Преимущества использования упругих контактов в новом поколении вакуумных прерывателей
Вакуумный прерыватель на основе упругих контактов
Вакуумный прерыватель, использующий упругие демпфирующие элементы из жаропрочных металлов, пропитанных эвтектическим сплавом с низкой температурой плавления, может применяться в вакуумных коммутационных устройствах, особенно в системах, требующих коммутации больших токов (например, электролизеры для производства водорода и металлов) или высокоскоростной коммутации (например, среднее напряжение постоянного тока). Эти прерыватели также подходят для мгновенного увеличения коммутирующей способности существующих систем, таких как безопасное повышение нагрузки на переключатели под нагрузкой (OLTC) для трансформаторов ветрогенераторов.
Использование упругих контактов устраняет ограничения на величину номинального тока, вызванные квадратичным увеличением сил сжатия. В результате новые системы могут быть спроектированы более компактными и экономически эффективными. Однако для их внедрения необходимо дальнейшее исследование и включение этих результатов в стандарты.
Концепция упругих контактов в вакуумных прерывателях
По своей сути упругие контакты для вакуумных прерывателей похожи на виброгасители из проволочной сетки (Рис.1), изготовленные из жаропрочных металлов и пропитанные низкоплавкими сплавами, обеспечивающими контакт через жидкую фазу. Ранняя литература называет их композитными жидкостно-металлическими контактами, но этот термин не является определительным для данного типа контактов, поскольку жидкая фаза существует лишь в виде тонкого слоя на поверхности жаропрочной проволоки.
Напротив, значительные характеристики — устойчивость к вибрации и контакт по всей видимой площади — достигаются благодаря свойствам вязаного демпфера. Конструкция упругих контактов не только преодолевает ограничения традиционных контактных материалов в условиях высокого давления и больших токов, но и обеспечивает стабильность и надежность работы оборудования. Это нововведение имеет решающее значение для повышения эффективности и безопасности энергетических систем и предоставляет более гибкий и эффективный подход к проектированию будущих проектов в области электротехники.
Благодаря использованию упругих контактов технология вакуумных прерывателей достигает превосходных характеристик и надежности, что делает ее важным достижением для современных энергетических систем. Дальнейшие исследования и стандартизация откроют путь для широкого применения и интеграции этой технологии в различных отраслях.
Преимущества и проблемы использования упругих контактов в вакуумных прерывателях
Эти упругие контакты не обладают инертным отскоком, не могут свариваться, не имеют традиционного контактного сопротивления и, как будет показано ниже, не подвержены электромагнитному разделению. Учитывая эти замечательные свойства, можно задаться вопросом, почему такие материалы до сих пор не получили широкого распространения в электротехнике.
Основные проблемы материалов упругих контактов в вакуумных прерывателях:
Технология производства: До недавнего времени производство и применение материалов упругих контактов требовало дорогостоящего оборудования, сложных термохимических процессов в водородной атмосфере и специально обученного персонала. Одной из основных проблем была плохая адгезия галлия и его сплавов к вольфраму и другим жаропрочным металлам.
Отсутствие консолидированной информации: Исследования по этим упругим контактам не были объединены в один источник, что делает их менее доступными для специалистов.
Отсутствие систематических исследований: Несмотря на их исключительные свойства, систематические исследования, позволяющие инженерам эффективно применять эти материалы, не были проведены.
Процесс производства упругих контактов
Технологический барьер был преодолен автором в апреле 2024 года путем разработки простого метода производства и применения материалов упругих контактов (патентная заявка PCTIB2024/054125). Этот метод проще и, в большинстве случаев, более экономичен по сравнению с традиционными жесткими контактами, используемыми в вакуумных коммутационных устройствах.
Шаги, включенные в процесс:
Изготовление демпфера: Демпфер изготавливается из вязаной проволоки — обычно вольфрама, который ранее использовался в нитях накала ламп накаливания, — или нержавеющей стали. В особых случаях могут использоваться молибден, ниобий, рений и их сплавы. Эти демпферы легко доступны от производителей.
Пайка: Демпферы припаиваются к проводникам аналогично тому, как это делается с жесткими контактами.
Пропитка низкоплавким сплавом: Демпферы пропитываются низкоплавким сплавом, который остается жидким при рабочих условиях. Обычно используются эвтектические сплавы галлия, индия и олова, часто с добавками, такими как серебро, для снижения температуры плавления.
Испытание упругих контактов в вакуумных прерывателях
Испытания на долговечность проводились на предсерийном вакуумном контакторе, специально разработанном для упругих контактов. В ходе этих испытаний контакты прошли 200 000 циклов коммутации при 250 А в режиме AC4, с токами, достигающими 600 ампер, и напряжениями до 690 вольт. Испытания на перенапряжение показали, что перенапряжения были в 2-3 раза ниже стандартных норм.
Этот прорывной метод обещает революционизировать область вакуумных прерывателей, обеспечивая превосходные характеристики и надежность, а также снижая затраты. Для полной интеграции этой технологии в более широкие применения в отрасли электротехники необходимы дальнейшие исследования и усилия по стандартизации. Преодолевая проблемы производства и распространения знаний, эти инновационные упругие контакты могут вскоре стать стандартом в современных энергетических системах.
