Sylinterin rooli tyhjiökatkaisuissa

Johdanto tyhjiökatkaisijoihin ja leväkkien rooliin

Teknologian edistymisen ja ilmastonmuutoksen kasvavan huolen myötä tyhjiökatkaisimet ovat noussut merkittäväksi harkinnan kohteeksi sähkötekniikan alalla.
Tulevaisuuden sähköverkot asettavat yhä tiukemmat vaatimukset katkaisijoiden kykyyn käsitellä sähkövirtoja, erityisesti korkeammista nopeuksista ja pitemmistä toimikausista. Keskitensioon suunnatuissa katkaisimissa tyhjiökatkaisimet (VIs) ovat saavuttaneet laajaa suosiota. Tämä johtuu siitä, että tyhjiön käyttö katkaisimateriaalina tarjoaa vertaansa vailla olevia etuja tällä sovellusalalla. Tyhjiökatkaisija on tyhjiökatkaisimen keskiö, ja leväkkeillä on olennainen ja tehokas rooli tyhjiökatkaisijoissa.

Metallileväkkejä on suunniteltu ylläpitämään erittäin korkeaa tyhjiöseulaa samalla kun ne mahdollistavat liikkuvan sähkökontaktin liikkeen katkaisijan kompressiossa. Kuitenkin tyhjiökatkaisimen mekaaninen elinkaari on pääasiassa rajoitettu niin kutsuttujen tyhjiöleväkkeiden kestolla. Tulevaisuuden katkaisimissa nopeamman käytön tavoittelun seurauksena syntyy välttämättä suurempia dynaamisia isku-tyyppisiä kuormituksia. Nämä kuormitukset voivat aiheuttaa leväkkeissä suurempiampiin amplituddeihin johtavia heilahduksia, mikä vähentää merkittävästi leväkkeiden kestoa. Lisäksi ottaen huomioon tulevaisuuden sähköverkoissa odotetun käytön taajuuden kasvun, tyhjiöleväkkeiden simulointi on välttämätöntä niiden suunnittelun optimoimiseksi ja siten tyhjiökatkaisijoiden mekaanisen elinkaaren parantamiseksi.

Leväkkeiden rooli tyhjiökatkaisijoissa

Leväkkeet, jotka on yleensä valmistettu ohuista teräslevyistä, on suunniteltu mahdollistamaan kontaktien avaamisen ja sulkeutumisen samalla kun ne varmistavat tyhjiöympäristön ylläpitämisen katkaisijan sisällä.
Leväkkeiden väsyntäkestävyys on avainfaktori, joka määrää tyhjiökatkaisimen mekaanisen elinkaaren. Jokainen kontaktion avaaminen ja sulkeutuminen aiheuttaa leväkkeille stressiä, erityisesti lähimmät päät. Lisäksi operatiivisen liikkeen aiheuttaman suoran mekaanisen stressin lisäksi leväkkeet kokevat myös post-operatiivisia heilahduksia, kun kontaktion liike loppuu. Nämä heilahdukset edistävät leväkkeiden kuluminen, nopeuttaen niiden ajan mittaan tapahtuvaa rapautumista.
Kuva 1 näyttää tietyn tyyppisen tyhjiökatkaisimelle Sigma-Netics -yrityksen valmistaman leväkkeen.

Kuva 1: Sigma-Netics -yrityksen valmistama tyhjiökatkaisimen leväkkeet

Tyhjiökatkaisijoiden mekaaninen elinkaari on merkittävästi vaikutteessa useisiin kriittisiin kontaktiliikkeen parametreihin:

• Steady-tilan kontaktivoima tai -väli: Tämä määrää, miten pitkälle kontaktit erottuvat toisistaan operaation aikana, vaikuttaen sähköiseen eristämiseen ja kaaripitoon.

• Avauksen ja sulkemisen nopeus: Nopeammat nopeudet voivat parantaa käytön ominaisuuksia, mutta ne asettavat myös suurempia dynaamisia kuormituksia komponenteille, mukaan lukien leväkkeille.

• Liikkeen dempattaminen avaamisen ja sulkemisen lopussa: Riittävä dempaus on välttämätöntä vaimentamaan vibraatioita ja vähentämään mekaanista stressiä leväkkeissä ja muissa osissa.

• Ylivaihe ja palautuminen avaamisen yhteydessä: Nämä ilmiöt voivat aiheuttaa lisää kuluminen kontakteissa ja leväkkeissä, mahdollisesti lyhentäen kokonaista elinkaarta.

