Szivattyú szerepe vákuumszakítókban
A vakuumtörlés és csőhártyák bevezetése
A technológiai fejlődés és a globális felmelegedés miatti növekvő aggodalom révén a vakuum áramköri törésvédők jelentős szerepet játszanak az elektrotechnikai területen.
A jövőbeli hálózatok egyre szigorúbban követelik a törésvédők kapcsolási teljesítményét, különös hangsúlyt fektetve a gyorsabb kapcsolásra és a hosszabb működési időre. A közép-feszültségű törésvédők esetében a vakuumtörlések (VIs) széles körben elfogadottak. Ennek oka, hogy a vakuum mint törlési médium ezen alkalmazási tartományban egyedülálló előnyökkel jár. A vakuumtörlés a vakuum áramköri törésvédő legfontosabb komponense, és a csőhártyák kulcsfontosságú és hatékony szerepet játszanak a vakuumtörlésekben.
A fém csőhártyák úgy vannak kialakítva, hogy ultra-magasszintű vakuumzárót biztosítsanak, miközben lehetővé teszik a mozgó elektrikus kapcsoló elemeinek transzlációs mozgását a törlési kamrában. Azonban a vakuumtörlés mechanikai élettartama nagyban korlátozódik a szó szerinti vakuum csőhártyák által. A jövőbeli törésvédők gyorsabb kapcsolási sebességei magasabb dinamikus impulzus típusú terheléseket eredményeznek. Ezek a terhelések nagyobb amplitúdójú csőhártya rezgésekhez vezethetnek, ami jelentősen rövidíti a csőhártyák élettartamát. Továbbá, a jövőbeli hálózatokban várhatóan növekedni fog a kapcsolási műveletek gyakorisága, ezért a vakuum csőhártyák szimulációja elengedhetetlen a tervezés optimalizálása érdekében, és így a vakuumtörlések mechanikai élettartamának megnövelése érdekében.
A csőhártyák szerepe a vakuumtörlésekben
A csőhártyák, általában vékony锈钢薄片制成，旨在促进触点的开闭，同时确保断路器内部保持真空环境。
波纹管的抗疲劳性是决定真空灭弧室机械寿命的关键因素。每次触点开闭操作都会对波纹管施加应力，尤其是靠近端部的波纹部分。除了操作运动带来的直接机械应力外，波纹管在触点运动停止后还会经历后续振荡。这些振荡进一步加剧了波纹管的磨损，加速其随时间的退化。
图1展示了Sigma-Netics公司制造的一种特定类型的真空灭弧室波纹管。
Fig 1: Vacuum Interrupter Bellows by Sigma - Netics compan
真空灭弧室的机械寿命受到几个关键接触运动参数的显著影响：
稳态接触行程或间隙：这决定了操作过程中触点分离的距离，影响电气绝缘和熄弧能力。
开合速度：更快的速度可以提高开关性能，但也对包括波纹管在内的组件施加更大的动态负载。
开合行程末端的运动阻尼：适当的阻尼对于减少振动和降低波纹管及其他部件的机械应力至关重要。
