El paper de les campanes en els interruptors al buit
Introducció als Interruptors de Vacuï i els Bellows
Amb l'avanç tecnològic i la creixent preocupació pel canvi climàtic, els interruptors de circuit de vacuï han emergit com una consideració significativa en el domini de l'enginyeria elèctrica.
Les xarxes elèctriques futures estan imposant exigències cada vegada més estrictes al rendiment de commutació dels interruptors de circuit, amb un èmfasi particular en velocitats de commutació més altes i vides útils operatives més llargues. En els interruptors de circuit de mitja tensió, els interruptors de vacuï (VIs) han guanyat una preferència generalitzada. Això és degut al fet que utilitzar el vacuï com a medi d'interrupció ofereix avantatges sense parangon dins d'aquest rang d'aplicació específic. L'interruptor de vacuï serveix com a component central d'un interruptor de circuit de vacuï, i els bellows tenen un paper crucial i eficaç dins dels interruptors de vacuï.
Els bellows metàl·lics s'han dissenyat per mantenir un sel·lament de super - alt vacuï mentre permeten el moviment translacional del contacte elèctric mòbil dins de la cambra de l'interruptor. Tanmateix, la vida útil mecànica d'un interruptor de vacuï es troba predominantment limitada pels anomenats bellows de vacuï. En el context dels interruptors de circuit futurs, la recerca de velocitats de commutació més ràpides inevitablement resultarà en càrregues dinàmiques de tipus impacte més altes. Aquestes càrregues poden desencadenar oscil·lacions dels bellows amb amplituds més grans, reduint significativament la vida útil dels bellows. A més, atès l'increment previst en la freqüència de les operacions de commutació en les xarxes elèctriques futures, la simulació dels bellows de vacuï esdevé indispensable per optimitzar el seu disseny i, en conseqüència, millorar la vida útil mecànica dels interruptors de vacuï.
El Paper dels Bellows en els Interruptors de Vacuï
Els bellows, típicament fabricats a partir de fulls de ferro inoxidable fins, estan dissenyats per facilitar l'obertura i tancament dels contactes mentre asseguren el manteniment d'un entorn de vacuï dins de l'interruptor.
La resistència a la fatiga dels bellows és un factor clau que determina la vida útil mecànica d'un interruptor de vacuï. Cada operació d'obertura i tancament dels contactes sotmet els bellows a tensions, especialment les convolucions situades més properes als extrems. A part de la tensió mecànica directa del moviment operatiu, els bellows també experimenten oscil·lacions post - operacionals un cop cessa el moviment del contacte. Aquestes oscil·lacions contribueixen addicionalment al desgast dels bellows, accelerant la seva degradació a lo llarg del temps.
La Figura 1 il·lustra un tipus específic de bellows per a interruptors de vacuï fabricats per la companyia Sigma - Netics.
Fig 1: Bellows d'Interruptor de Vacuï de la companyia Sigma - Netics
La vida útil mecànica dels interruptors de vacuï es veu significativament influenciada per diversos paràmetres crítics del moviment del contacte:
Travessia del contacte en estat estacionari o separació: Això determina la distància que els contactes es separen durant l'operació, impactant l'aislament elèctric i les capacitats d'extinció de l'arc.
Velocitat d'obertura i tancament: Velocitats més ràpides poden millorar el rendiment de commutació, però també imposen càrregues dinàmiques més grans als components, inclosos els bellows.
Amortigament al final de la travessia d'obertura i tancament: Un amortigament adequat és essencial per minimitzar les vibracions i reduir la tensió mecànica sobre els bellows i altres parts.
Sobrepassament i rebote en l'obertura: Aquests fenòmens poden causar un desgast addicional dels contactes i dels bellows, potencialment acurtant la vida útil total.
Resiliència de muntatge: La manera en què s'instal·la l'interruptor de vacuï pot afectar la distribució de forces durant l'operació, influenciant la vida útil mecànica dels bellows.
Rebot del contacte en el tancament: El rebot excessiu del contacte pot conduir a arcos i augmentar la tensió sobre els bellows, degradant-ne el rendiment a lo llarg del temps.
Els bellows tenen un doble paper en els interruptors de vacuï. Permeten el moviment del contacte mòbil mentre mantenen un sel·lament hermètic de vacuï. Construïts a partir de ferro inoxidable, normalment amb un espessor d'aproximadament 150 µm, estan dissenyats per resistir les condicions d'operació severes dins de l'interruptor. Tres tipus de bellows han estat integrats amb èxit en els dissenys d'interruptors de vacuï:
Bellows hidroformats sense costures: Aquests es formen sense costures visibles, oferint potencialment una integritat i un rendiment millors.
Bellows hidroformats amb costures soldades: Fabricats soldant les costures després de l'hidroformació, equilibren els requisits de cost i rendiment.
Bellows fabricats a partir de rondelles de ferro inoxidable fin fregades a les vores: Construïts soldant juntes rondelles fines, ofereixen una solució econòmica per a certes aplicacions.
Detalls exhaustius sobre el disseny i el rendiment dels bellows es poden trobar en els Estàndards EJMA.
Un extrem dels bellows es fixa segurament brasant-lo a la placa final de l'interruptor de vacuï, mentre que l'altre extrem es braza al terminal mòbil i es mou en conjunt amb ell quan els contactes s'obreixen i tanquen. En un interruptor de vacuï, els bellows es veuen sotmesos a un moviment impulsiu durant les operacions de contacte. La velocitat d'obertura del contacte mòbil pot augmentar ràpidament de 0 m/s a tan alt com 2 m/s en menys de 100 µs. Al final de la travessia del contacte, tant en l'obertura com en el tancament, l'extrem mòbil dels bellows s'atura abruptament.
