Die rol van bellow in vakuumonderbrekers
Inleiding tot Vakuümonderbrekers en Bellen
Met tegnologiese vooruitgang en toenemende besorgdheid oor globale verhitting, het vakuümsirkuitsbreekers 'n belangrike oorweging in die elektriese ingenieurswese geword.
Toekomstige kragnette stel steeds strenger eise aan die switsersprestasie van sirkuitsbreekers, met 'n spesifieke klem op hoër switserspoed en verlengde bedryfslange. In medium-spanningsirkuitsbreekers het vakuümonderbrekers (VIs) wye voorkeur geniet. Dit is omdat die gebruik van vakuüm as 'n onderbreekmedium ongeëweegde voordele bied binne hierdie spesifieke toepassingsbereik. Die vakuümonderbreker dient as die kernkomponent van 'n vakuümsirkuitsbreekers, en bellen speel 'n kritiese en effektiewe rol binne vakuümonderbrekers.
Metaalbellen word ontwerp om 'n ultra-hoë vakuümseël te handhaaf terwyl dit gelyktydig die translasionele beweging van die bewegende elektriese kontak binne die onderbrekerkamer moontlik maak. Die meganiese leeftyd van 'n vakuümonderbreker word egter hoofsaaklik beperk deur die so-genaamde vakuümbellen. In die konteks van toekomstige sirkuitsbreekers, sal die strewe na snellere switserspoed onvermydelik lei tot hoër dinamiese impaklaste. Hierdie laste kan bellenosillasies met groter amplitudes veroorsaak, wat die leeftyd van die bellen beduidend verminder. Verder, gegee die voorspelde toename in die frekwensie van switseroperasies in toekomstige kragnette, word die simulasie van vakuümbellen onmisbaar vir die optimalisering van hul ontwerp en, gevolglik, die verbetering van die meganiese leeftyd van vakuümonderbrekers.
Die Rol van Bellen in Vakuümonderbrekers
Bellen, tipies vervaardig uit dun roestvrystalen plaatte, word ontwerp om die oop- en toe-beweging van kontakte te fasiliteer terwyl dit die handhawing van 'n vakuüm-omgewing binne die onderbreker verseker.
Die vermoeidheidsbestandheid van bellen is 'n sleutelfaktor wat die meganiese leeftyd van 'n vakuümonderbreker bepaal. Elke kontak oop- en toe-operasie onderwerp die bellen aan spanning, veral die konvolusies wat die naaste by die einde geleë is. Behalwe die direkte meganiese spanning van die operasiebeweging, ervaar die bellen ook post-operasie osillasies eenmaal die kontakbeweging ophou. Hierdie osillasies dra by tot die versletenheid van die bellen, wat sy degradasie oor tyd versnel.
Figuur 1 illustreer 'n spesifieke tipe bellen vir vakuümonderbrekers vervaardig deur Sigma-Netics maatskappy.
Figuur 1: Vakuümonderbrekerbellen deur Sigma-Netics maatskappy
Die meganiese leeftyd van vakuümonderbrekers word beduidend beïnvloed deur verskeie kritiese kontakbewegingsparameters:
Stadigtoestandskontakstrook of gaping: Dit bepaal die afstand waaroor die kontakke gedurende operasie geskei word, wat die elektriese isolasie en boog-verdelgingsvermoë beïnvloed.
Oop- en toespoed: Snellere spoede kan die switsersprestasie verbeter, maar ook groter dinamiese laste op die komponente, insluitend die bellen, plaas.
Bewegingsdemping aan die einde van die oop- en toeslag: Adequate demping is noodsaaklik om vibrasies te minimeer en meganiese spanning op die bellen en ander dele te verminder.
Overschiet en terugkaatsing by oopmaak: Hierdie verskynsels kan addisionele versletenheid op die kontakke en bellen veroorsaak, wat potensieel die algehele leeftyd verkort.
Monteerresilienste: Die manier waarop die vakuümonderbreker gemonteer word, kan die verspreiding van kragte tydens operasie beïnvloed, wat die meganiese leeftyd van die bellen beïnvloed.
