Die Rolle der Faltenbalg in Vakuumschaltern

Einführung in Vakuumschalter und Bellow

Durch technologische Fortschritte und wachsende Bedenken über die globale Erwärmung haben Vakuumschalter in der Elektrotechnik an Bedeutung gewonnen.
Zukünftige Stromnetze stellen immer höhere Anforderungen an die Schaltleistung von Schaltern, insbesondere hinsichtlich höherer Schaltgeschwindigkeiten und längeren Betriebszeiten. In Mittelspannungsschaltern haben Vakuumschütze (VIs) weite Verbreitung gefunden. Dies liegt daran, dass das Vakuum als Unterbrechungsmedium in diesem spezifischen Anwendungsbereich unvergleichliche Vorteile bietet. Der Vakuumschütz ist das Kernkomponent des Vakuumschalters, und Bellow spielen eine entscheidende und effektive Rolle innerhalb der Vakuumschütze.

Metallbellow sind so konstruiert, dass sie einen ultrahohen Vakuumschluss aufrechterhalten und gleichzeitig die Verschiebung des beweglichen elektrischen Kontakts im Unterbrecherkammer ermöglichen. Allerdings wird die mechanische Lebensdauer eines Vakuumschützes hauptsächlich durch die sogenannten Vakuumbellow begrenzt. Im Kontext zukünftiger Schalter wird die Suche nach schnelleren Schaltgeschwindigkeiten zwangsläufig zu höheren dynamischen Stoßlasten führen. Diese Lasten können Bellow-Oszillationen mit größeren Amplituden auslösen, was die Lebensdauer der Bellow erheblich reduziert. Darüber hinaus, angesichts der erwarteten Zunahme der Schaltfrequenz in zukünftigen Stromnetzen, wird die Simulation von Vakuumbellow unerlässlich, um ihre Konstruktion zu optimieren und somit die mechanische Lebensdauer der Vakuumschütze zu verbessern.

Die Rolle der Bellow in Vakuumschützen

Bellow, meist aus dünnen Edelstahlblechen gefertigt, sind so gestaltet, dass sie die Öffnung und Schließung der Kontakte ermöglichen, während sie gleichzeitig ein Vakuumumfeld innerhalb des Unterbrechers aufrechterhalten.
Die Ermüdungsfestigkeit der Bellow ist ein Schlüsselfaktor, der die mechanische Lebensdauer eines Vakuumschützes bestimmt. Jede Öffnungs- und Schließbewegung der Kontakte belastet die Bellow, insbesondere die Falten in der Nähe der Enden. Neben den direkten mechanischen Belastungen durch die Betriebsschwingungen erfahren die Bellow auch post-operationale Oszillationen, sobald die Kontaktbewegung endet. Diese Oszillationen tragen zusätzlich zur Abnutzung der Bellow bei und beschleunigen deren Verschleiß im Laufe der Zeit.
Abbildung 1 zeigt eine spezielle Art von Bellow für Vakuumschütze, hergestellt von der Sigma-Netics Firma.

Abbildung 1: Vakuumschützbellow von Sigma-Netics Firma

Die mechanische Lebensdauer von Vakuumschützen wird erheblich von mehreren kritischen Parametern der Kontaktbewegung beeinflusst:

• Steady-state-Kontaktstrich oder -lücke: Dies bestimmt den Abstand, den die Kontakte während des Betriebs trennen, und beeinflusst die elektrische Isolation und die Fähigkeit, den Bogen zu löschen.

• Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit: Höhere Geschwindigkeiten können die Schaltleistung verbessern, aber auch höhere dynamische Belastungen auf die Komponenten, einschließlich der Bellow, auferlegen.

• Dämpfung am Ende des Öffnungs- und Schließstrichs: Angemessene Dämpfung ist entscheidend, um Schwingungen zu minimieren und mechanische Belastungen auf die Bellow und andere Teile zu reduzieren.

• Überschwingen und Rückprallen beim Öffnen: Diese Phänomene können zusätzlichen Verschleiß an den Kontakten und den Bellow verursachen und die Gesamt-Lebensdauer verringern.

• Montageelastizität: Die Art und Weise, wie der Vakuumschütz montiert wird, kann die Kraftverteilung während des Betriebs beeinflussen und die mechanische Lebensdauer der Bellow beeinflussen.

