Peran bellow dalam pemutus vakum

Pengenalan Pemutus Vakum dan Bellows

Dengan kemajuan teknologi dan kekhawatiran yang semakin meningkat terhadap pemanasan global, pemutus sirkuit vakum telah muncul sebagai pertimbangan signifikan dalam bidang teknik elektro.
Jaringan listrik masa depan menuntut kinerja pemutusan sirkuit yang semakin ketat, dengan penekanan khusus pada kecepatan pemutusan yang lebih tinggi dan umur operasional yang lebih panjang. Dalam pemutus sirkuit tegangan menengah, pemutus vakum (VIs) telah mendapatkan preferensi yang luas. Ini karena penggunaan vakum sebagai media pemutusan memberikan keunggulan yang tak tertandingi dalam rentang aplikasi ini. Pemutus vakum berfungsi sebagai komponen inti dari pemutus sirkuit vakum, dan bellows memainkan peran yang sangat penting dan efektif dalam pemutus vakum.

Bellows logam dirancang untuk mempertahankan segel vakum super-tinggi sambil memungkinkan gerakan translasi kontak listrik yang bergerak di dalam ruang pemutus. Namun, umur mekanis pemutus vakum sebagian besar dibatasi oleh yang disebut bellows vakum. Dalam konteks pemutus sirkuit masa depan, upaya untuk mencapai kecepatan pemutusan yang lebih cepat akan menghasilkan beban tipe dampak dinamis yang lebih tinggi. Beban-beban ini dapat memicu osilasi bellows dengan amplitudo yang lebih besar, sehingga secara signifikan mengurangi umur bellows. Selain itu, mengingat diperkirakan peningkatan frekuensi operasi pemutusan dalam jaringan listrik masa depan, simulasi bellows vakum menjadi tidak terpisahkan untuk mengoptimalkan desainnya dan, akibatnya, meningkatkan umur mekanis pemutus vakum.

Peran Bellows dalam Pemutus Vakum

Bellows, biasanya dibuat dari lembaran baja tahan karat tipis, dirancang untuk memfasilitasi pembukaan dan penutupan kontak sambil memastikan pemeliharaan lingkungan vakum di dalam pemutus.
Ketahanan lelah bellows adalah faktor kunci yang menentukan umur mekanis pemutus vakum. Setiap operasi pembukaan dan penutupan kontak memberikan tekanan pada bellows, terutama lipatan yang terletak paling dekat dengan ujungnya. Selain stres mekanis langsung dari gerakan operasional, bellows juga mengalami osilasi pasca-operasi setelah gerakan kontak berhenti. Osilasi-osilasi ini lebih lanjut berkontribusi pada aus dan kerusakan bellows, mempercepat degradasinya seiring waktu.
Gambar 1 menggambarkan jenis bellows tertentu untuk pemutus vakum yang diproduksi oleh perusahaan Sigma-Netics.

Gambar 1: Bellows Pemutus Vakum oleh Perusahaan Sigma-Netics

Umur mekanis pemutus vakum dipengaruhi secara signifikan oleh beberapa parameter gerakan kontak kritis:

• Langkah kontak steady-state atau celah: Ini menentukan jarak pemisahan kontak selama operasi, mempengaruhi isolasi listrik dan kemampuan pemadam busur.

• Kecepatan membuka dan menutup: Kecepatan yang lebih cepat dapat meningkatkan kinerja pemutusan tetapi juga memberikan beban dinamis yang lebih besar pada komponen, termasuk bellows.

• Redaman gerakan pada akhir langkah membuka dan menutup: Redaman yang memadai sangat penting untuk meminimalkan getaran dan mengurangi stres mekanis pada bellows dan bagian lainnya.

• Overshoot dan rebound saat membuka: Fenomena-fenomena ini dapat menyebabkan aus dan kerusakan tambahan pada kontak dan bellows, potensial mempersingkat umur keseluruhan.

• Daya tahan pemasangan: Cara pemutus vakum dipasang dapat mempengaruhi distribusi gaya selama operasi, mempengaruhi umur mekanis bellows.

