Bellows' rolle i vakuumafbrydere

Introduktion til vakuumafbrydere og bælles

Med teknologiske fremskridt og stigende bekymring for global opvarmning er vakuumkredsløbsafbrydere blevet en vigtig overvejelse inden for elektrisk ingeniørvidenskab.
Fremtidige strømnet er ved at sætte stadig strengere krav til kredsløbsafbryderes skiftedygtighed, med særlig fokus på højere skiftetider og forlænget driftstid. I mellemspændingskredsløbsafbrydere har vakuumafbrydere (VIs) fået bred udbredelse. Dette skyldes, at brug af vakuum som afbrydende medium tilbyder usammenlignelige fordele i denne specifikke anvendelsesområde. Vakuumafbryderen fungerer som den kernekomponent i en vakuumkredsløbsafbryder, og bælles spiller en afgørende og effektiv rolle i vakuumafbrydere.

Metalbælles er designet til at opretholde et ultrahøjt vakuumtætsel, samtidig med at de tillader den translatoriske bevægelse af den bevægelige elektriske kontakt i afbryderkammeret. Dog er den mekaniske levetid af en vakuumafbryder hovedsageligt begrænset af det såkaldte vakuumbælles. I konteksten af fremtidige kredsløbsafbrydere vil stræben efter hurtigere skiftetider uundgåeligt resultere i højere dynamiske belastninger. Disse belastninger kan udløse bællesoscillationer med større amplituder, hvilket betydeligt reducerer bællessets levetid. Desuden, givet den forventede øgning i hyppigheden af skiftoperationer i fremtidige strømnet, bliver simulering af vakuumbælles uundværlig for at optimere deres design og dermed forbedre den mekaniske levetid af vakuumafbrydere.

Bælless rollen i vakuumafbrydere

Bælles, typisk produceret af tynde rustfri stålplader, er designet til at muliggøre åbning og lukning af kontakter, samtidig med at de sikrer vedligeholdelse af et vakuummiljø inde i afbryderen.
Udmattelsesmodstandskraften af bælles er en nøglefaktor, der bestemmer den mekaniske levetid af en vakuumafbryder. Hver kontaktåbning og -lukning underkaster bælles til stress, især de konvolutions, der ligger tættest på enderne. Ud over den direkte mekaniske stress fra driftsbevægelsen oplever bælles også post-operationsoscillationer, når kontaktbevægelsen stopper. Disse oscillationer bidrager yderligere til slitage af bælles, hvilket accelererer dens nedbrydning over tid.
Figur 1 illustrerer en bestemt type bælles til vakuumafbrydere, der er produceret af Sigma-Netics virksomhed.

Fig 1: Vakuumafbryderbælles af Sigma-Netics virksomhed

Den mekaniske levetid af vakuumafbrydere er betydeligt påvirket af flere kritiske kontaktbevægelsesparametre:

• Stabil kontaktstrøg eller kløft: Dette bestemmer afstanden, som kontakterne adskiller sig under drift, hvilket påvirker den elektriske isolation og bueudslukningskapaciteter.

• Åbnings- og lukningshastighed: Hurtigere hastigheder kan forbedre skifteydeevnen, men pålægger også større dynamiske belastninger på komponenterne, herunder bælles.

• Bevægelsesdemping ved slutningen af åbnings- og lukningsstrøg: Tilstrækkelig demping er afgørende for at minimere vibrationer og reducere mekanisk stress på bælles og andre dele.

• Overskyd og tilbagevending ved åbning: Disse fænomener kan forårsage yderligere slitage på kontakterne og bælles, potentielt forkorter den samlede levetid.

• Monteringsresiliens: Måden, hvorpå vakuumafbryderen monteres, kan påvirke fordelingen af kræfter under drift, hvilket påvirker den mekaniske levetid af bælles.

• Kontaktbouncing ved lukning: Uforholdsmæssigt kontaktbouncing kan føre til buer og øget stress på bælles, hvilket forringere dets ydeevne over tid.

Bælles spiller en dobbeltrolle i vakuumafbrydere. De gør det muligt at bevæge den bevægelige kontakt, mens de opretholder et vakuumtætsel. Produceret af rustfrit stål, typisk med en tykkelse på ca. 150 µm, er de konstrueret til at modstå de hårde driftsbetingelser i afbryderen. Tre typer bælles er blevet succesfuldt integreret i vakuumafbrydere:

• Seamless hydroformed bælles: Disse er dannet uden synlige søm, hvilket potentielt tilbyder forbedret integritet og ydeevne.

• Sømmet-welded hydroformed bælles: Produceret ved at løde søm efter hydroforming, de balancerer omkostninger og ydeevnekrav.

• Bælles lavet af edge-welded, tynde rustfri stål washers: Konstrueret ved at løde tynde washers sammen, de tilbyder en kosteffektiv løsning for visse applikationer.

Komprehensive detaljer om bællesdesign og -ydeevne kan findes i EJMA Standards.

En ende af bælles er sikkert fastgjort ved at løde det til endestokken af vakuumafbryderen, mens den anden ende er lødet til den bevægelige terminal og bevæger sig i tandem med den, da kontakterne åbnes og lukkes. I en vakuumafbryder udsættes bælles for impulsiv bevægelse under kontaktoperationer. Åbningshastigheden af den bevægelige kontakt kan hurtigt stige fra 0 m/s til så højt som 2 m/s i mindre end 100 µs. Ved slutningen af kontaktstrøg, enten ved åbning eller lukning, kommer den bevægelige ende af bælles til en abrupt stop

Hyppigheden af disse åbnings-lukningsoperationer varierer afhængigt af arbejdscyklussen. I nogle tilfælde kan de forekomme mange gange, mens de i andre er sjældne. Bevægelsen, der påføres bælles, er langt fra ensartet, og det er almindeligt, at bælles oscillerer flere gange under en enkelt åbnings- eller lukningsoperation. For dem, der er interesseret i at analysere denne bællesbevægelse, er der udviklet en generel analytisk tilgang til at bestemme de dynamiske spændinger, som bælles oplever under impulsiv bevægelse.