• Kontaktklappern beim Schließen: Überschüssiges Klappern der Kontakte kann zu Bögen und erhöhtem Verschleiß der Bellow führen und deren Leistung im Laufe der Zeit verschlechtern.

Die Bellow spielen eine doppelte Rolle in Vakuumschützen. Sie ermöglichen die Bewegung des beweglichen Kontakts, während sie einen vakuumdichten Verschluss aufrechterhalten. Aus Edelstahl gefertigt, typischerweise mit einer Dicke von etwa 150 µm, sind sie so konstruiert, dass sie den harten Betriebsbedingungen innerhalb des Unterbrechers standhalten. Drei Arten von Bellow wurden erfolgreich in Vakuumschützdesigns integriert:

• Nahtlose hydrogeformte Bellow: Diese werden ohne sichtbare Nähte gebildet und bieten möglicherweise verbesserte Integrität und Leistung.

• Genaht-hydrogeformte Bellow: Hergestellt durch das Nähen von Nähten nach dem Hydroforming, balancieren sie Kosten und Leistungsanforderungen.

• Bellow aus dünnen, genahten Edelstahlwaschern: Konstruiert durch das Nähen dünner Wascher, bieten sie eine kostengünstige Lösung für bestimmte Anwendungen.

Ausführliche Informationen zum Bellow-Design und -Leistung finden sich in den EJMA-Normen.

Ein Ende der Bellow wird durch Löten an die Endplatte des Vakuumschützes befestigt, während das andere Ende an den beweglichen Terminal gelötet und sich mit ihm zusammen bewegt, wenn die Kontakte geöffnet und geschlossen werden. In einem Vakuumschütz unterliegen die Bellow impulsartigen Bewegungen während der Kontaktoperationen. Die Öffnungsgeschwindigkeit des beweglichen Kontakts kann von 0 m/s auf bis zu 2 m/s in weniger als 100 µs stark ansteigen. Am Ende des Kontaktstrichs, sei es beim Öffnen oder Schließen, kommt das bewegliche Ende der Bellow abrupt zum Stillstand.

Die Häufigkeit dieser Öffnungs- und Schließvorgänge variiert je nach Arbeitszyklus. In manchen Fällen treten sie häufig auf, in anderen selten. Die Bewegung, die den Bellow aufgeprägt wird, ist weit davon entfernt, gleichmäßig zu sein, und es ist üblich, dass die Bellow mehrmals während eines einzelnen Öffnungs- oder Schließvorgangs oszillieren. Für diejenigen, die diese Bellow-Bewegung analysieren möchten, wurde ein allgemeiner analytischer Ansatz entwickelt, um die dynamischen Spannungen zu bestimmen, denen die Bellow unter impulsartigen Bewegungen ausgesetzt sind.

Die meisten Hersteller von Vakuumschützen beziehen ihre Bellow von etablierten Bellow-Herstellern und arbeiten mit ihnen zusammen, um die gewünschte Bellow-Lebensdauer zu erreichen. Dies wird in der Regel erreicht, indem die Bellow in einen praktischen Vakuumschütz eingebaut und mechanische Lebensdauertests an einer statistisch signifikanten Anzahl von Vakuumschützproben durchgeführt werden. Eine angegebene mechanische Lebensdauer kann dann dem Vakuumschütz mit diesen Bellow mittels Weibull-Analyse zugewiesen werden. Normalerweise wird die mechanische Lebensdauer eines Vakuumschützes durch die Anzahl der Operationen bestimmt, die die Bellow vor der Ermüdungsversagung aushalten können.

Beim mechanischen Testen eines Vakuumschützes ist es entscheidend, die Bellow den gleichen Betriebsparametern auszusetzen, die sie in einem Schaltgerät erleben werden. Zu diesen Parametern gehören die Gesamtstrecke (Betriebslücke plus Überstreckung), die maximale Öffnungsgeschwindigkeit, die maximale Schließgeschwindigkeit und die Auswirkungen von Beschleunigung und Verzögerung. Das Testen der Bellow innerhalb des Vakuumschützes stellt sicher, dass sie alle Herstellungsschritte durchlaufen, die das fertige Gerät erleben wird. Zum Beispiel sollten sie allen Heiz- und Kühlzyklen ausgesetzt werden, die für die Herstellung von Vakuumschützen erforderlich sind. Diese Prozesse werden unweigerlich das Metall der Bellow annealen, seine granulare Mikrostruktur ändern und damit auch dessen Leistungseigenschaften.

