Papel de las fuelles en los interruptores de vacío
Introducción a los Interruptores de Vacío y las Campanas
Con los avances tecnológicos y la creciente preocupación por el calentamiento global, los interruptores de circuito de vacío han surgido como una consideración significativa en el dominio de la ingeniería eléctrica.
Las redes de energía del futuro están imponiendo demandas cada vez más estrictas sobre el rendimiento de conmutación de los interruptores de circuito, con un énfasis particular en velocidades de conmutación más altas y vidas operativas más largas. En los interruptores de circuito de media tensión, los interruptores de vacío (IV) han ganado una preferencia generalizada. Esto se debe a que el uso del vacío como medio de interrupción ofrece ventajas inigualables dentro de este rango de aplicaciones específico. El interruptor de vacío es el componente central de un interruptor de circuito de vacío, y las campanas desempeñan un papel crucial y efectivo dentro de los interruptores de vacío.
Las campanas metálicas están diseñadas para mantener un sello de ultra alto vacío mientras permiten el movimiento translacional del contacto eléctrico móvil dentro de la cámara del interruptor. Sin embargo, la vida útil mecánica de un interruptor de vacío está principalmente limitada por lo que se conoce como las campanas de vacío. En el contexto de los interruptores de circuito futuros, la búsqueda de velocidades de conmutación más rápidas resultará inevitablemente en cargas dinámicas de tipo impacto más altas. Estas cargas pueden provocar oscilaciones de las campanas con amplitudes mayores, reduciendo significativamente la vida útil de las mismas. Además, dado el aumento previsto en la frecuencia de las operaciones de conmutación en las redes de energía futuras, la simulación de las campanas de vacío se vuelve indispensable para optimizar su diseño y, en consecuencia, mejorar la vida útil mecánica de los interruptores de vacío.
El Papel de las Campanas en los Interruptores de Vacío
Las campanas, generalmente fabricadas a partir de láminas de acero inoxidable delgado, están diseñadas para facilitar la apertura y cierre de los contactos mientras se mantiene un ambiente de vacío dentro del interruptor.
La resistencia a la fatiga de las campanas es un factor clave que determina la vida útil mecánica de un interruptor de vacío. Cada operación de apertura y cierre de los contactos somete a las campanas a estrés, especialmente las convoluciones ubicadas más cerca de los extremos. Además del estrés mecánico directo del movimiento operativo, las campanas también experimentan oscilaciones posteriores a la operación una vez que el movimiento del contacto cesa. Estas oscilaciones contribuyen aún más al desgaste de las campanas, acelerando su deterioro con el tiempo.
La Figura 1 ilustra un tipo específico de campana para interruptores de vacío fabricada por la empresa Sigma-Netics.
Fig 1: Campana de Interruptor de Vacío de la empresa Sigma-Netics
La vida útil mecánica de los interruptores de vacío se ve significativamente influenciada por varios parámetros críticos del movimiento de los contactos:
Carrera o separación de los contactos en estado estacionario: Esto determina la distancia que se separan los contactos durante la operación, afectando la aislación eléctrica y las capacidades de extinción del arco.
Velocidad de apertura y cierre: Las velocidades más altas pueden mejorar el rendimiento de conmutación, pero también imponen cargas dinámicas más grandes a los componentes, incluyendo las campanas.
Amortiguación al final de la carrera de apertura y cierre: Una amortiguación adecuada es esencial para minimizar las vibraciones y reducir el estrés mecánico en las campanas y otras partes.
Sobrepaso y rebote en la apertura: Estos fenómenos pueden causar un desgaste adicional en los contactos y las campanas, potencialmente acortando la vida útil general.
Resistencia al montaje: La forma en que se monta el interruptor de vacío puede afectar la distribución de las fuerzas durante la operación, influyendo en la vida útil mecánica de las campanas.
Rebote de los contactos en el cierre: Un rebote excesivo de los contactos puede llevar a arcos y aumentar el estrés en las campanas, degradando su rendimiento con el tiempo.
Las campanas desempeñan un doble papel en los interruptores de vacío. Permiten el movimiento del contacto móvil mientras mantienen un sello hermético al vacío. Construidas de acero inoxidable, típicamente con un grosor de aproximadamente 150 µm, están diseñadas para soportar las duras condiciones operativas dentro del interruptor. Tres tipos de campanas han sido integrados exitosamente en los diseños de interruptores de vacío:
Campanas hidroformadas sin costura: Estas se forman sin costuras visibles, ofreciendo posiblemente mayor integridad y rendimiento.
Campanas hidroformadas con costura soldada: Fabricadas soldando las costuras después de la hidroformación, equilibran los requisitos de costo y rendimiento.
Campanas hechas de arandelas de acero inoxidable delgado soldadas por el borde: Construidas soldando juntas arandelas delgadas, proporcionan una solución rentable para ciertas aplicaciones.
Detalles comprehensivos sobre el diseño y rendimiento de las campanas se pueden encontrar en los Estándares EJMA.
Un extremo de las campanas está fijado de manera segura mediante la soldadura al plato final del interruptor de vacío, mientras que el otro extremo está soldado al terminal móvil y se mueve junto con él cuando los contactos se abren y cierran. En un interruptor de vacío, las campanas están sujetas a un movimiento impulsivo durante las operaciones de los contactos. La velocidad de apertura del contacto móvil puede aumentar rápidamente de 0 m/s a tan alto como 2 m/s en menos de 100 µs. Al final de la carrera de los contactos, ya sea abriendo o cerrando, el extremo móvil de las campanas se detiene bruscamente.