• Asennuksen joustavuus: Tyhjiökatkaisimen asentaminen voi vaikuttaa voimien jakautumiseen operaation aikana, vaikuttaen leväkkeiden mekaaniseen elinkaareen.

• Sulkemisen yhteydessä kontaktien pomppiminen: Ylipomppiminen voi johtaa kaarimiseen ja lisätä leväkkeiden stressiä, heikentäen niiden suorituskykyä ajan mittaan.

Leväkkeet täyttävät kaksoisroolin tyhjiökatkaisijoissa. Ne mahdollistavat liikkuvan kontaktin liikkeen samalla kun ne ylläpitävät tyhjiöhermetiikan. Leväkkeet, jotka on valmistettu terästä, yleensä noin 150 µm paksuina, on suunniteltu kestämään katkaisijan sisällä esiintyvät ankarat toimolähdöt. Kolme tyypillistä leväkkeen muotoa on menestyksekkäästi integroitu tyhjiökatkaisijoiden suunnitteluun:

• Seamless hydroformed leväkkeet: Nämä on muodostettu ilman näkyviä naarmuja, tarjoten mahdollisuuden parannettuun eheyteen ja suorituskykyyn.

• Seam-welded hydroformed leväkkeet: Ne on valmistettu naarmuttamalla seinät yhteen hydroformauksen jälkeen, tasapainottaen kustannuksia ja suorituskykyä.

• Leväkkeet, jotka on valmistettu ohuista ruostumatonta terästä: Ne on rakennettu yhteen kiinnittämällä ohuita levyjä, tarjoten kustannustehokkaan ratkaisun tietyille sovelluksille.

Perusteelliset tiedot leväkkeiden suunnittelusta ja suorituskyvystä löytyvät EJMA-standardien kautta.

Leväkkeen yksi pää on kiinnitetty katkaisijan päälevylle lohenneen, kun taas toinen pää on lohetetty liikkuvaan terminaaliin ja se liikkuu sen mukana, kun kontaktit avautuvat ja sulkeutuvat. Tyhjiökatkaisimessa leväkkeet kokevat impulsiivista liikettä kontaktien operaation aikana. Liikkuvan kontaktin avaamisnopeus voi nopeasti nousea 0 m/s:sta jopa 2 m/s:iin alle 100 µs:ssa. Kontaktivoiman lopussa, riippumatta siitä, avataanko tai suljetaanko, leväkkeen liikkuva pää pysähtyy äkillisesti.

Nämä avaaminen-sulkeminen operaatiot vaihtelevat taajuudellaan riippuen käyttökierron mukaan. Joissakin tapauksissa ne voivat tapahtua monesti, kun taas toisissa ne ovat harvinaisia. Leväkkeiden liikkeeseen vaikuttava voima ei ole lainkaan tasainen, ja on tavallista, että leväkkeet heilahduvat useita kertoja yhden avaamisen tai sulkemisen operaation aikana. Niille, jotka haluavat analysoida tätä leväkkeiden liikettä, on kehitetty yleinen analytiikka, jolla voidaan määrittää leväkkeiden kokeamat dynaamiset stressit impulsiivisen liikkeen aikana.

Useimmat tyhjiökatkaisimien valmistajat hankkivat leväkkeensä tunnetuilta leväkkeiden valmistajilta ja tekevät yhteistyötä heidän kanssaan saavuttaakseen halutun leväkkeiden elinkaaren. Tämä on yleensä toteutettu ottamalla leväkkeet käyttöön käytännössä tyhjiökatkaisimessa ja suorittamalla mekaanisia elinkaari-testejä tilastollisesti merkittävällä määrällä tyhjiökatkaisijan näytejä. Tämän jälkeen voidaan määrittää tietty mekaaninen elinkaari tyhjiökatkaisimeen Weibull-analyysin avulla. Yleensä tyhjiökatkaisimen mekaaninen elinkaari on määrätyillä operaatioiden määrällä, jonka leväkkeet voivat kestää ennen väsyntäepäonnistumista.

Kun testataan tyhjiökatkaisimia mekaanisesti, on tärkeää, että leväkkeet altistetaan samoille toiminta-parametreille, joita ne kohtaavat kytkentälaitteessa. Nämä parametrit sisältävät kokonaismatkan (toimintavälin plus yliviiva), maksimaalisen avaamisnopeuden, maksimaalisen sulkemisnopeuden sekä kiihtyvyyden ja hidastuvuuden vaikutukset. Leväkkeiden testaaminen tyhjiökatkaisimessa varmistaa, että ne kokevat kaikki valmistusvaiheet, joita valmis laite kokee. Esimerkiksi ne tulisi altistaa kaikille lämmöntila- ja jäätyväisyyskierroksille, jotka tyhjiökatkaisimen valmistuksessa tarvitaan. Nämä prosessit annealia leväkkeiden metallia, muuttaen sen granulaarisia mikrorakenteita ja siten sen suorituskykyä.