Kontakbouncing by toebring: Uitmattende kontakbouncing kan lei tot boogvorming en verhoogde spanning op die bellen, wat sy prestasie oor tyd degradeer.
Bellen speel 'n dubbelrol in vakuümonderbrekers. Hulle maak die beweging van die bewegende kontak moontlik terwyl hulle 'n vakuümseëldruk handhaaf. Gebou uit roestvrystaal, tipies met 'n dikte van ongeveer 150 µm, word hulle ontwerp om die streng operasie-omstandighede binne die onderbreker te weerstaan. Drie tipes bellen is suksesvol in vakuümonderbrekerontwerpe geïntegreer:
Seamlose hydrogeformeerde bellen: Hierdie is gevorm sonder sienbare nade, wat potensieel verhoogde integriteit en prestasie bied.
Naad-gehegte hydrogeformeerde bellen: Vervaardig deur nadere te heg na hydroforming, hulle balanseer koste en prestasierequiremente.
Bellen gemaak van rand-gehegte, dun roestvrystalen washers: Gebou deur dun washers saam te heg, hulle bied 'n koste-effektiewe oplossing vir sekere toepassings.
Komplekse details oor bellenontwerp en -prestasie kan in die EJMA-standaarde gevind word.
Een einde van die bellen word veilig vasgeheg deur dit te bras tot die eindplaat van die vakuümonderbreker, terwyl die ander einde gebras word tot die bewegende terminal en saam met dit beweeg as die kontakke oop- en toebring. In 'n vakuümonderbreker word die bellen blootgestel aan impulsiewe beweging tydens kontakoperasies. Die oopspoed van die bewegende kontak kan vinnig toeneem van 0 m/s tot so hoog as 2 m/s in minder as 100 µs. Aan die einde van die kontakstrook, of dit nou oop- of toebring is, kom die bewegende einde van die bellen skerp tot stilstand.
Die frekwensie van hierdie oop- en toe-operasies varieer afhangende van die werksiklus. In sommige gevalle kan hulle vele kere voorkom, terwyl in ander gevalle hulle selde is. Die beweging wat aan die bellen oorgedra word, is verre van uniform, en dit is algemeen dat die bellen meermal tydens 'n enkele oop- of toeoperasie osilleer. Vir diégene wat geïnteresseerd is in die analise van hierdie bellenbeweging, is 'n algemene analitiese benadering ontwikkel om die dinamiese spannings wat deur die bellen onder impulsiewe beweging ervaar word, te bepaal.
Die meeste vakuümonderbrekervervaardigers verkry hul bellen van goed gestigte bellenvervaardigers en werk saam met hulle om die gewenste bellenleeftyd te bereik. Dit word tipies bereik deur die bellen in 'n praktiese vakuümonderbreker te inkorporeer en meganiese leeftydstoetse uit te voer op 'n statisties betekenisvolle aantal vakuümonderbrekersamples. 'n Spesifieke meganiese leeftyd kan dan aan die vakuümonderbreker met daardie bellen toegewys word deur Weibull-analise. Gewoonlik word die meganiese leeftydlimiet van 'n vakuümonderbreker bepaal deur die aantal operasies wat die bellen kan verdul voordat vermoeidheidsfaal plaasvind.
Wanneer 'n vakuümonderbreker meganies getoets word, is dit cruciaal om die bellen aan dieselfde operasieparameters te blootstel wat hulle in 'n switsertoestel sal ervaar. Hierdie parameters sluit in die totale reis (bedryfgap plus oor-reis), maksimum oopspoed, maksimum toespoed, en die effekte van versnelling en afremming. Die toetsing van die bellen binne die vakuümonderbreker verseker dat dit al die vervaardigingsstappe ondergaan wat die voltooide toestel sal ervaar. Byvoorbeeld, moet dit blootgestel word aan al die verhit- en afkoelingsiklusse wat vir vakuümonderbrekervervaardiging nodig is. Hierdie prosesse sal onvermydelik die metaal van die bellen anneal, wat sy korrel-mikrostruktuur en, gevolglik, sy prestasiekarakteristieke verander.
