نقش پیپ در مدار قطع کننده های خلأ

آشنایی با قطع کننده‌های خلاء و پرکن‌ها

با پیشرفت فناوری و افزایش نگرانی درباره گرم شدن جهانی، قطع کننده‌های خلاء به عنوان یک مورد مهم در حوزه مهندسی برق مطرح شده‌اند.
شبکه‌های توان آینده دارای نیازهای گسترده‌تری برای عملکرد قطع کننده‌ها هستند، با تأکید بر سرعت‌های بالاتر قطع و طول عمر عملکردی طولانی‌تر. در قطع کننده‌های ولتاژ متوسط، قطع کننده‌های خلاء (VIs) محبوبیت گسترده‌ای یافته‌اند. این به این دلیل است که استفاده از خلاء به عنوان یک ماده قطع کننده مزایای بی‌نظیری در این محدوده کاربرد خاص ارائه می‌دهد. قطع کننده خلاء به عنوان مؤلفه اصلی یک قطع کننده خلاء عمل می‌کند و پرکن‌ها نقشی کلیدی و موثر در قطع کننده‌های خلاء ایفا می‌کنند.

پرکن‌های فلزی طراحی شده‌اند تا ختم خلاء فوق‌العاده را حفظ کنند و در عین حال حرکت ترجمه‌ای تماس الکتریکی متحرک در داخل کمره قطع کننده را ممکن سازند. با این حال، طول عمر مکانیکی یک قطع کننده خلاء عموماً توسط پرکن‌های خلاء محدود می‌شود. در زمینه قطع کننده‌های آینده، تعقیب سرعت‌های قطع سریع‌تر حتماً منجر به بارهای نوع ضربه‌ای با دامنه بزرگتر خواهد شد. این بارها می‌توانند نوسانات پرکن‌ها را با دامنه‌های بزرگتر القاء کنند و در نتیجه طول عمر پرکن‌ها را به طور قابل توجهی کاهش دهند. علاوه بر این، با توجه به افزایش پیش‌بینی شده در فرکانس عملیات قطع در شبکه‌های توان آینده، شبیه‌سازی پرکن‌های خلاء برای بهینه‌سازی طراحی آنها و در نتیجه افزایش طول عمر مکانیکی قطع کننده‌های خلاء ضروری می‌شود.

نقش پرکن‌ها در قطع کننده‌های خلاء

پرکن‌ها، معمولاً از ورق‌های فولاد ضد زنگ نازک ساخته شده‌اند، طراحی شده‌اند تا باز و بسته شدن تماس‌ها را تسهیل کنند و در عین حال محیط خلاء درون قطع کننده را حفظ کنند.
مقاومت در برابر خستگی پرکن‌ها یک عامل کلیدی است که طول عمر مکانیکی یک قطع کننده خلاء را تعیین می‌کند. هر عملیات باز و بسته شدن تماس‌ها پرکن‌ها را تحت تنش قرار می‌دهد، به ویژه پیچیدگی‌هایی که نزدیک‌ترین به انتهای آنها قرار دارند. علاوه بر تنش مکانیکی مستقیم ناشی از حرکت عملیاتی، پرکن‌ها همچنین پس از پایان حرکت تماس نوساناتی تجربه می‌کنند. این نوسانات به تدریج سایش و تخریب پرکن‌ها را افزایش می‌دهند.
شکل 1 یک نوع خاص از پرکن‌های خلاء تولید شده توسط شرکت Sigma-Netics را نشان می‌دهد.

شکل 1: پرکن‌های خلاء تولید شده توسط شرکت Sigma-Netics

طول عمر مکانیکی قطع کننده‌های خلاء به طور قابل توجهی تحت تأثیر چندین پارامتر حرکت تماسی کلیدی قرار دارد:

• حرکت تماسی ثابت یا فاصله: این مقدار فاصله‌ای را تعیین می‌کند که تماس‌ها در حین عملیات از هم جدا می‌شوند و بر روی عایق الکتریکی و قابلیت خاموش کردن قوس تأثیر می‌گذارد.

• سرعت باز و بسته شدن: سرعت‌های سریع‌تر می‌توانند عملکرد قطع را بهبود بخشند اما همچنین بارهای دینامیکی بیشتری را بر اجزا، از جمله پرکن‌ها، تحمیل می‌کنند.

• میرایی حرکت در انتهای باز و بسته شدن: میرایی کافی برای کاهش لرزش‌ها و کاهش تنش مکانیکی بر روی پرکن‌ها و اجزای دیگر ضروری است.

• تجاوز و بازگشت در باز شدن: این پدیده‌ها می‌توانند سایش و تخریب اضافی بر روی تماس‌ها و پرکن‌ها ایجاد کنند و در نتیجه طول عمر کلی را کاهش دهند.

• پایداری نصب: روش نصب قطع کننده خلاء می‌تواند توزیع نیروهای حین عملیات را تحت تأثیر قرار دهد و در نتیجه طول عمر مکانیکی پرکن‌ها را تغییر دهد.