• Goyangan kontak saat menutup: Goyangan kontak yang berlebihan dapat menyebabkan arcing dan stres tambahan pada bellows, merusak kinerjanya seiring waktu.

Bellows memainkan peran ganda dalam pemutus vakum. Mereka memungkinkan gerakan kontak yang bergerak sambil mempertahankan segel vakum. Dibuat dari baja tahan karat, biasanya dengan ketebalan sekitar 150 µm, mereka dirancang untuk menahan kondisi operasional yang keras di dalam pemutus. Tiga jenis bellows telah berhasil diintegrasikan ke dalam desain pemutus vakum:

• Bellows hidroform tanpa sambungan: Bellows ini dibentuk tanpa sambungan yang terlihat, potensial memberikan integritas dan kinerja yang lebih baik.

• Bellows hidroform dengan sambungan las: Diproduksi dengan melas sambungan setelah proses hidroform, mereka menyeimbangkan biaya dan persyaratan kinerja.

• Bellows yang dibuat dari cincin stainless steel tipis yang dilas di tepi: Dibangun dengan melas cincin tipis bersama, mereka memberikan solusi hemat biaya untuk aplikasi tertentu.

Detail lengkap mengenai desain dan kinerja bellows dapat ditemukan dalam Standar EJMA.

Salah satu ujung bellows dipasang dengan kuat dengan melasnya ke pelat ujung pemutus vakum, sementara ujung lainnya dilas ke terminal bergerak dan bergerak bersama dengan pembukaan dan penutupan kontak. Dalam pemutus vakum, bellows mengalami gerakan impulsif selama operasi kontak. Kecepatan pembukaan kontak bergerak dapat meningkat dengan cepat dari 0 m/s hingga 2 m/s dalam kurang dari 100 µs. Di akhir langkah kontak, baik membuka maupun menutup, ujung bergerak bellows berhenti tiba-tiba.

Frekuensi operasi buka-tutup ini bervariasi tergantung pada siklus kerja. Dalam beberapa kasus, mereka dapat terjadi berkali-kali, sementara dalam kasus lain, mereka jarang terjadi. Gerakan yang diberikan ke bellows jauh dari seragam, dan umumnya bellows mengosilasi beberapa kali selama satu operasi buka atau tutup. Bagi yang tertarik menganalisis gerakan bellows ini, pendekatan analitis umum telah dikembangkan untuk menentukan stres dinamis yang dialami oleh bellows di bawah gerakan impulsif.

Sebagian besar produsen pemutus vakum memperoleh bellows mereka dari produsen bellows yang mapan dan bekerja sama dengan mereka untuk mencapai umur bellows yang diinginkan. Ini biasanya dicapai dengan mengintegrasikan bellows ke dalam pemutus vakum praktis dan melakukan uji umur mekanis pada jumlah sampel pemutus vakum yang signifikan secara statistik. Umur mekanis yang ditentukan kemudian dapat diberikan kepada pemutus vakum dengan bellows tersebut menggunakan analisis Weibull. Biasanya, batas umur mekanis pemutus vakum ditentukan oleh jumlah operasi yang dapat ditahan bellows sebelum kegagalan lelah terjadi.

Saat menguji pemutus vakum secara mekanis, sangat penting untuk mengekspos bellows ke parameter operasional yang sama yang akan dihadapi dalam perangkat pemutus. Parameter-parameter ini termasuk perjalanan total (celah operasional plus over-travel), kecepatan maksimum membuka, kecepatan maksimum menutup, dan efek percepatan dan perlambatan. Pengujian bellows dalam pemutus vakum memastikan bahwa ia mengalami semua tahap manufaktur yang akan dialami oleh perangkat jadi. Misalnya, harus terpapar semua siklus pemanasan dan pendinginan yang diperlukan untuk manufaktur pemutus vakum. Proses-proses ini akan tidak terhindarkan meng-anneal logam bellows, mengubah struktur mikro granularnya, dan karenanya karakteristik kinerjanya.

