Role pouzdra v vakových přerušovačích

Úvod do vakuových přerušovačů a měchýřů

S pokroky technologie a rostoucí obavami o globální oteplování se vakuové obvody stávají důležitým faktorem v oblasti elektrotechniky.
Budoucí elektrické sítě klade na výkon přepínacích zařízení čím dál větší nároky, zejména na vyšší rychlost přepínání a delší provozní životnost. V přepínacích zařízeních středního napětí získaly vakuové přerušovače (VIs) široké uplatnění. To je způsobeno tím, že použití vakuu jako prostředku pro přerušení nabízí nepřekonatelné výhody v tomto specifickém rozmezí aplikací. Vakuový přerušovač je klíčovou součástí vakuového obvodu, a měchýře hrají v jeho rámci klíčovou a efektivní roli.

Kovové měchýře jsou navrženy tak, aby udržovaly ultravysokovakuumové uzávěry, zároveň umožňují translaci pohyblivého elektrického kontaktu uvnitř komory přerušovače. Nicméně mechanická životnost vakuového přerušovače je převážně omezena tzv. vakuovými měchýři. V kontextu budoucích přepínacích zařízení bude snaha o rychlejší přepínání nevyhnutelně výsledkem vyšších dynamických nárazových zatěžovacích podmínek. Tyto zatěžovací podmínky mohou vyvolat kmitání měchýřů s větší amplitudou, což zásadně zkracuje životnost měchýřů. Kromě toho, vzhledem k očekávanému zvýšení frekvence přepínacích operací v budoucích elektrických sítích, se simulace vakuových měchýřů stává nezbytnou pro optimalizaci jejich návrhu a následně pro zlepšení mechanické životnosti vakuových přerušovačů.

Role měchýřů v vakuových přerušovačích

Měchýře, obvykle vyrobené z tenkých ocelových plechů, jsou navrženy tak, aby umožňovaly otevírání a zavírání kontaktů, zároveň zajišťují udržení vakua uvnitř přerušovače.
Odolnost měchýřů proti unáhlení je klíčovým faktorem určujícím mechanickou životnost vakuového přerušovače. Každá operace otevírání a zavírání kontaktu měchýře zatěžuje, zejména konvoluce nejblíže konce. Kromě přímé mechanické zátěže z operačního pohybu, měchýře zažívají i oscilace po ukončení pohybu kontaktu. Tyto oscilace dále přispívají k opotřebení měchýřů a urychlují jejich degradaci v průběhu času.
Obrázek 1 znázorňuje specifický typ měchýřů pro vakuové přerušovače vyrobené společností Sigma-Netics.

Obr. 1: Měchýře vakuových přerušovačů od společnosti Sigma-Netics

Mechanická životnost vakuových přerušovačů je významně ovlivněna několika klíčovými parametry pohybu kontaktu:

• Stacionární pohyb kontaktu nebo mezera: Tento parametr určuje vzdálenost, kterou se kontakty oddělí během provozu, což má vliv na elektrickou izolaci a schopnost uhasit oblouk.

• Rychlost otevírání a zavírání: Rychlejší rychlosti mohou zlepšit výkon přepínání, ale zároveň klást vyšší dynamické nároky na komponenty, včetně měchýřů.

• Tlumení pohybu na konci otvíracího a zavíracího pohybu: Dostatečné tlumení je nezbytné pro minimalizaci vibrací a snížení mechanické zátěže na měchýře a další části.

• Přeskok a odražení při otevírání: Tyto jevy mohou způsobit dodatečné opotřebení kontaktů a měchýřů, což potenciálně zkracuje celkovou životnost.

• Pružnost montáže: Způsob montáže vakuového přerušovače může ovlivnit rozložení sil během provozu a tedy mechanickou životnost měchýřů.

• Poskakování kontaktu při zavírání: Přílišné poskakování kontaktu může vést k vzniku oblouku a zvýšené zátěži na měchýře, což zhoršuje jejich výkon v průběhu času.

Měchýře mají v vakuových přerušovačích dvojitou roli. Umožňují pohyb pohyblivého kontaktu a zároveň udržují vakuum-těsné uzávěry. Vyrobily jsou z nerezové oceli, obvykle s tloušťkou přibližně 150 µm, a jsou konstruovány tak, aby odolaly tvrdým provozním podmínkám uvnitř přerušovače. Tři typy měchýřů byly úspěšně integrovány do návrhů vakuových přerušovačů:

• Neseamless hydroformované měchýře: Tyto měchýře jsou formovány bez viditelných švů, což může nabízet zlepšenou integrity a výkon.

• Seam-welded hydroformované měchýře: Vyráběny spojením švů po hydroformování, tyto měchýře vyváží náklady a požadavky na výkon.

• Měchýře vyrobené z edge-welded tenkých nerezových kruhů: Konstruovány spojením tenkých kruhů, nabízejí ekonomické řešení pro určité aplikace.

Komplexní detaily ohledně návrhu a výkonu měchýřů lze nalézt ve standardu EJMA.

Jedno konce měchýře je pevně upraveno pájením na konečnou desku vakuového přerušovače, zatímco druhý konec je pájen na pohyblivý terminál a pohybuje se s ním společně při otevírání a zavírání kontaktů. V vakuovém přerušovači jsou měchýře vystaveny impulsnímu pohybu během operací s kontakty. Rychlost otevírání pohyblivého kontaktu může rychle vzrůst z 0 m/s až na 2 m/s v méně než 100 µs. Na konci pohybu kontaktu, ať už otevírá nebo zavírá, pohyblivý konec měchýře náhle zastaví.

