Phân tích và Thảo luận về Sự cố Trục chính của Thiết bị Ngắt điện Chân không trong Cơ cấu EIB

Một thiết bị cắt chân không là loại thiết bị cắt trong đó cả môi trường dập hồ quang và môi trường cách điện giữa các tiếp điểm sau khi dập hồ quang đều là chân không. Là đơn vị bảo vệ và điều khiển cho thiết bị điện và thiết bị chạy bằng điện trong các doanh nghiệp công nghiệp và khai thác mỏ, thiết bị cắt chân không AC cao áp trong nhà có nhiều ứng dụng và có thể được lắp đặt trong tủ cố định, tủ trung tâm, và tủ hai tầng. Là thiết bị điện quan trọng trong thiết bị đóng cắt, thiết bị cắt cao áp phù hợp với nơi cần hoạt động thường xuyên ở dòng điện làm việc định mức hoặc ngắt dòng điện ngắn mạch nhiều lần.

Bài viết này phân tích vấn đề về việc công tắc của thiết bị cắt chân không IEE-Business không mở hoặc đóng đúng cách do hoạt động thường xuyên. Qua các thí nghiệm, đã phát hiện ra rằng lò xo nhảy ở bên phải của trục chính rơi ra là nguyên nhân khiến thiết bị cắt không mở hoặc đóng đúng cách. Một biện pháp cải tiến là lắp đặt các tấm điều chỉnh để đảm bảo hoạt động bình thường của thiết bị cắt, điều này có ý nghĩa tham khảo nhất định cho xây dựng an toàn trong sản xuất của doanh nghiệp.

Cấu trúc của Thiết bị Cắt Chân Không

Thiết bị cắt chân không chủ yếu bao gồm các thành phần như buồng dập hồ quang chân không, cơ cấu vận hành, và giá đỡ.

Buồng Dập Hồ Quang Chân Không

Còn được gọi là ống công tắc chân không, nguyên lý hoạt động của buồng dập hồ quang chân không là sử dụng tính chất cách điện tuyệt vời của môi trường chân không bên trong ống, giúp mạch điện trung và cao áp nhanh chóng dập hồ quang và cắt dòng điện sau khi nguồn điện bị cắt. Các cấu trúc chính của nó như sau:

• Hệ thống Cách Điện Kín: Đây là một thùng chứa kín trong môi trường chân không, chủ yếu bao gồm ống cách điện kín, đĩa nắp di chuyển, đĩa nắp cố định, và ống bellow thép không gỉ. Để đảm bảo độ kín, quy trình vận hành nghiêm ngặt được yêu cầu cho các khớp nối kín. Ngoài ra, cần vật liệu có khả năng thấm khí cực thấp, và lượng khí thoát ra bên trong cũng cần được giới hạn ở mức tối thiểu.

• Hệ thống Dẫn Điện: Nó chủ yếu bao gồm điện cực cố định và điện cực di chuyển. Điện cực cố định bao gồm tiếp điểm cố định, thanh dẫn điện cố định, và bề mặt chạy hồ quang cố định, trong khi điện cực di chuyển bao gồm tiếp điểm di chuyển, thanh dẫn điện di chuyển, và bề mặt chạy hồ quang di chuyển. Các loại cấu trúc tiếp điểm có thể được chia thành kiểu từ trường ngang với bề mặt chạy hồ quang dạng rãnh xoắn ốc, kiểu từ trường dọc, và kiểu hình trụ. Cơ cấu vận hành làm cho hai tiếp điểm đóng lại thông qua sự di chuyển của thanh dẫn điện di chuyển, do đó hoàn thành kết nối mạch.

• Hệ thống Che chắn: Nó chủ yếu bao gồm ống che chắn, nắp che chắn, và các thiết bị khác. Các nắp che chắn hiện được sử dụng phổ biến bao gồm loại nắp che chắn dạng ống bellow và nắp che chắn chính bao quanh các tiếp điểm. Nắp che chắn chính có thể giảm cường độ điện trường cục bộ, cải thiện sự đồng đều của phân bố điện trường bên trong buồng dập hồ quang, điều này có lợi cho việc nhỏ gọn hóa buồng dập hồ quang chân không. Đồng thời, nó có thể ngăn chặn các sản phẩm hồ quang văng lên thành trong của vỏ cách điện trong quá trình tạo hồ quang, đảm bảo rằng hiệu quả cách điện của vỏ không bị ảnh hưởng bởi xả hồ quang. Nó còn có thể hấp thụ năng lượng hồ quang, cô đặc các sản phẩm hồ quang, và tăng tốc phục hồi khả năng chịu điện của khe hở sau hồ quang.

