O papel das campáns nas interrupcións de vacío

Introdución aos Interruptores de Vacío e as Borrachas

Con os avances tecnolóxicos e a crecente preocupación polo calentamento global, os interruptores de vacío están a emerxer como unha consideración significativa no dominio da enxeñaría eléctrica.
As futuras redes eléctricas están imponendo demandas cada vez máis estritas no rendemento de conmutación dos interruptores, con unha particular énfase nos maiores velocidades de conmutación e nas vidas útiles operativas estendidas. Nos interruptores de media tensión, os interruptores de vacío (VIs) gañaron unha preferencia xeralizada. Isto é debido a que o uso do vacío como medio de interrupción ofrece vantaxes inigualables dentro deste rango específico de aplicación. O interruptor de vacío serve como o compoñente central dun interruptor de circuito de vacío, e as borrachas xogan un papel crucial e efectivo dentro dos interruptores de vacío.

As borrachas metálicas están deseñadas para manter un sello de ultra-alto vacío mentres permiten o movemento translacional do contacto eléctrico móbil dentro da cámara do interruptor. No entanto, a vida útil mecánica dun interruptor de vacío está predominantemente limitada polas chamadas borrachas de vacío. No contexto dos interruptores futuros, a busca de velocidades de conmutación máis rápidas resultará inevitabelmente en cargas dinámicas de tipo impacto máis altas. Estas cargas poden desencadear oscilacións das borrachas con amplitudes maiores, reducindo significativamente a vida útil das mesmas. Ademais, dado o aumento previsto na frecuencia das operacións de conmutación nas futuras redes eléctricas, a simulación das borrachas de vacío torna-se indispensable para optimizar o seu deseño e, en consecuencia, mellorar a vida útil mecánica dos interruptores de vacío.

O Papel das Borrachas nos Interruptores de Vacío

As borrachas, xeralmente fabricadas a partir de finas lamas de acero inoxidable, están deseñadas para facilitar a apertura e pechado dos contactos mentres aseguran a manutención dun ambiente de vacío dentro do interruptor.
A resistencia á fadiga das borrachas é un factor clave que determina a vida útil mecánica dun interruptor de vacío. Cada operación de apertura e pechado suxecta as borrachas a estrés, especialmente as convolucións situadas máis preto dos extremos. Alem do estrés mecánico directo do movemento operativo, as borrachas tamén experimentan oscilacións post-operativas unha vez que o movemento do contacto cesa. Estas oscilacións contribúen adicionalmente ao desgaste das borrachas, acelerando a súa degradación ao longo do tempo.
A figura 1 ilustra un tipo específico de borrachas para interruptores de vacío fabricadas pola compañía Sigma-Netics.

Fig 1: Borrachas de Interruptor de Vacío por Sigma - Netics compan

A vida útil mecánica dos interruptores de vacío está significativamente influenciada por varios parámetros críticos do movemento do contacto:

• Carrera de contacto en estado estable ou brecha: Esto determina a distancia que os contactos se separan durante a operación, afectando a aislación eléctrica e as capacidades de extinción de arco.

• Velocidade de apertura e pechado: Velocidades máis rápidas poden mellorar o rendemento de conmutación pero tamén imponen cargas dinámicas maiores sobre os componentes, incluíndo as borrachas.

• Amortiguación ao final da carrera de apertura e pechado: Unha amortiguación adecuada é esencial para minimizar vibracións e reducir o estrés mecánico sobre as borrachas e outras partes.

• Sobrepaso e rebote na apertura: Estes fenómenos poden causar un desgaste adicional nos contactos e as borrachas, posiblemente acortando a vida útil xeral.

• Resistencia de montaxe: A forma en que se monta o interruptor de vacío pode afectar a distribución de forzas durante a operación, influenciando a vida útil mecánica das borrachas.

• Rebote de contacto no pechado: Un rebote excesivo de contacto pode levar a arcos e un estrés aumentado sobre as borrachas, degradando o seu rendemento ao longo do tempo.

As borrachas xogan un dobre papel nos interruptores de vacío. Permiten o movemento do contacto móbil mentres mantén un sello hermético de vacío. Construídas en acero inoxidable, xeralmente con un espesor de aproximadamente 150 µm, están deseñadas para soportar as duras condicións de operación dentro do interruptor. Tres tipos de borrachas foron integrados con éxito no deseño de interruptores de vacío:

• Borrachas hidroformadas sen costuras: Estas están formadas sen costuras visibles, ofrecendo potencialmente integridade e rendemento mellorados.

• Borrachas hidroformadas cosidas: Fabricadas cosiendo as costuras despois da hidroformación, equilibran os requisitos de custo e rendemento.

• Borrachas feitas de lavadores de acero inoxidable delgado soldados: Construídas soldando lavadores delgados xuntos, proporcionan unha solución económicamente eficiente para certas aplicacións.

Detalles comprehensivos sobre o deseño e rendemento das borrachas pódense atopar nos Estandares EJMA.

Un extremo das borrachas está seguramente fixado mediante soldadura a lámina ao plato final do interruptor de vacío, mentres que o outro extremo está soldado ao terminal móbil e moveuse en tandem con el durante a apertura e pechado dos contactos. No interruptor de vacío, as borrachas están suxectas a movemento impulsivo durante as operacións de contacto. A velocidade de apertura do contacto móbil pode aumentar rapidamente de 0 m/s a ata 2 m/s en menos de 100 µs. Ao final da carrera do contacto, xa sexa abrindo ou pechando, o extremo móbil das borrachas para de súpeto.

