Papel ng bellows sa vacuum interrupters

Pakilala sa Vacuum Interrupters at Bellows

Sa kasunod ng mga pag-unlad sa teknolohiya at ang lumalaking pag-aalala tungkol sa global warming, ang mga vacuum circuit breakers ay naging isang mahalagang konsiderasyon sa larangan ng electrical engineering.
Ang mga future power grids ay naglalayong magtakda ng mas mahigpit na mga pamantayan sa switching performance ng mga circuit breakers, na may partikular na pagsasalamin sa mas mabilis na switching speeds at mas mahabang operational lifetimes. Sa medium-voltage circuit breakers, ang mga vacuum interrupters (VIs) ay naging malawak na pinili. Ito ay dahil ang paggamit ng vacuum bilang interrupting medium ay nagbibigay ng walang katulad na mga benepisyo sa tiyak na application range. Ang vacuum interrupter ay gumagampan bilang pangunahing komponente ng vacuum circuit breaker, at ang bellows ay gumagampan ng mahalagang at epektibong papel sa loob ng vacuum interrupters.

Ang mga metal bellows ay disenyo upang panatilihin ang ultra-high vacuum seal habang nagbibigay din ng translational movement ng moving electrical contact sa loob ng interrupter chamber. Gayunpaman, ang mechanical lifespan ng vacuum interrupter ay pangunahing limitado ng tinatawag na vacuum bellows. Sa konteksto ng future circuit breakers, ang paghabol para sa mas mabilis na switching speeds ay lalabasan sa mas mataas na dynamic impact-type loads. Ang mga load na ito ay maaaring magsimula ng bellows oscillations na may mas malaking amplitude, na siyang makakapagbawas ng malaki sa lifespan ng bellows. Bukod dito, sa inaasahang pagtaas ng frequency ng mga switching operations sa future power grids, ang simulasyon ng vacuum bellows ay naging hindi maipapaliban upang i-optimize ang kanilang disenyo at, bilang resulta, mapataas ang mechanical lifespan ng vacuum interrupters.

Ang Role ng Bellows sa Vacuum Interrupters

Ang mga bellows, karaniwang gawa sa thin stainless-steel sheets, ay disenyo upang mapabilis ang pagbubukas at pagsasara ng contacts habang sinisigurado ang pagpanatili ng vacuum environment sa loob ng interrupter.
Ang fatigue resistance ng bellows ay isang pangunahing factor na nagpapasiya sa mechanical life ng vacuum interrupter. Bawat operasyon ng pagbubukas at pagsasara ng contacts ay nagbabawas ng stress sa bellows, lalo na sa mga convolution na nasa pinakamalapit sa mga dulo. Bukod sa direktang mechanical stress mula sa operational movement, ang bellows ay dinaranas ng post-operation oscillations kapag natapos na ang contact motion. Ang mga oscillation na ito ay nagdudulot pa ng wear and tear sa bellows, na nagpapabilis ng pagkasira nito sa loob ng panahon.
Ipinaliwanag sa Figure 1 ang isang tiyak na uri ng bellows para sa vacuum interrupters na ginawa ng Sigma-Netics company.

Fig 1: Vacuum Interrupter Bellows by Sigma-Netics compan

Ang mechanical life ng vacuum interrupters ay lubhang naapektuhan ng ilang critical contact motion parameters:

• Steady-state contact stroke o gap: Ito ay nagpapasiya sa distansiya kung saan ang contacts ay hihiwalayin sa panahon ng operasyon, na nakakaapekto sa electrical insulation at arc-extinguishing capabilities.

• Opening at closing speed: Ang mas mabilis na speeds ay maaaring mapataas ang switching performance ngunit dinadagdag din nito ang mas malaking dynamic loads sa mga component, kabilang ang bellows.

• Motion damping sa end ng opening at closing stroke: Mahalaga ang sapat na damping upang mapababa ang vibrations at bawasan ang mechanical stress sa bellows at iba pang bahagi.

• Overshoot at rebound sa pagbubukas: Ang mga phenomenon na ito ay maaaring magdulot ng karagdagang wear and tear sa contacts at bellows, na maaaring maiksi ang kabuuang lifespan.

• Mounting resilience: Ang paraan kung paano inilalagay ang vacuum interrupter ay maaaring makaapekto sa distribusyon ng forces sa panahon ng operasyon, na naiimpluwensya ang mechanical life ng bellows.

