Uloga zvonaca u vakuumskim prekidačima

Uvod u vakuumski prekidnike i metalne gume

S napredkom tehnologije i rastućom zabrinutosti zbog globalnog zagrijavanja, vakumski prekidnici postaju značajna opcija u području električne inženjerije.
Budući mreže stavljanja sve strožije zahtjeve na performanse prekidnika, s posebnim naglaskom na brža prekidanja i produženiji radni vijek. U srednjeg naponskim prekidnicima, vakumski prekidnici (VIs) su postali široko prihvaćeni. To je zato što korištenje vakuuma kao sredstva za prekidanje pruža neuporediva prednosti unutar ovog specifičnog područja primjene. Vakumski prekidnik služi kao ključni dio vakumnog prekidnika, a metalne gume igraju važnu i učinkovitu ulogu unutar vakumskih prekidnika.

Metalne gume su dizajnirane da održavaju ultra visoku vakumsku sigurnost dok istodobno omogućuju translacijski pokret pokretnog električnog kontakta unutar spremnika prekidnika. Međutim, mehanički životni vijek vakumnog prekidnika uglavnom je ograničen tzv. vakumskim metalnim gumama. U kontekstu budućih prekidnika, potraga za bržim prekidanjem neizborno će dovesti do većih dinamičkih udarnih opterećenja. Ova opterećenja mogu izazvati oscilacije metalnih guma s većim amplitudama, time značajno skraćujući životni vijek metalnih guma. Nadalje, s očekivanim porastom frekvencije operacija prekidanja u budućim mrežama, simulacija vakumskih metalnih guma postaje neizbivena za optimizaciju njihovog dizajna, a time i poboljšanje mehaničkog životnog vijeka vakumskih prekidnika.

Uloga metalnih guma u vakumskim prekidnicima

Metalne gume, obično proizvedene od tankih listova nerđajućeg čelika, dizajnirane su kako bi omogućile otvaranje i zatvaranje kontakata, uz održavanje vakumske okoline unutar prekidnika.
Otpornost na umor metalnih guma je ključan faktor koji utječe na mehanički životni vijek vakumnog prekidnika. Svaka operacija otvaranja i zatvaranja kontakata opterećuje metalne gume, posebno konvolucije najbliže krajevima. Osim direktnog mehaničkog opterećenja od operativnog pokreta, metalne gume iskusit će i oscilacije nakon završetka pokreta kontakata. Te oscilacije dodatno doprinose iscrpljivanju metalnih guma, ubrzavajući njihovu degradaciju tijekom vremena.
Slika 1 prikazuje specifičan tip metalne gume za vakumski prekidnik proizveden od strane tvrtke Sigma - Netics.

Slika 1: Metalna guma vakumnog prekidnika od tvrtke Sigma - Netics compan

Mehanički životni vijek vakumskih prekidnika značajno se utječe nekoliko ključnih parametara pokreta kontakata:

• Stalno stanje poteza kontakta ili razmaka: Ovo određuje udaljenost kojom se kontakti razdvajaju tijekom rada, utječeći na elektroizolaciju i sposobnost gašenja lukove.

• Brzina otvaranja i zatvaranja: Brže brzine mogu poboljšati performanse prekidanja, ali također stavljaju veće dinamičke opterećenja na komponente, uključujući metalne gume.

• Prigušenje pokreta na kraju otvaranja i zatvaranja: Dovoljno prigušenje je neophodno kako bi se smanjila vibracija i smanjio mehanički stres na metalne gume i druge dijelove.

• Prekoračenje i povrat kod otvaranja: Ovi pojavi mogu uzrokovati dodatni iscrpljivanje kontakata i metalnih guma, potencijalno skraćujući ukupni životni vijek.

• Iznos otpornosti montaže: Način na koji je vakumski prekidnik montiran može utjecati na distribuciju sila tijekom rada, utječeći na mehanički životni vijek metalnih guma.