De fleste producenter af vakuumafbrydere henter deres bælles fra velkendte bællesproducenter og samarbejder med dem for at opnå den ønskede bælleslevetid. Dette opnås typisk ved at integrere bælles i en praktisk vakuumafbryder og udføre mekaniske levetidsprøver på et statistisk signifikant antal vakuumafbryders prøver. Der kan derefter tildeles en specificeret mekanisk levetid til vakuumafbryderen med dette bælles ved hjælp af Weibull-analyse. Normalt er den mekaniske levetidsgrænse for en vakuumafbryder bestemt af antallet af operationer, som bælles kan udstå, før træthedskvist finder sted.

Når man udfører mekaniske prøver på en vakuumafbryder, er det afgørende, at bælles udsættes for de samme driftsparametre, som den vil møde i en skiftedevic. Disse parametre inkluderer den totale rejse (driftsafstand plus overrejse), maksimal åbningshastighed, maksimal lukningshastighed, og effekten af acceleration og deceleration. At teste bælles inden i vakuumafbryderen sikrer, at det udsættes for alle produktionsprocesser, som den færdige enhed vil opleve. For eksempel bør det udsættes for alle opvarmnings- og kølingscyklusser, der er nødvendige for produktion af vakuumafbrydere. Disse processer vil uundgåeligt anneal metallet i bælles, ændre dets granulære mikrostruktur og dermed dets ydeevneegenskaber.

Den mekaniske levetid af et bestemt bælles afhænger ikke kun af de ovennævnte driftsparametre, men også af dets egne fysiske attributter. Dette inkluderer typen rustfrit stål, der anvendes, dens længde, diameter, tykkelse, antallet af konvolutioner, og dets evne til at dempe bevægelse, når kontaktbevægelsen stopper. Det er muligt at designe bælles, der pålideligt kan udføre de normale 30.000 operationer, der er nødvendige for de fleste vakuumkredsløbsafbrydere og vakuumgenopstarter, og endda overstige 10^6 operationer for vakuumkontakter. Dog, trods vakuumafbrydereproducenters bestræbelser på at designe deres produkter til at opfylde den specificerede mekaniske levetid for forskellige skiftedevicer, når de fleste vakuumafbrydere ikke deres angivne mekaniske levetid, når de implementeres i feltet.For flere indsigter i årsagerne til fejl hos vakuumafbrydere (VIs), henvis venligst til den relevante artikel.

Vakuumafbrydere-designeren skal tage forholdsregler for at forhindre brugeren i at dreje bælles, når de installerer vakuumafbryderen i en mekanisme. Et drejet bælles kan have sin mekaniske levetid betydeligt reduceret, potentielt til mindre end 1% af den designede levetid. Drejningsmomentet, der kan påføres tyndvæggede bælles i en vakuumafbryder, før permanent drejning, er relativt lavt, ca. 8.5-11.5 Nm. For at undgå drejning af bælles, bør designeren indsætte en anti-drejningsbuske i det. Denne buske kan låses på plads ved at fastgøre den til endestokken af afbryderen. Indersiden af busken er formet eller har en nøgleled, der forhindrer rotation af den bevægelige kobberterminal, der er fastgjort til bælles (som vist i figur 2). Buskematerialer kan være metal eller plastik som Nylatron. Når man bruger plastikmaterialer som Nylatron og Valox, er forsigtighed påkrævet. Disse materialer kan kun bruges i applikationer, hvor den maksimale tilladte temperatur, de vil opleve, er begrænset. For eksempel for Nylatron er temperaturen, hvorved dens spændingsstyrke reduceres til 50% efter 100.000 timer, ca. 125°C (den kan udmærket klare højere temperaturer i kortere perioder uden at deformere pga. sit glasfiberindhold), og for Valox DR48 er det ca. 140°C. Der er også mere dyre, højtemperaturplastikker til rådighed, som "Ultem 2310 R."

Fig 2: Eksempler på Anti-drejningsbusker til Bællesbeskyttelse

Materialet, der bruges til disse anti-drejningsbusker, har en maksimal tilladte temperatur på ca. 180°C. Det kan udmærket klare kortvarig eksponering (ca. 1 time) til temperaturer, der overstiger denne grænse, uden betydelig deformation.

For vakuumafbrydere, der opererer ved højere kredsløbsafbryderstrøm, er en længere kontaktstrøg nødvendig. For eksempel ved 72.5 kV er en strøg på ca. 40 mm nødvendig. For at imødekomme denne forlængede strøg, må bælles proportionalt forlænges. Men meget lange bælles åbner og lukker ikke på en uniform måde. I stedet tendere de til at røre sig under bevægelse. Dette kan føre til, at de indre konvolutioner af bælles rører ved koppar (Cu) terminalen. Denne friktion kan betydeligt reducere bællessets levetid.

For at løse dette problem er specialiserede bælles med interne polstre blevet udviklet. Disse polstre glider langs Cu-terminalerne, hvilket minimaliserer slitage. Et eksempel på sådan et bællesdesign er illustreret i figur 3.