La freqüència d'aquestes operacions d'obertura i tancament varia depenent del cicle de treball. En alguns casos, poden ocórrer nombroses vegades, mentre que en d'altres són rares. El moviment impartit als bellows és lluny d'estar uniforme, i és habitual que els bellows oscil·lin diverses vegades durant una sola operació d'obertura o tancament. Per aquells interessats en analitzar aquest moviment dels bellows, s'ha desenvolupat un enfocament analític general per determinar les tensions dinàmiques experimentades pels bellows sota moviment impulsiu.
La majoria de fabricants d'interruptors de vacuï obtenen els seus bellows de fabricants de bellows establerts i col·laboren amb ells per aconseguir la vida útil desitjada dels bellows. Això normalment es realitza incorporant els bellows en un interruptor de vacuï pràctic i realitzant proves de vida útil mecànica en un nombre estadísticament significatiu de mostres d'interruptors de vacuï. Es pot assignar una vida útil mecànica específica a l'interruptor de vacuï amb aquests bellows utilitzant l'anàlisi de Weibull. Normalment, el límit de vida útil mecànica d'un interruptor de vacuï es determina pel nombre d'operacions que els bellows poden suportar abans de produir-se un fallament per fatiga.
Quan es fan proves mecàniques d'un interruptor de vacuï, és crucial sotmetre els bellows als mateixos paràmetres d'operació que experimentaran en un dispositiu de commutació. Aquests paràmetres inclouen el recorregut total (travessia operativa més sobrecàrrega), la velocitat màxima d'obertura, la velocitat màxima de tancament, i els efectes de l'acceleració i la desacceleració. Provar els bellows dins de l'interruptor de vacuï assegura que passin per tots els passos de fabricació que experimentarà el dispositiu final. Per exemple, haurien de ser exposats a totes les cicles de calentament i refredament necessaris per a la fabricació d'interruptors de vacuï. Aquests processos inevitablament annealaran el metall dels bellows, alterant la seva microestructura granular i, en conseqüència, les seves característiques de rendiment.
La vida útil mecànica d'un bellows específic no només depèn dels paràmetres d'operació mencionats anteriorment, sinó també dels seus propis atributs físics. Aquests inclouen el tipus de ferro inoxidable utilitzat, la seva longitud, diàmetre, espessor, el nombre de convolucions, i la seva capacitat per amorteir el moviment un cop el contacte s'atura. És factible dissenyar bellows que puguin realitzar de manera fiable les 30.000 operacions normals requerides per a la majoria dels interruptors de circuit de vacuï i els reclosers de vacuï, i fins i tot superar 10^6 operacions per a contactors de vacuï. No obstant això, malgrat els esforços dels fabricants d'interruptors de vacuï per dissenyar els seus productes per complir la vida útil mecànica especificada de diversos dispositius de commutació, la majoria dels interruptors de vacuï no assolen la vida útil declarada quan es despleguen al camp.Per a més detalls sobre les raons de fallida dels Interruptors de Vacuï (VIs), si us plau, referiscu - vos a l'article rellevant.
El dissenyador d'interruptors de vacuï ha de prendre precaucions per evitar que l'usuari torci els bellows quan instal·la l'interruptor de vacuï en un mecanisme. Un bellows tordut pot veure's greument reduït la seva vida útil mecànica, potencialment a menys del 1% de la seva vida útil dissenyada. El moment que es pot aplicar a un bellows de parets fines en un interruptor de vacuï abans de la torsió permanent és relativament baix, aproximadament 8.5–11.5 Nm. Per evitar la torsió dels bellows, el dissenyador hauria d'insertar un busi anti - torsió dins d'ell. Aquest busi es pot bloquejar fixant - ho a la placa final de l'interruptor. La superfície interna del busi té una forma o una ranura per prevenir qualsevol rotació del terminal de cobre mòbil adjunt al bellows (com es mostra en la Figura 2). El material del busi pot ser metàl·lic o un plàstic com el Nylatron. Quan s'utilitzen materials plàstics com el Nylatron i el Valox, cal ser prudent. Aquests materials només es poden utilitzar en aplicacions on la temperatura màxima permès que experimentaran està limitada. Per exemple, per al Nylatron, la temperatura a la qual la seva resistència a la tracció es redueix al 50% després de 100.000 hores és aproximadament 125°C (pot soportar temperatures més altes per períodes curts sense deformar - se a causa del seu contingut en fibra de vidre), i per al Valox DR48, és al voltant de 140°C. També hi ha plàstics més caros i de alta temperatura disponibles, com el "Ultem 2310 R."
Fig 2: Exemples de Busis Anti - torsió per a la Protecció dels Bellows
El material utilitzat per aquests busis anti - torsió té una temperatura màxima permès d'aproximadament 180°C. Pot soportar exposicions a curt termini (aproximadament 1 hora) a temperatures superiors a aquest límit sense deformacions significatives.
Per als interruptors de vacuï que operen a tensions més altes de circuit - breaker, es requereix una travessia del contacte més llarga. Per exemple, a 72.5 kV, es requereix una travessia d'aproximadament 40 mm. Per acomodar aquesta travessia allargada, els bellows han de ser proporcionalsment allargats. No obstant això, els bellows molt llargs no s'obreixen i tanquen de manera uniforme. En comptes, tendeixen a retorcer - se durant el moviment. Com a resultat, les convolucions interns dels bellows poden fregar contra el terminal de cobre (Cu). Aquesta fricció pot reduir substancialment la vida útil dels bellows.
Per abordar aquest problema, s'han desenvolupat bellows especialitzats amb pads interns. Aquests pads lliscen a través dels terminals de Cu, minimitzant el desgast. Un exemple d'aquest disseny de bellows es mostra en la Figura 3.