Cơ cấu Vận Hành

Các loại thiết bị cắt khác nhau sử dụng các cơ cấu vận hành khác nhau. Các cơ cấu vận hành thường được sử dụng bao gồm cơ cấu vận hành lò xo, cơ cấu vận hành tích trữ năng lượng lò xo EIB, cơ cấu vận hành tích trữ năng lượng lò xo CT8, cơ cấu vận hành tích trữ năng lượng lò xo CT19, cơ cấu vận hành điện từ CD10, cơ cấu vận hành điện từ CD17, v.v. Trong đó, cơ cấu vận hành lò xo có ưu điểm là kích thước nhỏ, dòng điện đóng nhỏ, và độ tin cậy cao, và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong thiết bị đóng cắt ở các cấp điện áp khác nhau.

Chức năng và Nguyên Lý của Thiết bị Cắt Chân Không

Chức năng và Đặc Điểm

Trong điều kiện hoạt động bình thường, thiết bị cắt chân không đáp ứng phạm vi thông số kỹ thuật có thể đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của nó trong lưới điện ở cấp điện áp tương ứng. Tuổi thọ cơ học của thiết bị cắt chân không khoảng 20.000 lần, và số lần ngắt dòng điện ngắn mạch toàn bộ là 50 lần. Nó có thể được hoạt động thường xuyên hoặc ngắt dòng điện ngắn mạch nhiều lần trong phạm vi dòng điện làm việc. Thiết bị cắt chân không cao áp có ưu điểm là độ tin cậy cao, hoạt động mọi thời tiết, không cần bảo dưỡng, chức năng đầy đủ, khả năng hoán đổi tốt, và tính đa dụng mạnh, và có thể được áp dụng cho các hoạt động đóng lại với các đặc tính khác nhau. Thiết bị cắt chân không sử dụng ống cách điện đứng và cấu trúc cách điện rắn - ống cột rắn kín, có thể chống lại ảnh hưởng của các môi trường đặc biệt và không cần bảo dưỡng. Đồng thời, thiết bị cắt chân không có nhiều cách sử dụng, có thể được lắp đặt cố định, sử dụng theo cách rút ra, hoặc được lắp trên khung.

Giới thiệu Nguyên Lý

Khi các tiếp điểm di chuyển và tĩnh của thiết bị cắt chân không được mở trong khi có điện, sẽ tạo ra hồ quang chân không giữa các tiếp điểm. Hồ quang nâng cao nhiệt độ bề mặt của các tiếp điểm, gây ra hơi kim loại xuất hiện trên bề mặt tiếp điểm. Dựa trên hình dạng đặc biệt của các tiếp điểm, khi dòng điện đi qua, dưới tác dụng của từ trường mà nó tạo ra, hồ quang di chuyển nhanh chóng theo hướng tiếp tuyến của bề mặt tiếp điểm. Hơi kim loại và các hạt mang điện trong cột hồ quang liên tục khuếch tán ra ngoài, và mật độ của hơi kim loại và các hạt mang điện liên tục giảm. Khi hồ quang tự nhiên đi qua không, môi trường giữa các tiếp điểm nhanh chóng phục hồi từ dẫn điện sang cách điện, dòng điện bị cắt, và hồ quang tắt.

Tóm Tắt và Phân Tích Nguyên Nhân Sự Cố

Phân tích tình huống thiết bị cắt chân không không mở hoặc không mở hoàn toàn do hoạt động thường xuyên, kiểm tra tại chỗ cho thấy vít ở đầu bên phải của trục chính công tắc rơi ra, khiến lò xo nhảy bên phải rơi và bị kẹt trên trục chính cùng lúc. Cơ cấu nhảy chỉ dựa vào lò xo nhảy bên trái của trục chính, khiến công tắc không mở hoàn toàn. Mặc dù xác suất xảy ra sự cố này tương đối nhỏ, nhưng khi xảy ra, nó vẫn có thể dẫn đến tai nạn an toàn sản xuất. Do đó, cần phân tích nguyên nhân sự cố, loại bỏ nguy cơ an toàn tiềm ẩn, và đảm bảo an toàn sản xuất.