Die meganiese leeftyd van 'n spesifieke bellen hang nie net af van die bogenoemde operasieparameters, maar ook van sy eie fisiese eienskappe. Hierdie sluit in die tipe roestvrystaal wat gebruik word, sy lengte, diameter, dikte, die aantal konvolusies, en sy vermoë om beweging te demp eenmaal die kontak ophou beweeg. Dit is moontlik om bellen te ontwerp wat betroubaar die normale 30,000 operasies vereis vir die meeste vakuümsirkuitsbreekers en vakuümheraanbreekers kan uitvoer, en selfs meer as 10^6 operasies vir vakuümkontakters. Echter, ondanks die pogings van vakuümonderbrekervervaardigers om hul produkte te ontwerp om die gespesifiseerde meganiese leeftyd van verskeie switsertoestelle te bevredig, bereik die meeste vakuümonderbrekers hul gestelde meganiese leeftyd nie wanneer hulle in die veld ingespan word nie.Vir meer insigte oor die faalredes van Vakuümonderbrekers (VIs), verwys asseblief na die relevante artikel.
Die vakuümonderbrekerontwerper moet vooruitsig neem om te verhoed dat die gebruiker die bellen verdraai wanneer die vakuümonderbreker in 'n meganisme geïnstalleer word. 'n Verdraaide bellen kan sy meganiese leeftyd drasties verminder, potensieel tot minder as 1% van sy ontwerp leeftyd. Die torus wat op die dunwandige bellen in 'n vakuümonderbreker aangewend kan word voordat permanente verdraaiing plaasvind, is relatief laag, ongeveer 8.5–11.5 Nm. Om bellenverdraaiing te vermy, moet die ontwerper 'n anti-verdraaiing bushing daarin invoeg. Hierdie bushing kan vasgeheg word deur dit aan die eindplaat van die onderbreker te heg. Die binnekant van die bushing is gevorm of het 'n sleutelgroef om enige rotasie van die bewegende koperterminal wat aan die bellen geheg is, te verhoed (soos in Figuur 2 getoon). Die bushingmateriaal kan metaal of 'n plastiek soos Nylatron wees. Wanneer plastiekmateriaal soos Nylatron en Valox gebruik word, moet waarskuwing geneem word. Hierdie materiaal kan slegs in toepassings gebruik word waar die maksimum toelaatbare temperatuur wat hulle ervaar, beperk is. Byvoorbeeld, vir Nylatron, is die temperatuur waarby sy spanningsterkte na 100,000 ure tot 50% verminder, ongeveer 125°C (dit kan hoër temperature vir kort periodes sonder vervorming weerspan, weens sy glasvezelinhoud), en vir Valox DR48, is dit ongeveer 140°C. Daar is ook meer duur, hoër-temperatuur plastieke beskikbaar, soos “Ultem 2310 R.”
Figuur 2: Voorbeelde van Anti-verdraai Bushings vir Bellenbeskerming
Die materiaal wat gebruik word vir hierdie anti-verdraai bushings het 'n maksimum toelaatbare temperatuur van ongeveer 180°C. Dit kan korttermynblootstelling (ongeveer 1 uur) aan temperature wat hierdie limiet oorskry, verdra sonder beduidende vervorming.
Vir vakuümonderbrekers wat by hoër sirkuitsbreekerspanning bedryf, is 'n langer kontakstrook nodig. Byvoorbeeld, by 72.5 kV, is 'n strook van ongeveer 40 mm nodig. Om hierdie verlengde strook te akkommodeer, moet die bellen proporsioneel verleng word. Echter, baie lank bellen open en sluit nie in 'n uniforme manier nie. In plaas daarvan, tendeer hulle om tydens beweging te kronkel. As gevolg hiervan kan die binnekantkonvolusies van die bellen teen die koper (Cu) terminal wys. Hierdie wryving kan die bellen se leeftyd beduidend verminder.
Om hierdie probleem te adresseer, is spesialiserte bellen met interne paddings ontwikkel. Hierdie paddings skuif langs die Cu terminals, wat versletenheid en verslegting minimeer. 'n Voorbeeld van so 'n bellenontwerp word in Figuur 3 geïllustreer.