Frekvence těchto otevíracích a zavíracích operací se liší v závislosti na cyklu provozu. V některých případech mohou nastat mnohokrát, zatímco v jiných jsou vzácné. Pohyb přenesený na měchýře je daleko od uniformního, a je běžné, že měchýře kmitají několikrát během jedné otevírací nebo zavírací operace. Pro ty, kteří jsou zainteresováni analyzovat tento pohyb měchýřů, byla vyvinuta obecná analytická metoda pro určení dynamických stresů, které měchýře zažívají při impulsním pohybu.

Většina výrobců vakuových přerušovačů získává své měchýře od renomovaných výrobců měchýřů a spolupracuje s nimi, aby dosáhli požadované životnosti měchýřů. To je obvykle dosaženo začleněním měchýřů do praktického vakuového přerušovače a provedením mechanických životnostních testů na statisticky významném počtu vzorků vakuových přerušovačů. Poté může být přiřazena specifikovaná mechanická životnost k vakuovému přerušovači s daným měchýřem pomocí Weibullovy analýzy. Obvykle je mechanická životnost vakuového přerušovače určena počtem operací, které měchýře mohou unést, než dojde k unáhlení materiálu.

Při mechanickém testování vakuového přerušovače je klíčové, aby byly měchýře vystaveny stejným provozním parametrům, jaké narazí v přepínacím zařízení. Tyto parametry zahrnují celkový pohyb (provozní mezera plus přetah), maximální rychlost otevírání, maximální rychlost zavírání a efekty akcelerace a dekelerace. Testování měchýřů uvnitř vakuového přerušovače zajišťuje, že projdou všemi výrobními kroky, které projde hotové zařízení. Například by měly být vystaveny všem tepelným a chladicím cyklům, které jsou nezbytné pro výrobu vakuového přerušovače. Tyto procesy nevyhnutelně annealují kov měchýřů, mění jeho granulární mikrostrukturu a následně i jeho výkonnostní charakteristiky.

Mechanická životnost konkrétního měchýře závisí nejen na výše zmíněných provozních parametrech, ale také na jeho fyzických vlastnostech. Tyto vlastnosti zahrnují typ použité nerezové oceli, délku, průměr, tloušťku, počet konvolucí a schopnost tlumit pohyb po zastavení kontaktu. Je možné navrhnout měchýře, které spolehlivě zvládnou normálně požadované 30 000 operací pro většinu vakuových obvodových přepínačů a vakuových reclosers, a dokonce překonat 10^6 operací pro vakuové kontaktní obvody. Nicméně, navzdory snahám výrobců vakuových přerušovačů navrhnout své produkty tak, aby splňovaly specifikovanou mechanickou životnost různých přepínacích zařízení, většina vakuových přerušovačů nedosahuje své stanovené mechanické životnosti, když jsou nasazeny v terénu.Pro více informací o důvodech selhání vakuových přerušovačů (VIs) se obraťte na relevantní článek.

Návrhář vakuového přerušovače musí přijmout opatření, aby zabránil uživateli v točení měchýřů při instalaci vakuového přerušovače do mechanismu. Natočený měchýř může mít svou mechanickou životnost zásadně sníženou, možná až na méně než 1 % jeho návrhové životnosti. Moment, který lze aplikovat na tenkostěnné měchýře v vakuovém přerušovači, je relativně nízký, přibližně 8,5–11,5 Nm. Aby se zabránilo točení měchýřů, by měl návrhář do nich vložit prototočné kroužky. Tyto kroužky lze zafixovat připevněním k konečné desce přerušovače. Vnitřní povrch kroužku je tvarován nebo má klíčovou drážku, aby zabránil jakékoli rotaci pohyblivého mosazného terminálu připojeného k měchýřům (jak je znázorněno na obrázku 2). Materiál kroužku může být kov nebo plast, jako je Nylatron. Při použití plastových materiálů, jako je Nylatron a Valox, je třeba být opatrný. Tyto materiály lze použít pouze v aplikacích, kde je maximální povolená teplota, kterou zaznamenají, omezena. Například pro Nylatron je teplota, při které jeho napěťová síla klesne na 50 % po 100 000 hodin, přibližně 125 °C (může krátkodobě snést vyšší teploty bez deformace díky obsahu skleněných vláken), a pro Valox DR48 je to asi 140 °C. Existují také dražší, vysokoteplotní plasty, jako je "Ultem 2310 R".

Obr. 2: Příklady prototočných kroužků pro ochranu měchýřů

Materiál použitý pro tyto prototočné kroužky má maximální povolenou teplotu přibližně 180 °C. Dokáže krátkodobě (asi 1 hodina) snést teploty nad tuto hranici bez významné deformace.

Pro vakuové přerušovače pracující na vyšších napěťových hladinách obvodových přepínačů je nutný delší pohyb kontaktu. Například při 72,5 kV je potřeba pohybu přibližně 40 mm. Chcete-li tento rozšířený pohyb uspokojit, musí být měchýře proporcionálně prodlouženy. Velmi dlouhé měchýře se však neotevírají a nezavírají rovnoměrně. Místo toho tendují k proplétatí během pohybu. V důsledku toho mohou vnitřní konvoluce měchýřů třít o mosazný (Cu) terminál. Tato tření mohou zásadně zkrátit životnost měchýřů.

Aby se tato problém vyřešil, byly vyvinuty specializované měchýře s vnitřními polštářky. Tyto polštářky klouzají podél Cu terminálů, což minimalizuje opotřebení. Příklad takového návrhu měchýřů je znázorněn na obrázku 3.