання розкрутки були доведені до надійності в механічних життєвих тестах у Китайському електротехнічному дослідницькому інституті (CEPRI).

Первинні технологічні проблеми головного валу механізму IEE

На початковому етапі зборки, робітники мали налаштовувати рукави різних класів допусків, щоб збалансувати розміри, що робило якість зборки неоднаковою та важко контролюваною. Після зборки головного валу вимикача, накопичені помилки призводили до аксіальних відхилень між внутрішнім шлицевим валом та зовнішнім рукавом. Коли болти затягувалися до заданого моменту, середина кришок кінця занурювалася внутріш. Оскільки кришки кінця виготовлені з неметалевих пружинних еластичних матеріалів, вони не можуть відновитися після деформації. Крім того, рукав головного валу може відчувати кріплення через ударні впливи під час роботи, що поступово зменшує момент затягування болтів (без очевидних змін у кріпленнях, таких як болти та кришки кінця, до значного зниження моменту). Традиційне обслуговування також не може застосувати достатній момент звичайними ключами. Врешті-решт, коли момент знижується нижче 10 Нм, кришки кінця прискорюють розкрутку, руйнуючи антирозкрутний ефект пружинних шайб.

Вдосконалені технологічні процеси

Для усунення зниження моменту, спричиненого зануренням кришок кінця, процес було відредаговано: після загальної зборки, рівномірно додаються регульовані прокладки для балансування. На болти наноситься різьбовий фіксатор, після чого вони затягуються до 45 Нм моментним ключем. З прокладками, встановленими, немає простору для занурення кришок кінця внутріш. Кришки кінця не будуть поступово зменшувати момент затягування через пластичну деформацію, забезпечуючи стабільну та надійну роботу вимикача протягом всього строку служби при достатньому моменті.

Міри виправлення

Для вимикача з цією вадою, як показано на Рис. 15, встановіть регульовані прокладки. Після вирівнювання торцівого поверхня внутрішнього головного валу з зовнішнім рукавом, зафіксуйте його болтами. Нанесіть різьбовий фіксатор на болти та затягніть їх моментним ключем до моменту 45 Нм.

Для запобігання виникненню таких малоймовірних подій проведіть повну перевірку вимикачів, які були введено в експлуатацію, та встановіть регульовані прокладки, щоб забезпечити, що введений в експлуатацію вимикач може працювати нормально та надійно.

Висновок

Ця стаття зосереджується на ситуації, коли високовольтний вакуумний вимикач не відкривається правильно. За допомогою моделювання т