Die mechanische Lebensdauer eines bestimmten Bellow hängt nicht nur von den oben genannten Betriebsparametern ab, sondern auch von seinen eigenen physikalischen Eigenschaften. Dazu gehören der Typ des verwendeten Edelstahls, seine Länge, Durchmesser, Dicke, die Anzahl der Falten und seine Fähigkeit, die Bewegung zu dämpfen, sobald der Kontakt aufhört, sich zu bewegen. Es ist möglich, Bellow zu entwerfen, die die normalen 30.000 Operationen, die für die meisten Vakuumschaltkreise und Vakuumschließkontakte erforderlich sind, zuverlässig ausführen und sogar 10^6 Operationen für Vakuumschaltkontakte überschreiten können. Trotz der Bemühungen der Hersteller von Vakuumschützen, ihre Produkte so zu gestalten, dass sie die angegebene mechanische Lebensdauer verschiedener Schalteinrichtungen erfüllen, erreichen die meisten Vakuumschütze in der Praxis nicht ihre angegebene mechanische Lebensdauer.Für weitere Einblicke in die Ausfallgründe von Vakuumschützen (VIs) siehe den entsprechenden Artikel.

Der Entwickler des Vakuumschützes muss Vorkehrungen treffen, um zu verhindern, dass der Benutzer die Bellow verdreht, wenn der Vakuumschütz in eine Mechanik eingebaut wird. Eine verdrehte Bellow kann ihre mechanische Lebensdauer erheblich reduzieren, möglicherweise auf weniger als 1 % ihrer projektierten Lebensdauer. Der Drehmoment, das auf die dünnwandigen Bellow eines Vakuumschützes angewendet werden kann, bevor eine permanente Verdrehung eintritt, ist relativ gering, etwa 8,5–11,5 Nm. Um das Verdrehen der Bellow zu vermeiden, sollte der Entwickler einen Anti-Verdrehbusch in die Bellow einfügen. Dieser Busch kann durch Befestigung an der Endplatte des Unterbrechers fixiert werden. Die Innenseite des Buschs ist geformt oder hat eine Schlitznut, um jede Rotation des beweglichen Kupferterminals, das an den Bellow angebracht ist (siehe Abbildung 2), zu verhindern. Das Material des Buschs kann Metall oder ein Kunststoff wie Nylatron sein. Bei der Verwendung von Kunststoffmaterialien wie Nylatron und Valox ist Vorsicht geboten. Diese Materialien können nur in Anwendungen verwendet werden, bei denen die maximale zulässige Temperatur, die sie erfahren, begrenzt ist. So beträgt die Temperatur, bei der die Zugfestigkeit von Nylatron nach 100.000 Stunden auf 50 % reduziert wird, etwa 125°C (es kann für kurze Zeiträume höhere Temperaturen ohne Verformung aushalten, da es Glasfasern enthält), und für Valox DR48 etwa 140°C. Es gibt auch teurere, temperaturbeständigere Kunststoffe, wie "Ultem 2310 R".

Abbildung 2: Beispiele für Anti-Verdrehtbusche zum Schutz der Bellow

Das Material, das für diese Anti-Verdrehtbusche verwendet wird, hat eine maximale zulässige Temperatur von etwa 180°C. Es kann kurzfristig (ca. 1 Stunde) Temperaturen, die diese Grenze überschreiten, ohne signifikante Verformung aushalten.

Für Vakuumschütze, die bei höheren Schalterspannungen arbeiten, ist ein längerer Kontaktstrich erforderlich. So benötigt man beispielsweise bei 72,5 kV einen Strich von etwa 40 mm. Um diesen verlängerten Strich zu bewältigen, müssen die Bellow proportional verlängert werden. Allerdings öffnen und schließen sehr lange Bellow nicht gleichmäßig. Stattdessen neigen sie dazu, sich bei der Bewegung zu winden. Als Folge davon können die inneren Falten der Bellow an den Kupfer-(Cu)-Terminals reiben. Dieser Reibung kann die Lebensdauer der Bellow erheblich reduzieren.

Um dieses Problem zu lösen, wurden spezialisierte Bellow mit internen Pads entwickelt. Diese Pads gleiten entlang der Cu-Terminals und minimieren den Verschleiß. Ein Beispiel für ein solches Bellow-Design ist in Abbildung 3 dargestellt.