• پرخور تماس در بسته شدن: پرخور تماس بیش از حد می‌تواند باعث قوس‌زدن و افزایش تنش بر روی پرکن‌ها شود و در نتیجه عملکرد آنها را در طول زمان تضعیف کند.

پرکن‌ها نقش دوگانه‌ای در قطع کننده‌های خلاء ایفا می‌کنند. آنها حرکت تماس متحرک را ممکن می‌سازند و در عین حال ختم خلاء را حفظ می‌کنند. این پرکن‌ها از فولاد ضد زنگ ساخته شده‌اند، معمولاً با ضخامت حدود ۱۵۰ میکرون، و طراحی شده‌اند تا شرایط عملکردی سخت درون قطع کننده را تحمل کنند. سه نوع پرکن موفقیت‌آمیز در طراحی قطع کننده‌های خلاء یکپارچه شده‌اند:

• پرکن‌های بدون جوش از فولاد هیدروفورم: این پرکن‌ها بدون جوش‌های مشهود شکل گرفته‌اند و ممکن است بازدهی و عملکرد بهتری ارائه دهند.

• پرکن‌های جوش دار از فولاد هیدروفورم: این پرکن‌ها پس از هیدروفورم‌سازی با جوش دهی ساخته می‌شوند و میزان هزینه و عملکرد را متعادل می‌کنند.

• پرکن‌های ساخته شده از واشرهای فولاد ضد زنگ نازک: این پرکن‌ها با جوش دهی واشرهای نازک به هم ساخته می‌شوند و راه‌حلی مقرون به صرفه برای برخی کاربردها ارائه می‌دهند.

جزئیات کامل درباره طراحی و عملکرد پرکن‌ها در استانداردهای EJMA قابل یافتن است.

یک سر پرکن به طور مطمئن با جوش دهی به صفحه پایانی قطع کننده خلاء متصل می‌شود، در حالی که سر دیگر آن به ترمینال متحرک جوش داده شده و با آن در حین باز و بسته شدن تماس‌ها حرکت می‌کند. در یک قطع کننده خلاء، پرکن‌ها در حین عملیات تماس تحت حرکت ضربه‌ای قرار می‌گیرند. سرعت باز شدن تماس متحرک می‌تواند از ۰ متر بر ثانیه به ۲ متر بر ثانیه در کمتر از ۱۰۰ میکروثانیه افزایش یابد. در انتهای حرکت تماس، چه در باز شدن و چه در بسته شدن، سر متحرک پرکن به طور ناگهانی متوقف می‌شود.

فرکانس این عملیات باز و بسته شدن بستگی به چرخه کاری دارد. در برخی موارد، آنها می‌توانند بارها رخ دهند، در حالی که در موارد دیگر، کم رخ داده‌اند. حرکت منتقل شده به پرکن‌ها از یکنواختی دور است و معمولاً پرکن‌ها در طول یک عملیات باز یا بسته شدن چندین بار نوسان می‌کنند. برای کسانی که به تحلیل این حرکت پرکن‌ها علاقمند هستند، یک رویکرد تحلیلی عمومی توسعه یافته است تا تنش‌های دینامیکی تجربه شده توسط پرکن‌ها در حین حرکت ضربه‌ای را تعیین کند.

بیشتر تولیدکنندگان قطع کننده‌های خلاء پرکن‌های خود را از تولیدکنندگان پرکن‌های معتبر تأمین می‌کنند و با آنها همکاری می‌کنند تا طول عمر مورد نظر پرکن‌ها را به دست آورند. این معمولاً با یکپارچه‌سازی پرکن‌ها در یک قطع کننده خلاء عملی و انجام آزمون‌های طول عمر مکانیکی بر روی تعداد معناداری نمونه قطع کننده خلاء انجام می‌شود. سپس یک طول عمر مکانیکی مشخص می‌تواند به قطع کننده خلاء با آن پرکن‌ها با استفاده از تحلیل Weibull اختصاص یابد. معمولاً، محدوده طول عمر مکانیکی یک قطع کننده خلاء توسط تعداد عملیاتی که پرکن‌ها می‌توانند قبل از خرابی خستگی تحمل کنند تعیین می‌شود.

هنگام آزمون مکانیکی یک قطع کننده خلاء، بسیار مهم است که پرکن‌ها به همان پارامترهای عملکردی که در یک دستگاه قطع تجربه می‌کنند، مواجه شوند. این پارامترها شامل مسافت کل (فاصله عملکردی به اضافه فاصله اضافی)، سرعت باز شدن ماکسیمم، سرعت بسته شدن ماکسیمم و تأثیرات شتاب و کاهش سرعت هستند. آزمون پرکن‌ها در داخل قطع کننده خلاء مطمئن می‌کند که آنها تمام مراحل تولیدی را که دستگاه نهایی تجربه می‌کند، می‌بینند. به عنوان مثال، آنها باید به تمامی چرخه‌های گرم و سرد شدن مورد نیاز برای تولید قطع کننده خلاء مواجه شوند. این فرآیندها حتماً فلز پرکن‌ها را آنیل می‌کنند و ساختار دانه‌ای آنها را تغییر می‌دهند و در نتیجه ویژگی‌های عملکردی آنها را تغییر می‌دهند.

