Peranan belows dalam pemutus vakum

Pengenalan Pemutus Vakum dan Bellows

Dengan kemajuan teknologi dan kekhawatiran yang semakin meningkat terhadap pemanasan global, pemutus sambungan vakum telah muncul sebagai pertimbangan penting dalam bidang kejuruteraan elektrik.
Rangkaian tenaga masa depan menuntut prestasi pemutusan yang semakin ketat pada pemutus sambungan, dengan penekanan khusus pada laju pemutusan yang lebih tinggi dan jangka hidup operasional yang lebih lama. Dalam pemutus sambungan tegangan menengah, pemutus vakum (VIs) telah mendapat preferensi yang luas. Ini disebabkan penggunaan vakum sebagai medium pemutusan memberikan kelebihan yang tak tertandingi dalam lingkup aplikasi ini. Pemutus vakum berfungsi sebagai komponen utama dalam pemutus sambungan vakum, dan bellows memainkan peran yang penting dan efektif dalam pemutus vakum.

Bellows logam direkayasa untuk memelihara segel vakum ultra-tinggi sambil memungkinkan gerakan translasi kontak elektrik bergerak di dalam ruang pemutus. Namun, umur mekanikal pemutus vakum sebagian besar dibatasi oleh yang dikenal sebagai bellows vakum. Dalam konteks pemutus sambungan masa depan, upaya mencapai laju pemutusan yang lebih cepat akan secara tidak terelakkan menghasilkan beban tipe impak 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 frekuensi operasi pemutusan yang diperkirakan akan meningkat di rangkaian tenaga masa depan, simulasi bellows vakum menjadi tidak terpisahkan untuk mengoptimalkan desain mereka dan, akibatnya, meningkatkan umur mekanikal pemutus vakum.

Peranan 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 mekanikal pemutus vakum. Setiap operasi pembukaan dan penutupan kontak menyebabkan stres pada bellows, terutama lipatan yang berada paling dekat dengan ujung-ujungnya. Selain stres mekanikal 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 mekanikal pemutus vakum sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter gerakan kontak kritis:

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

• Kecepatan membuka dan menutup: Kecepatan yang lebih cepat dapat meningkatkan prestasi 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 mekanikal pada bellows dan bagian lainnya.

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

• Ketahanan pemasangan: Cara pemutus vakum dipasang dapat mempengaruhi distribusi gaya selama operasi, mempengaruhi umur mekanikal bellows.

• Bouncing kontak saat menutup: Bouncing kontak yang berlebihan dapat menyebabkan arcing dan stres yang lebih besar pada bellows, mengurangi kinerjanya seiring waktu.

Bellows memainkan peran ganda dalam pemutus vakum. Mereka memungkinkan gerakan kontak bergerak sambil mempertahankan segel vakum yang rapat. 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: Ini dibentuk tanpa sambungan yang terlihat, potensial menawarkan 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 dari cincin baja tahan karat tipis yang dilas tepi: Dibangun dengan melas cincin tipis bersama, mereka memberikan solusi hemat biaya untuk beberapa aplikasi.

Detail komprehensif tentang desain dan kinerja bellows dapat ditemukan dalam Standar EJMA.

Salah satu ujung bellows dikencangkan dengan melasnya ke pelat ujung pemutus vakum, sementara ujung lainnya dilas ke terminal bergerak dan bergerak bersamaan dengannya saat kontak dibuka dan ditutup. Dalam pemutus vakum, bellows mengalami gerakan impulsif selama operasi kontak. Kecepatan buka 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 secara tiba-tiba.

Frekuensi operasi buka-tutup 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 mereka 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 membeli 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 mekanikal pada sampel pemutus vakum yang cukup banyak secara statistik. Umur mekanikal yang ditentukan kemudian dapat ditetapkan untuk pemutus vakum dengan bellows tersebut menggunakan analisis Weibull. Biasanya, batas umur mekanikal pemutus vakum ditentukan oleh jumlah operasi yang dapat ditahan bellows sebelum terjadi kegagalan lelah.

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

Umur mekanikal bellows tertentu bergantung tidak hanya 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. Dapat dirancang bellows yang dapat secara andal melakukan 30.000 operasi normal yang diperlukan untuk sebagian besar pemutus sambungan vakum dan vacuum reclosers, bahkan melebihi 10^6 operasi untuk kontak vakum. Namun, meskipun produsen pemutus vakum berusaha merancang produk mereka untuk memenuhi umur mekanikal yang ditentukan untuk berbagai perangkat pemutus, sebagian besar pemutus vakum tidak mencapai umur mekanikal yang dinyatakan saat dikerahkan di lapangan.Untuk wawasan lebih lanjut tentang 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 mekanikalnya sangat berkurang, potensial kurang dari 1% dari umur yang didesain. Torsi yang dapat diterapkan pada bellows dinding tipis dalam pemutus vakum sebelum terjadi pemutaran permanen relatif rendah, sekitar 8.5-11.5 Nm. Untuk menghindari pemutaran bellows, perancang harus memasukkan bushing anti-putar ke dalamnya. Bushing ini dapat dikunci tempatnya dengan menempelkannya ke pelat ujung pemutus. Permukaan dalam bushing dibentuk atau memiliki keyway untuk mencegah rotasi terminal tembaga bergerak yang terpasang ke bellows (seperti yang ditunjukkan dalam 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 diperbolehkan yang akan mereka alami terbatas. Misalnya, untuk Nylatron, suhu di mana kekuatan tarannya berkurang menjadi 50% setelah 100.000 jam adalah 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-Putar untuk Perlindungan Bellows

Bahan yang digunakan untuk bushing anti-putar ini memiliki suhu maksimum yang diperbolehkan sekitar 180°C. Ia dapat menahan paparan jangka pendek (sekitar 1 jam) ke suhu melebihi batas ini tanpa deformasi yang signifikan.

Untuk pemutus vakum yang beroperasi pada tegangan pemutus sambungan yang lebih tinggi, langkah kontak yang lebih panjang diperlukan. 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 bergoyang selama gerakan. Akibatnya, lipatan dalam bellows mungkin bergesekan dengan terminal tembaga (Cu). Gesekan ini dapat secara substansial mengurangi umur bellows.

Untuk mengatasi masalah ini, bellows khusus dengan pad internal telah dikembangkan. Pad-pad ini meluncur sepanjang terminal Cu, meminimalkan aus dan kerusakan. Contoh desain bellows seperti ini ditunjukkan dalam Gambar 3.