• Contact bouncing sa pagsasara: Ang sobrang contact bouncing ay maaaring magresulta sa arcing at mas mataas na stress sa bellows, na nagdudulot ng pagkasira nito sa loob ng panahon.

Ang mga bellows ay gumaganap ng dual-role sa vacuum interrupters. Nagbibigay sila ng paggalaw ng moving contact habang nagpapanatili ng vacuum-tight seal. Gawa sila sa stainless steel, karaniwang may thickness ng humigit-kumulang 150 µm, at disenyo sila upang matiis ang harsh operating conditions sa loob ng interrupter. Tatlong uri ng bellows ang matagumpay na inintegro sa mga disenyo ng vacuum interrupter:

• Seamless hydroformed bellows: Ang mga ito ay nabuo nang walang visible seams, na maaaring magbigay ng mas enhanced integrity at performance.

• Seam-welded hydroformed bellows: Ginawa sila sa pamamagitan ng pagweld ng seams pagkatapos ng hydroforming, na balanse ang cost at performance requirements.

• Bellows gawa sa edge-welded, thin stainless-steel washers: Binuo sila sa pamamagitan ng pagweld ng thin washers, na nagbibigay ng cost-effective solution para sa ilang aplikasyon.

Ang comprehensive details tungkol sa disenyo at performance ng bellows ay maitatagpuan sa EJMA Standards.

Ang isang dulo ng bellows ay maaring matiyak na ipinapirmahan sa pamamagitan ng brazing ito sa end plate ng vacuum interrupter, samantalang ang kabilang dulo ay binrazing sa moving terminal at sumasabay nito sa paggalaw habang ang contacts ay bumubukas at nagsasara. Sa vacuum interrupter, ang mga bellows ay dinaranas ng impulsive motion sa panahon ng contact operations. Ang opening speed ng moving contact maaaring mabilis na tumaas mula 0 m/s hanggang 2 m/s sa loob ng 100 µs. Sa dulo ng contact stroke, kung bukas o sarado, ang moving end ng bellows ay nagtatapos ng biglaang stop

Ang frequency ng mga open-close operations ay nag-iiba depende sa duty cycle. Sa ilang kaso, maaari silang mangyari maraming beses, habang sa iba, sila ay bihira. Ang motion na ibinibigay sa bellows ay malayo mula sa uniform, at karaniwan para sa bellows na lumilitaw ng maraming beses sa loob ng isang solo na pagbubukas o pagsasara. Para sa mga interesado sa pag-analyze ng bellows motion, isang general analytical approach ang naimpluwensya upang matukoy ang dynamic stresses na dinaranas ng bellows sa ilalim ng impulsive motion.

Karamihan ng vacuum interrupter manufacturers ay bumibili ng kanilang bellows mula sa well-established bellows manufacturers at nakikipagtulungan sa kanila upang makamit ang desired bellows lifespan. Karaniwan itong ginagawa sa pamamagitan ng pag-integrate ng bellows sa isang practical vacuum interrupter at pag-conduct ng mechanical life tests sa statistically significant number of vacuum interrupter samples. Maaaring mag-assign ng isang specified mechanical life sa vacuum interrupter na may iyon bellows gamit ang Weibull analysis. Karaniwan, ang mechanical life limit ng vacuum interrupter ay nagdedepende sa bilang ng operations na maaaring tiisin ng bellows bago ang fatigue failure.

Kapag mekanikal na itest ang vacuum interrupter, mahalagang isubject ang bellows sa parehong operating parameters na ito ay tatamaan sa isang switching device. Ang mga parameter na ito ay kinabibilangan ng total travel (operating gap plus over-travel), maximum opening speed, maximum closing speed, at ang epekto ng acceleration at deceleration. Ang testing ng bellows sa loob ng vacuum interrupter ay sigurado na ito ay dadaanan ang lahat ng manufacturing steps na ididinanas ng tapos na device. Halimbawa, dapat itong ma-expose sa lahat ng mga heating at cooling cycles na kinakailangan para sa vacuum interrupter manufacturing. Ang mga proseso na ito ay ari-arian na anneal ang metal ng bellows, nagbabago ng granular microstructure nito at, bilang resulta, ang kanyang performance characteristics.