开合时的过冲和反弹：这些现象会导致触点和波纹管额外的磨损，可能缩短整体寿命。
安装弹性：真空灭弧室的安装方式会影响操作过程中的力分布，从而影响波纹管的机械寿命。
闭合时的接触弹跳：过度的接触弹跳会导致电弧产生，并增加波纹管的应力，随着时间推移会降低其性能。
波纹管在真空灭弧室中扮演双重角色。它们使动触点能够移动，同时保持真空密封。通常由厚度约为150微米的不锈钢制成，设计用于承受灭弧室内恶劣的操作条件。三种类型的波纹管已成功集成到真空灭弧室设计中：
无缝液压成形波纹管：这些波纹管没有可见的接缝，可能提供更高的完整性和性能。
焊接液压成形波纹管：通过液压成形后焊接接缝制造，平衡了成本和性能要求。
由边缘焊接的薄不锈钢垫圈制成的波纹管：通过焊接薄垫圈制成，为某些应用提供了经济高效的解决方案。
关于波纹管设计和性能的详细信息可以在EJMA标准中找到。
波纹管的一端通过钎焊固定在真空灭弧室的端板上，而另一端则钎焊到动端子上，并随着触点的开闭一起移动。在真空灭弧室中，波纹管在触点操作期间会受到脉冲运动的影响。动触点的开启速度可以从0 m/s迅速增加到高达2 m/s，用时不到100微秒。在触点行程结束时，无论是开启还是闭合，波纹管的动端都会突然停止。
这些开闭操作的频率取决于工作周期。在某些情况下，它们可能会发生多次，而在其他情况下则很少见。传递给波纹管的运动远非均匀，波纹管在一个单独的开闭操作中通常会振荡多次。对于那些有兴趣分析这种波纹管运动的人来说，已经开发出了一种通用的分析方法来确定脉冲运动下波纹管所经历的动态应力。
大多数真空灭弧室制造商从知名的波纹管制造商那里采购波纹管，并与他们合作以实现所需的波纹管寿命。这通常是通过将波纹管纳入实际的真空灭弧室并进行统计学上有意义数量的真空灭弧室样本的机械寿命测试来完成的。然后可以使用Weibull分析法为带有该波纹管的真空灭弧室指定一个特定的机械寿命。通常，真空灭弧室的机械寿命限制是由波纹管在疲劳失效前能承受的操作次数决定的。
在对真空灭弧室进行机械测试时，必须使波纹管经受与其在开关设备中相同的操作参数。这些参数包括总行程（操作间隙加上超行程）、最大开启速度、最大闭合速度以及加速度和减速度的影响。在真空灭弧室内测试波纹管可以确保它经历成品设备的所有制造步骤。例如，它应该暴露于真空灭弧室制造所需的所有加热和冷却循环。这些过程不可避免地会使波纹管的金属退火，改变其晶粒微观结构，从而改变其性能特征。
特定波纹管的机械寿命不仅取决于上述操作参数，还取决于其自身的物理属性。这些包括使用的不锈钢类型、长度、直径、厚度、波纹数量及其在触点停止移动后的阻尼能力。可以设计出能够可靠执行大多数真空断路器和真空重合器所需的正常30,000次操作的波纹管，甚至可以超过10^6次操作的真空接触器。然而，尽管真空灭弧室制造商努力设计其产品以满足各种开关设备的指定机械寿命，但大多数真空灭弧室在现场部署时并未达到其规定的机械寿命。有关真空灭弧室（VI）故障原因的更多见解，请参阅相关文章。
真空灭弧室设计师必须采取预防措施，防止用户在将真空灭弧室安装到机构中时扭曲波纹管。扭曲的波纹管的机械寿命可能会严重缩短，甚至不到设计寿命的1%。在真空灭弧室中，施加到薄壁波纹管上的扭矩相对较低，大约为8.5至11.5 Nm。为了避免波纹管扭曲，设计师应在其中插入一个防扭套筒。该套筒可以通过将其固定到灭弧室的端板上来锁定位置。套筒的内表面形状或具有键槽，以防止连接到波纹管的移动铜端子旋转（如图2所示）。套筒材料可以是金属或Nylatron等塑料。当使用Nylatron和Valox等塑料材料时，需要谨慎。这些材料只能用于其允许的最大温度受限的应用中。例如，对于Nylatron，在100,000小时后其拉伸强度降至50%的温度约为125°C（由于含有玻璃纤维，它可以短时间承受更高的温度而不变形），而对于Valox DR48，则约为140°C。还有更昂贵、耐高温的塑料可供选择，例如“Ultem 2310 R”。
Fig 2: Examples of Anti - twist Bushings for Bellow Protection
这些防扭套筒所用材料的最大允许温度约为180°C。它可以短时间（约1小时）承受超过此限制的温度而不会显著变形。
对于在较高断路器电压下运行的真空灭弧室，需要更长的触点行程。例如，在72.5 kV时，需要约40 mm的行程。为了适应这种延长的行程，波纹管必须相应地加长。然而，非常长的波纹管在运动时不会均匀地开闭。相反，它们在运动时往往会蠕动。因此，波纹管的内部波纹可能会与铜（Cu）端子摩擦。这种摩擦会大大缩短波纹管的寿命。
为了解决这个问题，已经开发出了带有内部衬垫的特殊波纹管。这些衬垫沿着铜端子滑动，减少了磨损。图3展示了一种这样的波纹管设计。