• Podbijanje kontakata pri zatvaranju: Prekomjerno podbijanje kontakata može dovesti do lukovanja i povećanja stresa na metalne gume, pogoršavajući njihove performanse tijekom vremena.

Metalne gume imaju dvostruku ulogu u vakumskim prekidnicima. Omogućuju pokret pokretnog kontakta, a istodobno održavaju vakumsku sigurnost. Izgrađene od nerđajućeg čelika, obično debljine oko 150 µm, dizajnirane su da izdrže teške uvjete rada unutar prekidnika. Tri vrste metalnih guma uspješno su integrirane u dizajn vakumskih prekidnika:

• Seamless hidroformirane metalne gume: One su formirane bez vidljivih spojeva, potencijalno nude poboljšanu cjelovitost i performanse.

• Spojnice hidroformirane metalne gume: Proizvedene spajanjem spojnica nakon hidroformiranja, ravnoteže troškove i zahtjeve za performansama.

• Metalne gume izrađene od tankih nerđajućih čelikastih prstena: Konstruirane spajanjem tankih prstena, pružaju ekonomično rješenje za određene primjene.

Kompletni detalji o dizajnu i performansama metalnih guma mogu se pronaći u EJMA standardima.

Jedan kraj metalne gume je osiguran spajanjem ga na platnu kraja vakumnog prekidnika, dok je drugi kraj spajan na pokretni terminal i pomiče se zajedno s njim tijekom otvaranja i zatvaranja kontakata. U vakumskom prekidniku, metalne gume podliježu impulsivnom pokretu tijekom operacija kontakata. Brzina otvaranja pokretnog kontakta može brzo porasti od 0 m/s do do 2 m/s u manje od 100 µs. Na kraju poteza kontakta, bilo otvaranja ili zatvaranja, pokretni kraj metalne gume zaustavlja se iznenada.

Frekvencija ovih operacija otvaranja i zatvaranja varira ovisno o ciklusu rada. U nekim slučajevima, one se mogu dogoditi mnogo puta, dok su u drugima rijetke. Pokret koji se prenosi na metalne gume daleko nije uniforman, i često se metalne gume talasaju više puta tijekom jedne operacije otvaranja ili zatvaranja. Za one koji su zainteresirani za analizu pokreta metalne gume, razvijen je opći analitički pristup za određivanje dinamičkih stresa koje metalne gume iskušavaju tijekom impulsivnog pokreta.

Većina proizvođača vakumskih prekidnika dobiva svoje metalne gume od dobro postavljenih proizvođača metalnih guma i surađuje s njima kako bi postigli željeni životni vijek metalne gume. To se obično postiže uključivanjem metalne gume u praktični vakumski prekidnik i provedbom mehaničkih testova životnog vijeka na statistički značajnom broju uzoraka vakumskih prekidnika. Zatim se može odrediti određeni mehanički životni vijek vakumnog prekidnika s tom metalnom gumom koristeći Weibullovu analizu. Obično, granica mehaničkog životnog vijeka vakumnog prekidnika određuje se brojem operacija koje metalna guma može izdržati prije nastanka umora materijala.

Kada se mehanički testira vakumski prekidnik, ključno je podvrgnuti metalne gume istim operativnim parametrima koje će iskusiti u uređaju za prekid. Ti parametri uključuju ukupni put (operativni razmak plus prekomjerna duljina), maksimalnu brzinu otvaranja, maksimalnu brzinu zatvaranja, te učinke akceleracije i dekeleracije. Testiranje metalne gume unutar vakumnog prekidnika osigurava da ona prođe sve faze proizvodnje koje će proći završni uređaj. Na primjer, treba biti izložena svim ciklusima zagrijavanja i hlađenja potrebnim za proizvodnju vakumnog prekidnika. Ovi procesi neizborno tepiti će metal metalne gume, mijenjajući njegovu grafičku mikrostrukturu, a time i njegove performanse.

