Ролята на меха във вакуумни прекъснатели
Въведение в вакуумните прекъсвачи и гънките
С технологичния напредък и нарастващата загриженост за глобалното затопляне, вакуумните прекъсвачи са станали значителен фактор в областта на електротехниката.
Бъдещите електрически мрежи поставят все по-строги изисквания към перформанса на прекъсвачите, с акцент върху по-високи скорости на комутация и удължаване на оперативния живот. В среднонаселените прекъсвачи, вакуумните прекъсвачни устройства (VIs) са спечелили широко предпочитание. Това е поради това, че използването на вакуум като средство за прекъсване предлага непревзойдени предимства в този специфичен диапазон приложения. Вакуумният прекъсвач служи като основен компонент на вакуумния прекъсвач, а гънките играят важна и ефективна роля във вакуумните прекъсвачни устройства.
Металните гънки са конструирани да поддържат ултра-високо вакуумно запечатване, докато едновременно позволяват превъртането на движещият се електрически контакт в камерата на прекъсвача. Обаче, механичният живот на вакуумния прекъсвач е главно ограничен от така наречените вакуумни гънки. В контекста на бъдещите прекъсвачи, стремежът към по-бързи скорости на комутация неизбежно ще доведе до по-високи динамични ударни типове товари. Тези товари могат да причинят гънкови колебания с по-големи амплитуди, което значително намалява жизнения цикъл на гънките. Освен това, с очакваното увеличение на честотата на комутационните операции в бъдещите електрически мрежи, симулацията на вакуумните гънки става непременно необходима за оптимизиране на техния дизайн и следователно за подобряване на механичния живот на вакуумните прекъсвачни устройства.
Ролята на гънките в вакуумните прекъсвачни устройства
Гънките, обикновено произведени от тънки неръждаеми стоманени листове, са проектирани да осигуряват отварянето и затварянето на контакти, докато се поддържа вакуумна среда в прекъсвача.
Устойчивостта към умора на гънките е ключов фактор, определящ механичния живот на вакуумния прекъсвач. Всяка операция за отваряне и затваряне на контакти подлагат гънките на стрес, особено конволюцията, най-близка до краищата. Освен прякото механично напрежение от оперативното движение, гънките също изпитват послед-операционни колебания, след като движението на контакта спре. Тези колебания допълнително прибавят към износването на гънките, ускорявайки техния декомпозиционен процес с времето.
Фигура 1 илюстрира специфичен тип гънки за вакуумни прекъсвачи, произведени от компанията Sigma-Netics.
Фиг. 1: Гънки за вакуумни прекъсвачи от компанията Sigma-Netics
Механичният живот на вакуумните прекъсвачи е значително влияет от няколко ключови параметъра на движението на контакти:
Стационарно движение на контакти или разстояние: Това определя разстоянието, на което контакти се разделят по време на операция, влияйки върху електрическата изолация и способността за угасяване на дъга.
Скорост на отваряне и затваряне: По-високи скорости могат да подобрят перформанса на комутация, но също така налагат по-големи динамични товари на компонентите, включително гънките.
Демпфирование на движението в края на хода на отваряне и затваряне: Адекватното демпфирование е необходимо, за да се минимизират вибрациите и да се намали механичният стрес върху гънките и други части.
Преувеличение и отскок при отваряне: Тези явления могат да причинят допълнително износване на контакти и гънки, потенциално съкращавайки общия живот.
Еластичност при монтиране: Начинът, по който вакуумният прекъсвач е монтиран, може да влияе върху разпределението на сили по време на операция, влияйки върху механичния живот на гънките.
Подскачане на контакти при затваряне: Експресивното подскачане на контакти може да доведе до дъга и увеличение на стреса върху гънките, деградирайки техния перформанс с времето.
Гънките изпълняват двойна роля в вакуумните прекъсвачни устройства. Те позволяват движението на движещият се контакт, докато се поддържа вакуумно-тясно запечатване. Изработени от неръждаема стомана, обикновено с дебелина около 150 µm, те са инженерствани, за да издържат суровите условия на работа в прекъсвача. Три типа гънки са успешно интегрирани в дизайна на вакуумните прекъсвачни устройства:
Безшовни гидроформирани гънки: Тези са формирани без видими шевове, потенциално предлагайки подобренa целост и перформанс.
Шевни гидроформирани гънки: Произведени чрез сваряване на шевовете след гидроформиране, те балансират разходи и изисквания за перформанс.
Гънки, изработени от сварени, тънки неръждаеми стоманени пръстени: Конструирани чрез сваряване на тънки пръстени, те предоставят стойностно решение за определени приложения.
Комплексни детайли относно дизайна и перформанса на гънките могат да бъдат намерени в стандартите EJMA.
Единият край на гънките е здраво фиксиран чрез паянзулиране към краен плоча на вакуумния прекъсвач, докато другият край е паянзулиран към движещият се терминал и се движи заедно с него, докато контакти се отварят и затварят. В вакуумния прекъсвач, гънките са подложени на импулсивно движение по време на операциите с контакти. Скоростта на отваряне на движещият се контакт може бързо да се увеличи от 0 m/s до 2 m/s за по-малко от 100 µs. В края на хода на контакта, дали то е отваряне или затваряне, движещият се край на гънките внезапно спира.