Umur mekanis bellows tertentu tidak hanya bergantung pada parameter operasional yang disebutkan di atas, tetapi juga pada atribut fisiknya sendiri. Ini termasuk jenis baja tahan karat yang digunakan, panjang, diameter, ketebalan, jumlah lipatan, dan kemampuannya untuk meredam gerakan setelah kontak berhenti bergerak. Dapat dirancang bellows yang dapat secara andal melakukan 30.000 operasi normal yang diperlukan untuk sebagian besar pemutus sirkuit vakum dan pemutus ulang vakum, dan bahkan melebihi 10^6 operasi untuk kontak vakum. Namun, meskipun produsen pemutus vakum berusaha merancang produk mereka untuk memenuhi umur mekanis yang ditentukan dari berbagai perangkat pemutus, sebagian besar pemutus vakum tidak mencapai umur mekanis yang dinyatakan saat diterapkan di lapangan.Untuk wawasan lebih lanjut mengenai alasan kegagalan Pemutus Vakum (VIs), silakan rujuk artikel yang relevan.

Perancang pemutus vakum harus mengambil tindakan pencegahan untuk mencegah pengguna memutar bellows saat memasang pemutus vakum ke dalam mekanisme. Bellows yang diputar dapat memiliki umur mekanis yang sangat berkurang, potensial hingga kurang dari 1% dari umur yang dirancang. Torsi yang dapat diterapkan ke bellows dinding tipis dalam pemutus vakum sebelum terjadi putaran permanen relatif rendah, sekitar 8.5–11.5 Nm. Untuk menghindari pemutaran bellows, perancang harus memasukkan bushing anti-putaran ke dalamnya. Bushing ini dapat dikunci tempatnya dengan menempelkannya ke pelat ujung pemutus. Permukaan dalam bushing dibentuk atau memiliki slot kunci untuk mencegah rotasi terminal tembaga bergerak yang terpasang ke bellows (seperti ditunjukkan pada Gambar 2). Bahan bushing dapat berupa logam atau plastik seperti Nylatron. Ketika menggunakan bahan plastik seperti Nylatron dan Valox, perlu berhati-hati. Bahan-bahan ini hanya dapat digunakan dalam aplikasi di mana suhu maksimum yang diizinkan yang akan mereka alami terbatas. Misalnya, untuk Nylatron, suhu di mana kekuatan tariknya berkurang menjadi 50% setelah 100.000 jam sekitar 125°C (dapat menahan suhu yang lebih tinggi untuk periode singkat tanpa deformasi karena kandungan serat kaca), dan untuk Valox DR48, sekitar 140°C. Ada juga plastik suhu tinggi yang lebih mahal, seperti "Ultem 2310 R."

Gambar 2: Contoh Bushing Anti-Putaran untuk Perlindungan Bellows

Bahan yang digunakan untuk bushing anti-putaran ini memiliki suhu maksimum yang diizinkan sekitar 180°C. Dapat menahan paparan jangka pendek (sekitar 1 jam) suhu yang melebihi batas ini tanpa deformasi signifikan.

Untuk pemutus vakum yang beroperasi pada tegangan pemutus sirkuit yang lebih tinggi, diperlukan langkah kontak yang lebih panjang. Misalnya, pada 72.5 kV, diperlukan langkah sekitar 40 mm. Untuk menampung langkah yang diperpanjang ini, bellows harus diperpanjang secara proporsional. Namun, bellows yang sangat panjang tidak membuka dan menutup secara seragam. Sebaliknya, mereka cenderung merayap selama gerakan. Akibatnya, lipatan dalam bellows mungkin bergesekan dengan terminal tembaga (Cu). Gesekan ini dapat secara signifikan mengurangi umur bellows.

Untuk mengatasi masalah ini, bellows khusus dengan bantalan internal telah dikembangkan. Bantalan-bantalan ini meluncur sepanjang terminal Cu, meminimalkan aus dan kerusakan. Sebuah contoh desain bellows seperti ini ditunjukkan pada Gambar 3.