Zalety wykorzystania Elastycznych Kontaktów w nowej Generacji Wakuowych Przerzutników
Przerzutnik próżniowy oparty na sprężystych kontaktach
Przerzutnik próżniowy wykorzystujący elementy tłumione sprężyste wykonane z metali o wysokiej temperaturze topnienia i nasycane stopem eutektycznym może być stosowany w aparaturze przełączającej w próżni, szczególnie w systemach wymagających przełączania dużych prądów (np. elektrolizery do produkcji wodoru i metali) lub szybkiego przełączania (np. średnie napięcie przemiennego prądu stałego). Są one również odpowiednie do natychmiastowego zwiększenia zdolności przełączania istniejących systemów, takich jak bezpieczne wzmacnianie zmieniaczy połączeń pod obciążeniem (OLTC) dla transformatorów turbin wiatrowych.
Użycie sprężystych kontaktów usuwa ograniczenia dotyczące wielkości nominalnej prądu spowodowane kwadratowym wzrostem sił ściskania. W konsekwencji nowe systemy mogą być zaprojektowane bardziej kompaktowo i kosztowo. Jednak dalsze badania oraz uwzględnienie tych wyników w standardach są niezbędne do ich wdrożenia.
Koncepcja sprężystych kontaktów w przerzutnikach próżniowych
W swoim rdzeniu, sprężyste kontakty dla przerzutników próżniowych są podobne do tłumików drgań z siatek drucianych (Rys.1) wykonanych z metali o wysokiej temperaturze topnienia i nasycanych stopami o niskiej temperaturze topnienia, które zapewniają kontakt przez fazę ciekłą. Wczesna literatura odnosi się do nich jako do złożonych kontaktów płynno-metalowych, ale ten termin nie jest definitywny dla tego konkretnego typu kontaktu, ponieważ faza ciekła istnieje tylko jako cienka warstwa na powierzchni drutu o wysokiej temperaturze topnienia.
Za to znaczące cechy - odporność na drgania i kontakt na całej widocznej powierzchni - są osiągane dzięki właściwościom tłumika drgań. Konstrukcja sprężystych kontaktów nie tylko pokonuje ograniczenia tradycyjnych materiałów kontaktowych w aplikacjach o wysokim ciśnieniu i dużym prądzie, ale także zapewnia stabilność i niezawodność działania sprzętu. Ta innowacja jest kluczowa dla zwiększenia efektywności i bezpieczeństwa systemów energetycznych i oferuje bardziej elastyczne i efektywne podejście do projektowania przyszłych projektów inżynierii elektrycznej.
Dzięki zastosowaniu sprężystych kontaktów technologia przerzutników próżniowych osiąga lepszą wydajność i niezawodność, co czyni ją istotnym postępem dla nowoczesnych systemów energetycznych. Dalsze badania i standaryzacja otworzą drogę do szerszego zastosowania i integracji tej technologii w różnych branżach.
Zalety i wyzwania sprężystych kontaktów w przerzutnikach próżniowych
Te sprężyste kontakty nie wykazują odbicia bezinercyjnego, nie mogą się spajać, nie posiadają konwencjonalnego oporu kontaktowego, a jak będzie pokazane później, nie są podatne na rozdzielenie magnetyczne. Biorąc pod uwagę te wyjątkowe właściwości, można zapytać, dlaczego takie materiały nie zostały jeszcze szeroko przyjęte w inżynierii elektrycznej.
Główne wyzwania materiałowe sprężystych kontaktów w przerzutnikach próżniowych:
Technologia produkcji: Do niedawna produkcja i zastosowanie materiałów kontaktowych sprężystych wymagało drogiego sprzętu, skomplikowanych procesów termochemicznych w atmosferze wodorkowej i specjalnie wyszkolonego personelu. Istotnym problemem była słaba adhezja galu i jego stopów do wolframu i innych metali o wysokiej temperaturze topnienia.
Brak skonsolidowanych informacji: Badania nad tymi sprężystymi kontaktami nie zostały zebrane w jednym źródle, co utrudnia dostęp do nich specjalistom.
Brak systematycznych badań: Pomimo ich wyjątkowych właściwości, nie przeprowadzono systematycznych badań umożliwiających inżynierom efektywne zastosowanie tych materiałów.
Proces produkcji sprężystych kontaktów
Bariera technologiczna została rozwiązana przez autora w kwietniu 2024 roku poprzez opracowanie prostego sposobu produkcji i zastosowania materiałów kontaktowych sprężystych ( wniosek patentowy PCTIB2024/054125). Ta metoda jest prostsza i, w większości przypadków, bardziej ekonomiczna w porównaniu do tradycyjnych sztywnych kontaktów używanych w urządzeniach przełączających w próżni.
Etapy procesu:
Produkcja tłumika: Tłumik jest wykonany z siatki drucianej - zazwyczaj z wolframu, który był wcześniej używany w żarówkach - lub ze stali nierdzewnej. W szczególnych przypadkach można użyć molibdenu, niobu, renu i ich stopów. Te tłumiki są łatwo dostępne u producentów.
Lutowanie: Tłumiki są lutowane na przewodniki podobnie jak sztywne kontakty.
Nasycenie stopem o niskiej temperaturze topnienia: Tłumiki są nasycane stopem o niskiej temperaturze topnienia, który pozostaje ciekły w warunkach pracy. Często używane są eutektyczne stopy galiu, indu i cynku, często z dodatkami srebra, aby obniżyć temperaturę topnienia.
Testowanie sprężystych kontaktów w przerzutnikach próżniowych
Testy trwałości przełączania zostały przeprowadzone na prototypowym kontaktorze próżniowym specjalnie zaprojektowanym dla sprężystych kontaktów. W trakcie tych testów kontakty przeszły 200 000 cykli przełączania przy 250A w trybie AC4, z prądami dochodzącymi do 600 amperów i napięciem do 690 volt. Testy przeciwprądowe wykazały, że przeciwprądy były 2-3 razy niższe niż standardowe normy.
Ta przełomowa metoda obiecuje rewolucjonizować dziedzinę przerzutników próżniowych, dostarczając lepszej wydajności i niezawodności, jednocześnie redukując koszty. Dalsze badania i wysiłki standaryzacyjne są niezbędne, aby w pełni zintegrować tę technologię w szerszych zastosowaniach w branży inżynierii elektrycznej. Poprzez rozwiązanie problemów związanych z produkcją i rozpowszechnianiem wiedzy, te innowacyjne sprężyste kontakty mogą wkrótce stać się standardem w nowoczesnych systemach energetycznych.