Ang mechanical life ng isang tiyak na bellows ay nagdedepende hindi lamang sa nabanggit na operating parameters kundi pati na rin sa kanyang sariling physical attributes. Ito ay kinabibilangan ng uri ng stainless steel na ginamit, ang length, diameter, thickness, ang bilang ng convolutions, at ang kanyang kakayahan na dampen ang motion kapag natapos na ang contact na galaw. Posible itong disenyo ang bellows na maaaring reliably perform ang normal 30,000 operations na kinakailangan para sa karamihan ng vacuum circuit breakers at vacuum reclosers, at maging higit pa sa 10^6 operations para sa vacuum contactors. Gayunpaman, bagama't ang mga vacuum interrupter manufacturers ay nagpursige upang disenyo ang kanilang produkto upang tugunan ang specified mechanical life ng iba't ibang switching devices, karamihan ng vacuum interrupters ay hindi nakararating sa kanilang nagsasabi ng mechanical life kapag inilapat sa field.Para sa mas maraming insights tungkol sa failure reasons ng Vacuum Interrupters (VIs), mangyaring tumingin sa relevant article.

Ang vacuum interrupter designer ay kailangang magpainit upang maiwasan ang user na i-twist ang bellows kapag inilalagay ang vacuum interrupter sa isang mechanism. Ang twisted bellows ay maaaring malaki ang pagbawas sa mechanical life nito, posibleng bababa pa sa 1% ng designed lifespan nito. Ang torque na maaaring ma-apply sa thin-walled bellows sa vacuum interrupter bago permanent twisting ay relatibong mababa, humigit-kumulang 8.5–11.5 Nm. Upang maiwasan ang twisting ng bellows, ang designer ay dapat ilagay ang anti-twisting bushing sa loob nito. Ang bushing na ito ay maaaring ilock sa lugar sa pamamagitan ng pag-attach nito sa end plate ng interrupter. Ang inner surface ng bushing ay may hugis o keyway upang maiwasan ang anumang rotation ng moving copper terminal na nakakabit sa bellows (tulad ng ipinaliwanag sa Figure 2). Ang bushing material ay maaaring metal o plastic tulad ng Nylatron. Kapag gumagamit ng plastic materials tulad ng Nylatron at Valox, kailangan ng pag-iingat. Ang mga materyales na ito ay maaaring gamitin lamang sa mga aplikasyon kung saan ang maximum permissible temperature na ito ay limited. Halimbawa, para sa Nylatron, ang temperatura kung saan ang tensional strength nito ay bawas sa 50% pagkatapos ng 100,000 oras ay humigit-kumulang 125°C (ito ay maaaring tiisin ang mas mataas na temperatura sa maikling panahon nang hindi nagdeform dahil sa glass fiber content nito), at para sa Valox DR48, ito ay humigit-kumulang 140°C. Mayroon ding mas mahal at mas mataas na temperatura na plastics available, tulad ng “Ultem 2310 R.”

Fig 2: Mga Halimbawa ng Anti-twist Bushings para sa Proteksyon ng Bellow

Ang materyal na ginamit para sa mga anti-twist bushings ay may maximum permissible temperature ng humigit-kumulang 180°C. Ito ay maaaring tiisin ang maikling panahon (humigit-kumulang 1 oras) ng exposure sa temperatura na lumampas sa limit na ito nang walang malaking deformation.

Para sa mga vacuum interrupters na gumagana sa mas mataas na circuit-breaker voltages, kinakailangan ng mas mahabang contact stroke. Halimbawa, sa 72.5 kV, kinakailangan ng stroke na humigit-kumulang 40 mm. Upang acommodate ang extended stroke, ang bellows ay kailangang proporsyon na palawakin. Gayunpaman, ang napakahabang bellows ay hindi nagbubukas at nag-sasara nang uniform manner. Sa halip, sila ay tend to squirm sa panahon ng movement. Bilang resulta, ang inner convolutions ng bellows ay maaaring mag-rub against the copper (Cu) terminal. Ang friction na ito ay maaaring malaki ang pagbawas sa lifespan ng bellows.

Upang tugunan ang isyu na ito, ang mga specialized bellows na may internal pads ay naimpluwensya. Ang mga pads na ito ay slide along the Cu terminals, minimizing wear and tear. Isang halimbawa ng ganitong disenyo ng bellows ay ipinaliwanag sa Figure 3.