La frecuencia de estas operaciones de apertura y cierre varía según el ciclo de trabajo. En algunos casos, pueden ocurrir numerosas veces, mientras que en otros, son raras. El movimiento impartido a las campanas está lejos de ser uniforme, y es común que las campanas oscilen varias veces durante una sola operación de apertura o cierre. Para aquellos interesados en analizar este movimiento de las campanas, se ha desarrollado un enfoque analítico general para determinar las tensiones dinámicas experimentadas por las campanas bajo movimiento impulsivo.
La mayoría de los fabricantes de interruptores de vacío obtienen sus campanas de fabricantes de campanas establecidos y colaboran con ellos para lograr la vida útil deseada de las campanas. Esto se logra típicamente incorporando las campanas en un interruptor de vacío práctico y realizando pruebas de vida útil mecánica en un número estadísticamente significativo de muestras de interruptores de vacío. Luego, se puede asignar una vida útil mecánica específica al interruptor de vacío con esa campana utilizando el análisis de Weibull. Generalmente, el límite de vida útil mecánica de un interruptor de vacío se determina por el número de operaciones que las campanas pueden soportar antes de que ocurra la falla por fatiga.
Cuando se realiza una prueba mecánica de un interruptor de vacío, es crucial someter las campanas a los mismos parámetros operativos que experimentará en un dispositivo de conmutación. Estos parámetros incluyen el recorrido total (separación operativa más sobrecarrera), la velocidad máxima de apertura, la velocidad máxima de cierre y los efectos de la aceleración y desaceleración. Probar las campanas dentro del interruptor de vacío asegura que pasen por todos los pasos de fabricación que experimentará el dispositivo terminado. Por ejemplo, deben estar expuestas a todos los ciclos de calentamiento y enfriamiento necesarios para la fabricación de interruptores de vacío. Estos procesos inevitablemente anealan el metal de las campanas, alterando su microestructura granular y, en consecuencia, sus características de rendimiento.
La vida útil mecánica de una campana específica depende no solo de los parámetros operativos mencionados anteriormente, sino también de sus propios atributos físicos. Estos incluyen el tipo de acero inoxidable utilizado, su longitud, diámetro, grosor, el número de convoluciones y su capacidad para amortiguar el movimiento una vez que el contacto deja de moverse. Es factible diseñar campanas que puedan realizar confiablemente las 30,000 operaciones requeridas para la mayoría de los interruptores de circuito de vacío y los reconectadores de vacío, e incluso superar 10^6 operaciones para los contactores de vacío. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos de los fabricantes de interruptores de vacío para diseñar sus productos para cumplir con la vida útil mecánica especificada de diversos dispositivos de conmutación, la mayoría de los interruptores de vacío no alcanzan su vida útil declarada cuando se implementan en el campo.Para obtener más información sobre las razones de falla de los Interruptores de Vacío (IV), consulte el artículo relevante.
El diseñador de interruptores de vacío debe tomar precauciones para evitar que el usuario retuerza las campanas al instalar el interruptor de vacío en un mecanismo. Una campana retorcida puede tener su vida útil mecánica severamente reducida, potencialmente a menos del 1% de su vida útil diseñada. El par que se puede aplicar a las campanas de pared delgada en un interruptor de vacío antes de que se produzca un retorcimiento permanente es relativamente bajo, aproximadamente 8.5-11.5 Nm. Para evitar el retorcimiento de las campanas, el diseñador debe insertar un cojinete antiretorcimiento en ellas. Este cojinete se puede bloquear en su lugar fijándolo al plato final del interruptor. La superficie interna del cojinete está formada o tiene una ranura para evitar cualquier rotación del terminal de cobre móvil unido a las campanas (como se muestra en la Figura 2). El material del cojinete puede ser metálico o un plástico como Nylatron. Cuando se usan materiales plásticos como Nylatron y Valox, es necesario tener precaución. Estos materiales solo se pueden usar en aplicaciones donde la temperatura máxima permitida que experimentarán está limitada. Por ejemplo, para Nylatron, la temperatura a la cual su resistencia a la tracción se reduce a 50% después de 100,000 horas es aproximadamente 125°C (puede soportar temperaturas más altas por períodos cortos sin deformarse debido a su contenido de fibra de vidrio), y para Valox DR48, es alrededor de 140°C. También hay plásticos de alta temperatura más caros disponibles, como "Ultem 2310 R".
Fig 2: Ejemplos de Cojinetes Antiretorcimiento para Protección de Campanas
El material utilizado para estos cojinetes antiretorcimiento tiene una temperatura máxima permitida de aproximadamente 180°C. Puede soportar exposiciones a corto plazo (alrededor de 1 hora) a temperaturas que superen este límite sin deformaciones significativas.
Para los interruptores de vacío que operan a voltajes de interruptor de circuito más altos, es necesaria una carrera de contacto más larga. Por ejemplo, a 72.5 kV, se requiere una carrera de aproximadamente 40 mm. Para acomodar esta carrera extendida, las campanas deben alargarse proporcionalmente. Sin embargo, las campanas muy largas no se abren y cierran de manera uniforme. En cambio, tienden a retorcerse durante el movimiento. Como resultado, las convoluciones internas de las campanas pueden rozar contra el terminal de cobre (Cu). Esta fricción puede reducir significativamente la vida útil de las campanas.
Para abordar este problema, se han desarrollado campanas especializadas con almohadillas internas. Estas almohadillas se deslizan a lo largo de los terminales de Cu, minimizando el desgaste. Un ejemplo de tal diseño de campana se ilustra en la Figura 3.
