Улогата на белирот во вакуумски прекинувачи

Вовед во вакуумни прекинувачи и гофри

Со напредокот на технологијата и растечкиот интерес за глобалното загрејување, вакуумните прекинувачи се појавиле како значајна претстава во областа на електротехниката.
Будучите електрични мрежи поставуваат все повеќе строги барања за перформансите на прекинувачите, со посебен акцент на побрзите временски интервали за прекинување и подолг живот на операција. Во прекинувачите со средно напон, вакуумните прекинувачи (VIs) добија широка препорака. Ова е затоа што користењето на вакуум како прекинувачка средина овозможува непревзаеми предности во овој специфичен опсег на применување. Вакуумниот прекинувач служи како основен компонент на вакуумниот прекинувач, а гофрите играат важна и ефикасна улога во вакуумните прекинувачи.

Металните гофри се дизајнирани да одржуваат ултрависок вакуумска тешкост, истовремено дозволувајќи транслациони движења на движечкиот електричен контакт во камерата на прекинувачот. Меѓутоа, механичкиот живот на вакуумниот прекинувач е главно ограничен од таканаречените вакуумски гофри. Во контекстот на будучите прекинувачи, потрагата за побрзи временски интервали за прекинување неизбежно ќе доведе до повисоки динамички ударни типови на оптеретување. Овие оптеретувања можат да извикат гофри со поголеми амплитуди, што значително ја намалува долготрајноста на гофрите. Поминувајќи на очекуваниот зголемен број на операции на прекинување во будучите електрични мрежи, симулацијата на вакуумските гофри станува незаменима за оптимизирање на нивниот дизајн и, следствено, за подобрување на механичкиот живот на вакуумните прекинувачи.

Улогата на гофрите во вакуумните прекинувачи

Гофрите, обично направени од тени нержавејачки челични листови, се дизајнирани да овозможат отварање и затворање на контакти, додека истовремено одржуваат вакуумско окружување внатрешно во прекинувачот.
Одпорноста на умора на гофрите е кључен фактор кој ја определува механичката долготрајност на вакуумниот прекинувач. Секоја операција на отварање и затворање на контакти подложува гофрите на стрес, особено конволуциите најблиски до краевите. Поминувајќи на директниот механички стрес од оперативното движење, гофрите исто така искушуваат осцилации по завршување на движењето на контакти. Овие осцилации допринасуваат дополнително на износот на гофрите, забрзувајќи нивната децензија во текот на времето.
Слика 1 прикажува специфичен тип гофри за вакуумни прекинувачи произведени од компанијата Sigma-Netics.

Слика 1: Вакуумни прекинувачки гофри од компанијата Sigma-Netics

Механичкиот живот на вакуумните прекинувачи е значително влијан од неколку критични параметри на движењето на контактите:

• Стабилно состојба движење или размак: Ова определува растојанието на којо се раздвојуваат контактите во текот на операцијата, влијајќи на електричната изолација и капацитетите за угашување на дуг.

• Брзина на отварање и затворање: Побрзи брзини можат да подобрат перформансите на прекинување, но истовремено импонираат повисоки динамички оптеретувања на компонентите, вклучувајќи гофрите.

• Демпинг на движењето на крајот на отварање и затворање: Адекватен демпинг е есенцијален за минимизирање на вибрациите и намалување на механичкиот стрес на гофрите и други делови.

• Превишена скорост и поништување при отварање: Овие феномени можат да извикат дополнителен износ на контактите и гофрите, потенцијално скраћујќи го целосниот живот.

• Еластичност на монтажа: Начинот на монтажа на вакуумниот прекинувач може да влијае на распределбата на силите во текот на операцијата, влијајќи на механичкиот живот на гофрите.

• Поништување на контактите при затворање: Превишено поништување на контактите може да доведе до дуг и повисок стрес на гофрите, децензирајќи нивната перформанса во текот на времето.

Гофрите играат двојна улога во вакуумните прекинувачи. Оние овозможуваат движење на движечкиот контакт, додека истовремено одржуваат вакуумска тешкост. Конструктирани од нержавејачка сталь, обично со дебелина од околу 150 µm, тие се инженерисани да издразнеат жестоките услови на работа во прекинувачот. Три типа гофри успешно се интегрирани во дизајнот на вакуумните прекинувачи:

• Хидроформирани гофри без шев: Овие се формирани без видлив шев, потенцијално овозможувајќи подобрен целост и перформанса.

• Шев-залепени хидроформирани гофри: Произведени со залепување на шевови по хидроформирањето, тие балансираат издержки и барања за перформанса.

• Гофри направени од тени нержавејачки цевчиња: Конструктирани со залепување на тени цевчиња, тие овозможуваат ефективно решение за одредени применувања.

Комплексни детали за дизајнот и перформансата на гофрите може да се најдат во стандардите на EJMA.

Еден крај на гофрите е сигурно фиксиран со спајање на крајната плоча на вакуумниот прекинувач, додека другиот крај е споен со движечкиот терминал и движи се заедно со него како што контактите се отвараат и затвораат. Во вакуумниот прекинувач, гофрите се подложени на импулсивно движење во текот на операциите со контактите. Отварањето на движечкиот контакт може брзо да се зголеми од 0 m/s до колку 2 m/s во помалку од 100 µs. На крајот на контактното движење, дали тоа е отварање или затворање, движечкиот крај на гофрите се спира брзо.