Tietyn leväkkeen mekaaninen elinkaari riippuu paitsi edellä mainituista toiminta-parametreista myös omista fyysisistä ominaisuuksista. Nämä sisältävät käytetyn ruostumatonta teräksen tyyppiä, sen pituutta, halkaisijaa, paksuutta, kierrejen määrää ja sen kykyä vaimentaa liikettä, kun kontakti lopettaa liikkumisen. On mahdollista suunnitella leväkkeitä, jotka voivat luotettavasti suorittaa normaalisti vaaditut 30 000 operaatiota useimmissa tyhjiökatkaisimissa ja uudelleenkäynnistimissä, ja jopa ylittää 10^6 operaatiota tyhjiökontakteissa. Kuitenkin, vaikka tyhjiökatkaisimien valmistajat pyrkivät suunnittelemaan tuotteensa vastaamaan eri kytkentälaitteiden määriteltyä mekaanista elinkaarta, useimmat tyhjiökatkaisimet eivät saavuta määriteltyä mekaanista elinkaarta, kun ne asennetaan käyttöön.Lisätietoja tyhjiökatkaisijoiden (VIs) epäonnistumissyyistä löytyy asianmukaisesta artikkelista.

Tyhjiökatkaisimen suunnittelijan on otettava varotoimet, jotta käyttäjä ei käännä leväkkeitä asentamalla tyhjiökatkaisimen mekanismiin. Kääntyneellä leväkkeellä voi olla häiriintynyt mekaaninen elinkaari, joka voi olla alle 1% suunnitellusta elinkaaresta. Ohuaseinäisten leväkkeiden kääntämiseen voidaan kohdistaa vain pieni torque, noin 8.5–11.5 Nm. Leväkkeiden kääntymisen välttämiseksi suunnittelijan tulisi upottaa leväkkeeseen anti-twist bushing. Tämä bushing voidaan lukita paikoilleen kiinnittämällä se katkaisijan päälevylle. Bushingin sisäpuoli on muotoiltu tai sillä on avainputki, joka estää liikkuvan kuparin terminaalin, joka on kiinnitetty leväkkeeseen, kiertämisen (kuten kuvassa 2). Bushing-materiaalina voidaan käyttää metallia tai muovia, kuten Nylatron. Muovimateriaalien, kuten Nylatronin ja Valoxin, käytössä on oltava varovainen. Nämä materiaalit voidaan käyttää vain sellaisissa sovelluksissa, joissa niiden kohdamaan maksimisäännöllinen lämpötila on rajoitettu. Esimerkiksi Nylatronin jännitysvoiman väheneminen 50 %:iin 100 000 tunnin jälkeen on noin 125°C (se voi kestää korkeampia lämpötiloja lyhytaikaisesti sen lasikuidun sisällön vuoksi), ja Valox DR48:n noin 140°C. On myös kalliimpia, korkeampi lämpötila kestäviä muoveja, kuten "Ultem 2310 R".

Kuva 2: Esimerkkejä anti-twist bushingeista leväkkeiden suojelemiseksi

Näitä anti-twist bushingeja käytetään materiaaleissa, joiden maksimisäännöllinen lämpötila on noin 180°C. Ne kestävät lyhytaikaisesti (noin 1 tunti) ylittävää lämpötilaa ilman huomattavaa muotojen muuttumista.

Korkeammassa sähköverkon jännitteessä toimiville tyhjiökatkaisimille tarvitaan pidempi kontaktivoima. Esimerkiksi 72.5 kV:ssa tarvitaan noin 40 mm:n kontaktivoima. Tämän pidennetyn kontaktivoiman akkommodoimiseksi leväkkeiden on oltava verrannollisesti pidempiä. Kuitenkin hyvin pitkät leväkkeet eivät avaudu ja sulkeudu tasaisesti. Sen sijaan ne nykykytävät liikkua. Tämän seurauksena leväkkeiden sisäiset kierreet voivat kitistää kuparin (Cu) terminaaliin. Tämä kitistys voi huomattavasti vähentää leväkkeiden elinkaarta.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi on kehitetty erikoisleväkkeitä, joissa on sisäisiä patjoja. Nämä patjat liukuvallevat Cu-terminaalien yli, vähentäen kuluminen. Esimerkki tällaisesta leväkkeiden suunnittelusta on kuvassa 3.