A frecuencia destas operacións de apertura-pechado varía en función do ciclo de servizo. En algúns casos, poden ocorrer numerosas veces, mentres que en outros son raras. O movemento impartido ás borrachas está lonxe de ser uniforme, e é común que as borrachas oscilen múltiples veces durante unha única operación de apertura ou pechado. Para aqueles interesados en analizar este movemento de borrachas, desenvolveuse un enfoque analítico xeral para determinar os estrés dinámicos experimentados polas borrachas baixo movemento impulsivo.

A maioría dos fabricantes de interruptores de vacío obtén as súas borrachas de fabricantes de borrachas establecidos e colabora con eles para lograr a vida útil deseada das borrachas. Isto xeralmente se logra incorporando as borrachas nun interruptor de vacío práctico e realizando probas de vida útil mecánica en un número estatisticamente significativo de mostras de interruptores de vacío. Entón, pode asignarse unha vida útil mecánica específica ao interruptor de vacío con esas borrachas utilizando análise Weibull. Xeralmente, o límite de vida útil mecánica dun interruptor de vacío está determinado polo número de operacións que as borrachas poden sufrir antes do fallo por fadiga.

Ao realizar probas mecánicas nun interruptor de vacío, é crucial someter as borrachas aos mesmos parámetros de funcionamento que experimentarán nun dispositivo de conmutación. Estes parámetros inclúen o viaxe total (brecha operativa máis sobre-travel), velocidade máxima de apertura, velocidade máxima de pechado, e os efectos da aceleración e desaceleración. Probar as borrachas dentro do interruptor de vacío asegura que pasen por todos os pasos de fabricación que experimentará o dispositivo final. Por exemplo, debe estar exposto a todos os ciclos de caldeamento e refrioxado necesarios para a fabricación do interruptor de vacío. Estes procesos inevitablemente recocerán o metal das borrachas, alterando a súa microestrutura granular e, en consecuencia, as súas características de rendemento.

A vida útil mecánica dunha borracha específica depende non só dos parámetros de funcionamento mencionados anteriormente, senón tamén das súas propias atributos físicos. Estes inclúen o tipo de acero inoxidable utilizado, a súa lonxitude, diámetro, espesor, o número de convolucións, e a súa capacidade para amortiguar o movemento unha vez que o contacto deixa de moverse. É factible deseñar borrachas que podan realizar confiablemente as 30.000 operacións normais requeridas para a maioría dos interruptores de circuito de vacío e reinterruptores de vacío, e incluso superar 10^6 operacións para contactores de vacío. No entanto, a pesar dos esforzos dos fabricantes de interruptores de vacío para deseñar os seus produtos para cumprir a vida útil mecánica especificada de diversos dispositivos de conmutación, a maioría dos interruptores de vacío non alcanzan a súa vida útil declarada cando se implementan no campo.Para obter máis información sobre as razóns de fallo dos Interruptores de Vacío (VIs), consulte o artigo relevante.

O deseñador do interruptor de vacío debe tomar precaucións para evitar que o usuario torza as borrachas ao instalar o interruptor de vacío nun mecanismo. Unha borracha torcida pode ter a súa vida útil mecánica severamente reducida, potencialmente a menos do 1% da súa vida útil deseñada. O par que se pode aplicar ás borrachas de parede fina nun interruptor de vacío antes do torcido permanente é relativamente baixo, aproximadamente 8.5–11.5 Nm. Para evitar o torcido das borrachas, o deseñador debe inserir un buxo antitorcido nelas. Este buxo pode fixarse no seu lugar unindo-o ao plato final do interruptor. A superficie interior do buxo está conformada ou ten un orificio de clave para evitar calquera rotación do terminal de cobre móbil unido ás borrachas (como se mostra na Figura 2). O material do buxo pode ser metálico ou un plástico como o Nylatron. Ao usar materiais plásticos como o Nylatron e Valox, é necesario ter cautela. Estes materiais só poden utilizarse en aplicacións onde a temperatura máxima permitida que experimentarán está limitada. Por exemplo, para o Nylatron, a temperatura na que a súa resistencia a tracción se reduce ao 50% despois de 100.000 horas é aproximadamente 125°C (pode soportar temperaturas máis altas por períodos curtos sen deformarse debido ao seu contido de fibra de vidrio), e para o Valox DR48, é arredor de 140°C. Tamén hai plásticos de alta temperatura máis caros dispoñibles, como o "Ultem 2310 R".

Fig 2: Exemplos de Buxos Antitorcido para Protección de Borrachas

O material usado para estes buxos antitorcido ten unha temperatura máxima permitida de aproximadamente 180°C. Pode soportar exposicións de corto prazo (arredor dunha hora) a temperaturas que superan este límite sen deformación significativa.

Para interruptores de vacío que operan a voltaxes de interruptor de circuito máis altos, é necesaria unha carrera de contacto máis longa. Por exemplo, a 72.5 kV, é necesaria unha carrera de aproximadamente 40 mm. Para acomodar esta carrera extendida, as borrachas deben alargarse proporcionalmente. No entanto, as borrachas moi longas non se abren e pechan de maneira uniforme. En cambio, tenden a retorcerse durante o movemento. Como resultado, as convolucións internas das borrachas poden rocear contra o terminal de cobre (Cu). Esta fricción pode reducir significativamente a vida útil das borrachas.

Para abordar este problema, desenvolvéronse borrachas especializadas con almohadillas internas. Estas almohadillas deslizanse ao longo dos terminais de Cu, minimizando o desgaste. Un exemplo de tal deseño de borrachas ilustrase na Figura 3.