Voordelen van het gebruik van elastische contacten in de nieuwe generatie vacuümonderbreker
Vacuumonderbreker gebaseerd op elastische contacten
Een vacuumonderbreker die gebruik maakt van elastische dempingselementen gemaakt van refractaire metalen en geïmpregneerd met een smeltbare eutectische legering kan worden gebruikt in vacuumschakelapparatuur, vooral in systemen die het schakelen van grote stroomsterkten vereisen (bijv. elektrolyzers voor waterstof- en metaalproductie) of snelle schakeling (bijv. middenspanning gelijkstroom). Deze zijn ook geschikt voor het onmiddellijke verhogen van de schakelcapaciteit van bestaande systemen, zoals het veilig verhogen van de belaste tapveranderders (OLTC) voor windturbine-transformators.
Het gebruik van elastische contacten verwijdert de beperkingen op de nominale stroomsterkte veroorzaakt door de kwadratische toename van de comprimeringskrachten. Daardoor kunnen nieuwe systemen compacter en kosteneffectiever worden ontworpen. Echter, verdere onderzoeken en de integratie van deze bevindingen in normen zijn nodig voor hun implementatie.
Concept van elastische contacten in vacuumonderbrekers
In essentie zijn elastische contacten voor vacuumonderbrekers vergelijkbaar met trilabsorbers van draadgaas (fig. 1) gemaakt van refractaire metalen en geïmpregneerd met lage smeltende legeringen die contact maken via een vloeibare fase. Vroege literatuur noemt ze composiet vloeistofmetaalcontacten, maar deze term is niet definitief voor dit specifieke type contact, omdat de vloeibare fase slechts als een dun laagje op de oppervlakte van het refractaire draad bestaat.
Daarentegen worden de belangrijke kenmerken—trilbestendigheid en contact over het hele zichtbare gebied—bereikt dankzij de eigenschappen van de geknoopte demper. Het ontwerp van elastische contacten overwint niet alleen de beperkingen van traditionele contactmaterialen in toepassingen met hoge druk en hoge stroom, maar zorgt ook voor de stabiliteit en betrouwbaarheid van de werking van apparatuur. Deze innovatie is cruciaal voor het verbeteren van de efficiëntie en veiligheid van energie-systemen en biedt een flexibeler en efficiënter ontwerpaanpak voor toekomstige elektrische projecten.
Door elastische contacten te gebruiken, bereikt de vacuumschakeltechnologie superieure prestaties en betrouwbaarheid, waardoor het een essentiële vooruitgang vormt voor moderne energie-systemen. Verdere onderzoeken en standaardisering zullen de weg vrijmaken voor bredere toepassing en integratie van deze technologie in verschillende industrieën.
Voordelen en uitdagingen van elastische contacten in vacuumonderbrekers
Deze elastische contacten vertonen geen inertierebound, kunnen niet aan elkaar smelten, hebben geen conventionele contactweerstand en, zoals later zal worden aangetoond, zijn ze niet onderhevig aan elektromagnetische scheiding. Gezien deze opmerkelijke eigenschappen zou men zich kunnen afvragen waarom dergelijke materialen nog niet wijdverspreid zijn toegepast in de elektrische techniek.
Belangrijkste uitdagingen van elastische contactmaterialen in vacuumonderbrekers:
Productietechnologie: Tot voor kort vereiste de productie en toepassing van elastische contactmaterialen duurzame apparatuur, complexe thermochimische processen in een waterstofatmosfeer en speciaal getraind personeel. Een belangrijk probleem was de slechte hechting van galium en zijn legeringen aan wolfraam en andere refractaire metalen.
Ontbreken van geconsolideerde informatie: Onderzoek naar deze elastische contacten is niet geconsolideerd in één bron, waardoor het minder toegankelijk is voor specialisten.
Ontbreken van systematisch onderzoek: Ondanks hun uitzonderlijke eigenschappen zijn er geen systematische studies uitgevoerd die ingenieurs in staat stellen deze materialen effectief toe te passen.
Productieproces voor elastische contacten
De technologische hindernis werd in april 2024 door de auteur aangepakt door het ontwikkelen van een eenvoudige methode voor de productie en toepassing van elastische contactmaterialen (octrooi-aanvraag PCTIB2024/054125). Deze methode is eenvoudiger en in de meeste gevallen goedkoper dan traditionele starre contacten die in vacuumschakelapparatuur worden gebruikt.
Stappen in het proces:
Fabricage van de demper: De demper wordt gemaakt van geknoopt draad—meestal wolfraam, dat vroeger werd gebruikt in gloeilampdraden—of roestvrij staal. In speciale gevallen kunnen molybdeen, niobium, rhenium en hun legeringen worden gebruikt. Deze dempers zijn gemakkelijk verkrijgbaar bij fabrikanten.
Löten: De dempers worden op geleiders gelast, vergelijkbaar met hoe starre contacten worden bevestigd.
Impregnatie met lage smeltende legering: De dempers worden geïmpregneerd met een lage smeltende legering die vloeibaar blijft onder werkomstandigheden. Vaak worden eutectische legeringen van galium, indium en tin gebruikt, vaak met toevoegingen zoals zilver om het smeltpunt te verlagen.
Testen van elastische contacten in vacuumonderbrekers
Duurzaamheidstests werden uitgevoerd op een voorproductievacuumcontactor speciaal ontworpen voor elastische contacten. Tijdens deze tests ondergingen de contacten 200.000 schakelcycli bij 250A in AC4-modus, met stroomsterktes tot 600 amperes en spanningen tot 690 volt. Overspanningstests lieten zien dat de overspanningen 2-3 keer lager waren dan de standaardnormen.
Deze doorbraakmethode belooft het vakgebied van vacuumonderbrekers te revolutioneren door superieure prestaties en betrouwbaarheid te bieden terwijl de kosten worden verlaagd. Verdere onderzoeken en standaardisatie-inspanningen zijn nodig om deze technologie volledig te integreren in bredere toepassingen binnen de elektrische techniek-industrie. Door de uitdagingen van productie en kennisverspreiding aan te pakken, kunnen deze innovatieve elastische contacten spoedig een standaard worden in moderne energie-systemen.