طول عمر مکانیکی یک پرکن خاص نه تنها بستگی به پارامترهای عملکردی ذکر شده دارد بلکه همچنین بستگی به ویژگی‌های فیزیکی خود دارد. این ویژگی‌ها شامل نوع فولاد ضد زنگ استفاده شده، طول، قطر، ضخامت، تعداد پیچیدگی‌ها و توانایی میرایی حرکت یک بار تماس متوقف شود. ممکن است پرکن‌ها طراحی شوند که به طور موثق ۳۰,۰۰۰ عملیات مورد نیاز برای بیشتر قطع کننده‌های خلاء و دوباره‌بازکننده‌های خلاء را انجام دهند و حتی بیش از ۱۰^۶ عملیات برای دوباره‌بازکننده‌های خلاء انجام دهند. با این حال، با وجود تلاش‌های تولیدکنندگان قطع کننده‌های خلاء برای طراحی محصولات خود به منظور برآوردن طول عمر مکانیکی مشخص شده برای انواع مختلف دستگاه‌های قطع، بیشتر قطع کننده‌های خلاء هنگام استفاده در میدان طول عمر مکانیکی مشخص شده خود را نمی‌رسانند.برای درک بیشتر درباره دلایل خرابی قطع کننده‌های خلاء (VIs)، لطفاً به مقاله مربوطه مراجعه کنید.

طراح قطع کننده خلاء باید احتیاط کند تا از پیچیده شدن پرکن‌ها در زمان نصب قطع کننده خلاء در یک مکانیسم جلوگیری کند. یک پرکن پیچیده می‌تواند طول عمر مکانیکی خود را به طور قابل توجهی کاهش دهد، ممکن است به کمتر از ۱٪ طول عمر طراحی شده خود برسد. گشتاوری که می‌تواند به دیواره‌های نازک پرکن‌ها در یک قطع کننده خلاء قبل از پیچیدگی دائمی اعمال شود نسبتاً کم است، حدود ۸.۵-۱۱.۵ نیوتن متر. برای جلوگیری از پیچیدگی پرکن‌ها، طراح باید یک بوش جلوگیری از پیچیدگی را در آن وارد کند. این بوش می‌تواند با متصل کردن آن به صفحه پایانی قطع کننده قفل شود. سطح داخلی بوش شکل داده شده یا دارای کلیدواره‌ای است که جلوگیری از چرخش ترمینال مس متحرک متصل به پرکن (همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است). ماده بوش می‌تواند فلز یا پلاستیکی مانند Nylatron باشد. هنگام استفاده از مواد پلاستیکی مانند Nylatron و Valox، احتیاط لازم است. این مواد فقط در کاربردهایی که در آنها دمای حداکثر مجازی که تجربه می‌کنند محدود است، می‌توانند استفاده شوند. به عنوان مثال، برای Nylatron، دمایی که در آن تنش کششی آن به ۵۰٪ کاهش می‌یابد پس از ۱۰۰,۰۰۰ ساعت حدود ۱۲۵ درجه سانتیگراد است (می‌تواند دماهای بالاتر را برای مدت کوتاه بدون تغییر شکل به دلیل محتوای فیبر شیشه‌ای تحمل کند)، و برای Valox DR48 حدود ۱۴۰ درجه سانتیگراد است. همچنین مواد پلاستیکی گران‌تر و مقاوم‌تر در دماهای بالاتری مانند "Ultem 2310 R" موجود است.

شکل ۲: نمونه‌های بوش‌های جلوگیری از پیچیدگی برای حفاظت پرکن‌ها

ماده استفاده شده برای این بوش‌های جلوگیری از پیچیدگی دارای دمای مجاز حداکثر حدود ۱۸۰ درجه سانتیگراد است. می‌تواند به مدت کوتاه (حدود یک ساعت) به دماهای بیشتر از این محدوده مواجه شود بدون تغییر شکل قابل توجه.

برای قطع کننده‌های خلاء که در ولتاژ‌های بالاتر قطع کننده‌های توان کار می‌کنند، حرکت تماس بیشتری لازم است. به عنوان مثال، در ۷۲.۵ کیلوولت، حرکتی حدود ۴۰ میلی‌متر مورد نیاز است. برای تأمین این حرکت بیشتر، پرکن‌ها باید به طور متناسب طولانی‌تر شوند. با این حال، پرکن‌های بسیار طولانی به صورت یکنواخت باز و بسته نمی‌شوند. به جای آن، آنها در حین حرکت می‌لرزند. این می‌تواند باعث اصطکاک بین پیچیدگی‌های داخلی پرکن و ترمینال مس (Cu) شود. این اصطکاک می‌تواند طول عمر پرکن‌ها را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

برای حل این مشکل، پرکن‌های تخصصی با پد‌های داخلی توسعه یافته‌اند. این پد‌ها در طول ترمینال‌های مسی لیز می‌خورند و سایش را کاهش می‌دهند. یک نمونه از چنین طراحی پرکنی در شکل ۳ نشان داده شده است.