Честотата на овие операции на отварање и затворање варира во зависност од режимот на работа. Во некои случаи, тие можат да се случат многу пати, додека во други, тие се ретки. Движењето пренесено на гофрите е далеч од униформно, и е заедничко за гофрите да осцилираат повеќе пати во текот на една операција на отварање или затворање. За она што се интересираат за анализа на овој движење на гофрите, е развиена општа аналитичка метода за одредување на динамичките стресови испијани од гофрите под импулсивно движење.

Повеќето производители на вакуумни прекинувачи извршуваат своите гофри од добро установени производители на гофри и соработуваат со нив за постигнување на желаниот живот на гофрите. Ова обично се постигува со интеграција на гофрите во практични вакуумни прекинувачи и провежување на тестови за механички живот на статистички значаен број на примероци на вакуумни прекинувачи. Може да се додели специфициран механички живот на вакуумниот прекинувач со тој гофри користејќи Вејбулов анализ. Обично, границата на механичкиот живот на вакуумниот прекинувач се определува со бројот на операции кои гофрите можат да издржат пред да настане умора.

Кога се извршуваат механички тестови на вакуумни прекинувачи, е важно да се подложат гофрите на истите оперативни параметри кои ќе ги искушаат во уред за прекинување. Овие параметри вклучуваат целосното движење (оперативен размак плюс надмерен пат), максимална брзина на отварање, максимална брзина на затворање, и ефектите на забрзување и забавување. Тестирањето на гофрите во вакуумниот прекинувач гарантира дека тоа преминува низ сите производствени чекори кои ќе ги искушиат завршеното устройство. На пример, тоа треба да биде изложено на сите циклуси на загревање и хладење потребни за производството на вакуумни прекинувачи. Овие процеси неизбежно ќе анелираат металот на гофрите, изменувајќи нивната зернина микроструктура и, следствено, нивните карактеристики на перформанса.

Механичкиот живот на конкретен гофри зависи не само од посебно поменатите оперативни параметри, туку и од неговите физички карактеристики. Овие вклучуваат типот на нержавејачка сталь која се користи, неговата должина, дијаметар, дебелина, бројот на конволуции, и способноста да демпира движењето кога контактите спреат со движење. Е можно да се дизајнираат гофри кои можат надежно да извршат нормалните 30,000 операции потребни за повеќето вакуумни прекинувачи и вакуумни рекловери, и доразмерно да надминат 10^6 операции за вакуумни контактори. Меѓутоа, несмотря на напорите на производителите на вакуумни прекинувачи да дизајнираат нивните продукти за да задоволат специфицираниот механички живот на различни уреди за прекинување, повеќето вакуумни прекинувачи не достигнуваат нивниот специфицирани механички живот кога се употребуваат во полето.За повеќе информации за причините на неуспех на Вакуумните прекинувачи (VIs), ве молиме да се однесете до соодветната статија.

Дизајнерот на вакуумни прекинувачи мора да се предвиди за да предотпрати корисникот од скручување на гофрите кога вакуумниот прекинувач се инсталира во механизам. Скручени гофри можат значително да имаат намален механички живот, потенцијално до помалку од 1% од нивниот дизајниран живот. Моментот што може да се примени на тени гофри во вакуумни прекинувачи пред да се настане скручување е релативно нисок, околу 8.5–11.5 Nm. За да се избегне скручување на гофрите, дизајнерот треба да го вметне анти-скручување штапче во него. Овој штапче може да се заклучи на место со го прикачување на крајната плоча на прекинувачот. Внатрешната површина на штапчето е облика или има канал за да предотпрати било какво ротирање на движечкиот меден терминал прикачен на гофрите (како што е прикажано на Слика 2). Материалот на штапчето може да биде метал или пластичен материјал како Нилајтрон. Кога се користат пластични материјали како Нилајтрон и Валокс, треба да се биде внимателен. Овие материјали можат да се користат само во применувања каде што максималната дозволена температура е ограничена. На пример, за Нилајтрон, температурата на која неговата тензионска јачина се намалува до 50% после 100,000 часа е околу 125°C (може да издржи повисоки температури за краток период без деформација поради неговото содржание на стаклен влакна), а за Валокс DR48, тоа е околу 140°C. Постојат и подолги, повисоки температурни пластични материјали достапни, како што е “Ултем 2310 R.”

Слика 2: Примери на анти-скручување штапчи за заштита на гофри

Материалот користен за овие анти-скручување штапчи има максимална дозволена температура околу 180°C. Тоа може да издржи краткосрочно изложување (околу 1 час) на температури над оваа граница без значајна деформација.

За вакуумни прекинувачи кои работат на повисоки напони на прекинувачите, потребен е подолг контактен ход. На пример, при 72.5 kV, потребен е ход околу 40 мм. За да се прифати овој подолг ход, гофрите мора да се пропорционално продолжат. Меѓутоа, многу долги гофри не се отвараат и затвораат на униформен начин. Инстед, тие тендеција да се тресат во текот на движењето. Како резултат, внатрешните конволуции на гофрите можат да се тресат против меден (Cu) терминал. Овој тресок може значително да намали долготрајноста на гофрите.

За да се справи со овој проблем, се развила специјализирана гофри со внатрешни падини. Овие падини се клизаат вдоль Cu терминалите, минимизирајќи износот. Пример на таков дизајн на гофри е прикажан на Слика 3.