Mehanički životni vijek određene metalne gume ovisi ne samo o gore navedenim operativnim parametrima, nego i o njenim vlastitim fizičkim atributima. To uključuje vrstu nerđajućeg čelika koja se koristi, njenu duljinu, promjer, debljinu, broj konvolucija i sposobnost prigušenja pokreta nakon što se kontakt zaustavi. Moguće je dizajnirati metalne gume koje pouzdano mogu obaviti normalne 30.000 operacija potrebne za većinu vakumskih prekidnika i vakumskih automatskih prekidnika, i čak preći 10^6 operacija za vakumskog kontakta. Međutim, unatoč naporima proizvođača vakumskih prekidnika da dizajniraju svoje proizvode kako bi zadovoljili navedeni mehanički životni vijek različitih uređaja za prekid, većina vakumskih prekidnika ne dostiže navedeni mehanički životni vijek kada se koriste u polju. Za više informacija o razlozima neuspjeha vakumskih prekidnika (VIs), molimo vas da se obratite relevantnom članku.Dizajner vakumskog prekidnika mora uzeti predostrožne mjere kako bi sprečio korisnika da savija metalnu gumu tijekom montaže vakumnog prekidnika u mehanizam. Savijena metalna guma može imati značajno smanjen mehanički životni vijek, potencijalno do manje od 1% njenog projektiranog životnog vijeka. Moment koji se može primijeniti na tanke metalne gume u vakumskom prekidniku prije trajnog savijanja je relativno nizak, otprilike 8.5–11.5 Nm. Da bi se spriječilo savijanje metalne gume, dizajner bi trebao ubaciti protusavijalo u nju. To protusavijalo može se zaključiti na mjestu vezivanjem ga na platnu kraja prekidnika. Unutrašnja površina protusavijala je oblikovana ili ima ključni otvor kako bi se spriječilo bilo kakvo rotiranje pokretnog bakrenog terminala povezanog s metalnom gumom (kao što je prikazano na Slici 2). Materijal protusavijala može biti metalički ili plastika poput Nylatrona. Kada se koriste plastike poput Nylatrona i Valoksa, potrebna je opreza. Ovi materijali mogu se koristiti samo u primjenama gdje je maksimalna dopuštena temperatura koju će iskusiti ograničena. Na primjer, za Nylatron, temperatura pri kojoj se njegova naprezanje snaga smanji na 50% nakon 100.000 sati je otprilike 125°C (može izdržati više temperature na kratko vrijeme bez deformacije zbog sadržaja staklenih vlakana), a za Valox DR48, to je oko 140°C. Postoje i skuplje, visokotemperaturne plastike, poput "Ultem 2310 R".

Slika 2: Primjeri protusavijalnih guma za zaštitu metalne gume

Materijal koji se koristi za ove protusavijalne gume ima maksimalnu dopuštenu temperaturu otprilike 180°C. Može izdržati kratkotrajnu izlaganju (oko 1 sata) temperaturama koje prelaze tu granicu bez značajne deformacije.

Za vakumne prekidnike koji operiraju na većim naponima prekidnika, potreban je duži potez kontakta. Na primjer, na 72.5 kV, potreban je potez otprilike 40 mm. Da bi se prilagodila ova produžena duljina, metalne gume moraju proporcionalno produžiti. Međutim, vrlo dugacke metalne gume ne otvaraju i ne zatvaraju uniformno. Umjesto toga, tendiraju da se crknu tijekom pokreta. Kao rezultat, unutarnje konvolucije metalne gume mogu se truti sa bakrenim (Cu) terminalom. Taj trenje može značajno smanjiti životni vijek metalne gume.

Da bi se riješila ova problema, razvijene su specijalizirane metalne gume s unutarnjim padicama. Te padice klize duž Cu terminala, minimalizirajući iscrpljivanje. Primjer takvog dizajna metalne gume prikazan je na Slici 3.