Giải Pháp và Kế Hoạch Kiểm Tra

Các vít cố định lò xo nhảy ở cả hai bên trục chính công tắc của cơ cấu EIB là vít thông thường + đệm lò xo (xem Hình 1). Sau nhiều năm hoạt động công tắc thường xuyên, vít cố định lò xo nhảy ở bên phải trục chính rơi ra do rung động, khiến lò xo nhảy bên phải rơi và bị kẹt trên trục chính cùng lúc. Cơ cấu nhảy chỉ dựa vào lò xo nhảy bên trái của trục chính, khiến công tắc không mở hoàn toàn. Qua điều tra tại chỗ, phát hiện có sự khác biệt chiều dài trục khoảng 4mm giữa trục răng ở bên phải trục chính và vỏ ngoài, và nắp cuối bị biến dạng và lún vào bên trong (xem Hình 2). Để giải quyết sự cố này, tức là sự cố thiết bị cắt do lò xo nhảy rơi ra do vít cuối trục đóng và mở bị lỏng, để kiểm tra, một thiết bị cắt có cấu trúc tương ứng được lắp ráp lại để mô phỏng sự cố:

Điều chỉnh chiều dài trục giữa trục răng ở bên phải trục chính của thiết bị cắt mô phỏng này và vỏ ngoài để tạo ra khoảng cách khoảng 4mm (xem Hình 3), và dùng tuốc nơ vít lực siết chặt với lực siết 45Nm. Đẩy nó vào buồng chạy thử cơ học. Số lần đếm ban đầu là 26 lần, và nắp cuối hiển thị hiện tượng lún nhẹ sau khi siết chặt. Quá trình được hiển thị trong Hình 4.

Tóm lại, khi lực siết quy định là 45 Nm, ngay cả khi chiều dài trục giữa ống trượt và trục răng đạt 4 mm và nắp cuối bị biến dạng và lún, nó vẫn được cố định tốt cho đến hơn 2.200 lần hoạt động. Sau đó, tiến hành kiểm tra giai đoạn thứ hai.

Điều chỉnh chiều dài trục giữa trục răng ở bên phải trục chính của thiết bị cắt mô phỏng này và vỏ ngoài để tạo ra khoảng cách 4 mm. Sử dụng tuốc nơ vít lực siết chặt với lực siết 35 Nm, và sử dụng nắp cuối bị biến dạng và lún từ giai đoạn 1. Đánh dấu bằng đường kẻ. Đẩy nó vào buồng chạy thử cơ học. Số lần đếm ban đầu là 2.252. Tóm lại, khi lực siết là 35 Nm, ngay cả khi chiều dài trục giữa ống trượt và trục răng đạt 4 mm và nắp cuối bị biến dạng và lún, nó vẫn được cố định tốt cho đến hơn 1.887 lần hoạt động. Sau đó, tiến hành kiểm tra giai đoạn thứ ba (xem Hình 6).

Điều chỉnh chiều dài trục giữa trục răng ở bên phải trục chính của thiết bị cắt mô phỏng này và vỏ ngoài để tạo ra khoảng cách 4 mm. Sử dụng tuốc nơ vít lực siết chặt với lực siết 20 Nm, và sử dụng nắp cuối bị biến dạng và lún từ giai đoạn thứ ba. Đánh dấu bằng đường kẻ. Đẩy nó vào buồng chạy thử cơ học. Số lần đếm ban đầu là 4.139 (xem Hình 7).

Tóm lại, khi lực siết là 20 Nm, ngay cả khi chiều dài trục giữa ống trượt và trục răng đạt 4 mm và nắp cuối bị biến dạng và lún, nó vẫn được cố định tốt cho đến hơn 1.671 lần hoạt động. Sau đó, tiến hành kiểm tra giai đoạn thứ tư (xem Hình 8 và Hình 9).

Điều chỉnh chiều dài trục giữa trục răng ở bên phải trục chính của thiết bị cắt mô phỏng này và vỏ ngoài để tạo ra khoảng cách 4 mm. Sử dụng tuốc nơ vít lực siết chặt với lực siết 10 Nm, và sử dụng nắp cuối bị biến dạng và lún từ giai đoạn thứ tư. Đánh dấu bằng đường kẻ. Đẩy nó vào buồng chạy thử cơ học. Số lần đếm ban đầu là 5.810 (xem Hình 10).

Trong quá trình thử nghiệm, đã phát hiện ra rằng khi số lần đếm đạt 551 lần, nắp cuối bắt đầu xoay nhẹ so với vị trí ban đầu (xem Hình 11); khi số lần đếm tăng lên 820 lần, nắp cuối xoay nhẹ so với vị trí tại 551 lần (xem Hình 12); khi số lần đếm đạt 1.122 lần, lò xo nhảy có thể nhìn thấy bằng mắt thường bị lỏng (xem Hình 13); khi số lần đếm tăng lên 1.261 lần, lò xo nhảy rơi ra (xem Hình 14).