Честотата на тези операции за отваряне и затваряне варира в зависимост от цикъла на работата. В някои случаи, те могат да се случват много пъти, докато в други, те са рядки. Движението, придавано на гънките, е далеч от равномерно, и е обикновено гънките да колебаят многократно по време на една операция за отваряне или затваряне. За тези, които са заинтересовани в анализирането на това движение на гънките, е разработен обобщен аналитичен подход, за да се определят динамичните напрежения, изпитвани от гънките при импулсивно движение.
Повечето производители на вакуумни прекъсвачни устройства получават своите гънки от добре установени производители на гънки и сътрудничат с тях, за да постигнат желания живот на гънките. Това обикновено се постига чрез интегриране на гънките в практически вакуумен прекъсвач и провеждане на механични тестове на живот на статистически значителен брой проби от вакуумни прекъсвачи. Специфициран живот на вакуумния прекъсвач може след това да бъде назначен на вакуумния прекъсвач с тези гънки, използвайки анализ на Weibull. Обикновено, границата на механичния живот на вакуумния прекъсвач е определена от броя на операциите, които гънките могат да изтърпят, преди да настъпи умора.
Когато се правят механични тестове на вакуумен прекъсвач, е важно да се подложат гънките на същите оперативни параметри, които ще срещнат в комутиращо устройство. Тези параметри включват общия ход (оперативен разрез плюс надпревишаване), максимална скорост на отваряне, максимална скорост на затваряне, и ефектите от ускорение и забавяне. Тестването на гънките във вакуумния прекъсвач гарантира, че те преминават през всички производствени стъпки, които завършеното устройство ще преживее. Например, те трябва да бъдат изложени на всички цикли на нагорещяване и охлаждане, необходими за производството на вакуумни прекъсвачи. Тези процеси неизбежно ще закалват металът на гънките, променящ неговата зърнеста микроструктура и, следователно, неговите характеристики на перформанс.
Механичният живот на конкретни гънки зависи не само от по-гореспоменатите оперативни параметри, но също и от собствените физически атрибути. Тези включват типа неръждаема стомана, използвана, дължината, диаметъра, дебелината, броят на конволюции, и способността да демпфира движението, след като контактът спре. Е възможно да се проектират гънки, които надеждно могат да извършат нормалните 30,000 операции, необходими за повечето вакуумни прекъсвачи и вакуумни реклоузери, и дори да надхвърлят 10^6 операции за вакуумни контактори. Въпреки усилията на производителите на вакуумни прекъсвачи да проектират своите продукти, за да отговарят на специфицираните механични жизнени цикли на различните комутиращи устройства, повечето вакуумни прекъсвачи не достигат заявеният механичен живот, когато са разположени на поле. За повече възгледи относно причините за отказ на вакуумните прекъсвачни устройства (VIs), моля, се обърнете към съответната статия.
Проектиращият вакуумни прекъсвачи трябва да вземе предпазни мерки, за да предотврати потребителя от завъртане на гънките, когато инсталира вакуумния прекъсвач в механизъм. Завъртаните гънки могат да имат значително намален механичен живот, потенциално до по-малко от 1% от проектираната продължителност. Момента, който може да бъде приложен към тънкостенените гънки във вакуумния прекъсвач, преди постоянното завъртане, е относително нисък, около 8.5–11.5 Nm. За да се избегне завъртането на гънките, проектиращият трябва да вмъкне анти-завъртане бушинг в тях. Този бушинг може да бъде заключен на място, като го прикрепи към краен плоча на прекъсвача. Вътрешната повърхност на бушинга е формирана или има ключово отвор, за да предотврати всякакво завъртане на движещият се меден терминал, прикрепен към гънките (както е показано на Фигура 2). Материалът на бушинга може да бъде метал или пластик, като Nylatron. При използването на пластикови материали като Nylatron и Valox, е необходима предпазливост. Тези материали могат да бъдат използвани само в приложения, където максималната позволена температура, която те ще изтърпят, е ограничена. Например, за Nylatron, температурата, при която неговата напрежителна сила се намалява до 50% след 100,000 часа, е около 125°C (може да изтърпи по-високи температури за кратки периоди без деформация, благодарение на съдържанието му от стъклени влакна), а за Valox DR48, тя е около 140°C. Има и по-скъпи, високотемпературни пластикови материали, като “Ultem 2310 R.”
Фиг. 2: Примери за анти-завъртане бушинги за защита на гънките
Материалът, използван за тези анти-завъртане бушинги, има максимална позволена температура от около 180°C. Може да изтърпи краткосрочно излагане (около 1 час) на температури, надхвърлящи този лимит, без значителна деформация.
За вакуумни прекъсвачи, работещи на по-високи напрежения на прекъсвачи, е необходим по-дълъг контактен ход. Например, при 72.5 kV, е необходим ход от около 40 мм. За да се побере този удължен ход, гънките трябва да бъдат пропорционално удължени. Обаче, много дълги гънки не се отварят и затварят по равномерен начин. Вместо това, те склонят да се извиват по време на движение. Резултатът е, че вътрешните конволюции на гънките може да се трият срещу медния (Cu) терминал. Това триене може значително да намали жизнения цикъл на гънките.
За да се справи с този проблем, са разработени специализирани гънки с вътрешни подложки. Тези подложки се плъзгат по медните терминали, минимизирайки износването. Пример за такъв дизайн на гънки е илюстриран на Фигура 3.