Tóm Tắt Quá Trình Thử Nghiệm

Thiết kế trục chính của cơ cấu vận hành lò xo EIB dựa trên thiết kế của công ty EIB Bỉ. Sau khi cánh tay đòn được định vị chính xác, các vít ở cả hai bên được siết chặt đến giá trị lực siết quy định. Đệm lò xo (được làm từ thép lò xo) được sử dụng để chống lỏng thông qua ma sát. Sau khi lắp ráp, các đệm lò xo được làm phẳng, và lực đàn hồi của chúng duy trì lực kẹp và ma sát giữa các ren. Thiết kế cấu trúc trục chính và biện pháp chống lỏng này đã được chứng minh là đáng tin cậy trong các thử nghiệm tuổi thọ cơ khí tại Viện Nghiên cứu Điện Trung Quốc (CEPRI).

Vấn Đề Sớm của Trục Chính Cơ Cấu EIB

Trong quá trình lắp ráp ban đầu, công nhân phải điều chỉnh các ống trượt có các cấp dung sai khác nhau để cân bằng kích thước, làm cho chất lượng lắp ráp không đồng nhất và khó kiểm soát. Sau khi trục chính của thiết bị cắt được lắp ráp, các lỗi tích lũy gây ra sự sai lệch chiều dài trục giữa trục răng bên trong và ống trượt bên ngoài. Khi các vít được siết chặt đến lực siết quy định, giữa các nắp cuối sẽ lún vào bên trong. Vì các nắp cuối được làm từ vật liệu đàn hồi không phải thép lò xo, chúng không thể phục hồi sau khi biến dạng. Ngoài ra, ống trượt có thể bò dọc do va chạm trong quá trình hoạt động, điều này có thể dần dần giảm lực siết vít (không có thay đổi rõ ràng nào trên các chi tiết như vít và nắp cuối cho đến khi lực siết giảm đáng kể). Bảo dưỡng thông thường cũng gặp khó khăn trong việc áp dụng đủ lực siết với tua vít thông thường. Cuối cùng, khi lực siết giảm xuống dưới 10 Nm, các nắp cuối sẽ lỏng nhanh, phá hủy hiệu quả chống lỏng của đệm lò xo.

Quy Trình Cải Tiến

Để loại bỏ sự suy giảm lực siết do nắp cuối lún, quy trình đã được điều chỉnh: sau khi lắp ráp tổng thể, các tấm điều chỉnh được thêm vào một cách đồng đều để cân bằng. Keo khóa ren được áp dụng lên các vít, sau đó siết chặt với lực siết 45 Nm bằng tuốc nơ vít lực. Với các tấm điều chỉnh được lắp, không còn không gian cho các nắp cuối lún vào bên trong. Các nắp cuối sẽ không dần dần giảm lực siết do biến dạng dẻo, đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của thiết bị cắt trong suốt thời gian sử dụng với lực siết đủ.

Biện Pháp Sửa Chữa

Đối với thiết bị cắt có sự cố này, như được hiển thị trong Hình 15, hãy lắp đặt các tấm điều chỉnh. Sau khi căn chỉnh mặt cuối của trục chính bên trong với ống trượt bên ngoài, khóa nó bằng vít. Áp dụng keo khóa ren lên các vít và sử dụng tuốc nơ vít lực siết chặt chúng với lực siết 45 Nm.

Để ngăn ngừa sự xảy ra của các sự kiện có xác suất thấp, hãy thực hiện kiểm tra toàn diện các thiết bị cắt đã được đưa vào sử dụng, và lắp đặt các tấm điều chỉnh tương ứng để đảm bảo rằng các thiết bị cắt đã được đưa vào sử dụng có thể hoạt động bình thường và đáng tin cậy.

Kết Luận

Bài viết này tập trung vào tình huống thiết bị cắt chân không AC cao áp không mở đúng cách. Bằng cách phân tích mô phỏng và kiểm tra thực nghiệm, nó phân tích nguyên nhân lò xo nhảy rơi ra. Phát hiện rằng đệm cuối bị biến dạng do khe hở trục chính, và sau đó, sau nhiều năm đóng và mở rung động, lò xo nhảy rơi ra, khiến thiết bị cắt không thể mở. Đối với điều này, một giải pháp được đề xuất, và tính khả thi của giải pháp được chứng minh chi tiết. Các biện pháp sửa chữa tương ứng được đưa ra, nhằm loại bỏ sự cố, khôi phục hoạt động bình thường của thiết bị cắt chân không cao áp, và đảm bảo sản xuất bình thường của doanh nghiệp.