Il-ruħa tal-bellows fil-miftuħijiet ta' vaċuum

Introduzzjoni għal Interrupters tal-Vakju u Bellows

B'teċnoloġija li tistaqsi u l-preokkupazzjoni sewwa dwar il-ħal mill-klima, l-vakju circuit breakers saret konsiderazzjoni rilevanti fl-ambit tal-inġinierija elettrika.
Il-grids tal-elettricità tal-futur qed jipponnu domandi ħafna aktar stringenti fuq il-prestazzjoni tas-silġ tal-circuit breakers, b'akkent partikulari fuq is-silġ aktar veloċi u l-ġimgħa operattiva inktasa. Fl-circuit breakers ta' volttaġġ medju, l-interrupters tal-vakju (VIs) inkisru preferenza diffusa. Dan għall-fatt li l-użu tal-vakju bħala medium tas-silġ joffri avantaggi mhux paralleli fl-ambit speċifik tal-applikazzjoni. L-interrupter tal-vakju seriv kumponenti ħalisa tal-vakju circuit breaker, u l-bellows jagħmlu ruħom importanti u effettivi fil-interrupters tal-vakju.

Il-metal bellows huma midebba biex jiġu manufattrati biex jiġu magħżula tal-vakju super-alt u sabihhom jagħmlu moviment traslazjonali tal-kontatt elettriku mobbli fit-kamra tal-interrupter. Però, l-ġimgħa mekanika tal-interrupter tal-vakju huwa preażolu limitat mill-kotra dita tal-vakju. Fl-kontest tal-circuit breakers tal-futur, il-pursuit ta' silġ aktar veloċi se jinevitabilment irresulta f'lasta dinamika ta' tip impatt akbar. Dawn l-astwi se jistgħu jidħlu l-oscillazzjonijiet tal-bellows b'amplitudini akbar, bil-ġejjien jiż żminux l-ġimgħa tal-bellows. F'dan il-każ, meta nispettaw l-aument fit-frekwenza tas-silġ tal-operazzjonijiet fit-grids tal-elettricità tal-futur, is-simulazzjoni tal-bellows tal-vakju tdiventa indispensabbli biex toptimizzaw id-dizajn tagħhom u, b'dan, jagħmlu l-ġimgħa mekanika tal-interrupters tal-vakju aqra.

Ir-Ruħa tal-Bellows fil-Interrupters tal-Vakju

Il-bellows, tipikament manufattrati minn sheets tal-stainless steel żgħira, huma midebba biex jiġu disegnati biex jiġu ffaħħa u mmagħluq il-kontatt mentre jassigurarjaw il-manteniment tal-ambjent tal-vakju fit-interrupter.
Il-resistanza tal-fatigue tal-bellows hija fattur chi jew huwa determinanti għall-ġimgħa mekanika tal-interrupter tal-vakju. Kull operazzjoni ta' ffaħħa u mmagħluq tal-kontatt tissottoppi l-bellows għall-tensjun, speċjalment il-convolutions li jkunu l-aktar qrib lil dawn it-tnejn. Dawk il-tensjuni mekanika diretti mill-moviment operattiv, il-bellows jkunu wkoll jissottomettu għal oscillazzjonijiet post-operativ wara ma tneħħa l-moviment tal-kontatt. Dawn l-oscillazzjonijiet ikkontribwuhu wkoll għall-wear and tear tal-bellows, li jaffrettaw is-sirja tal-degradazzjoni fil-ġimgħa.
Figura 1 tillustra specifik tip ta' bellows għal interrupters tal-vakju manufattrati mill-kumpanija Sigma - Netics.

Fig 1: Vacuum Interrupter Bellows by Sigma - Netics compan

L-ġimgħa mekanika tal-interrupters tal-vakju hi influenzata b'mod sostanzjali minn diversi parametri critici tal-moviment tal-kontatt:

• Steady-state contact stroke jew gap: Dan jdetermina l-distanza li l-kontatts jiseparu waqt l-operazzjoni, li jimpattjaw l-isolazzjoni elettrika u l-capabilitajiet ta' spennsal ta' ark.

• Opening and closing speed: Is-silġ aktar veloċi jistgħu jżżidu l-prestazzjoni tas-silġ, imma jipponnu ukoll lasta dinamika akbar fuq il-komponents, inkluż il-bellows.

• Motion damping fis-silġ finali ta' opening u closing: Id-damping adekvat huwa essenzjali biex jinttminimu l-vibrazzjonijiet u jżżidu l-tensjun mekanika fuq il-bellows u l-oħrajn komponents.

• Overshoot u rebound fis-silġ ta' opening: Dawn il-fenomeni jistgħu jikkawżaw wear and tear addizzjonali fuq il-kontatts u l-bellows, potenzjalment jikturesu l-ġimgħa olliega.

• Mounting resilience: Il-mod kif l-interrupter tal-vakju jkun montat jistgħu jaffettwaw id-distribuzzjoni tal-forzi waqt l-operazzjoni, li jimpattjaw l-ġimgħa mekanika tal-bellows.

• Contact bouncing fis-silġ ta' closing: Il-contact bouncing eċċessiv jistgħu jiġu karatterizzati bl-arc u l-tensjun mekanika akbar fuq il-bellows, li jdegradaw is-suġġerjenza tagħhom fil-ġimgħa.

Il-bellows jagħmlu ruħom duali fil-interrupters tal-vakju. Huma jagħmlu possibli l-moviment tal-kontatt mobbli samment kif jassigurarjaw l-manteniment tal-seal tal-vakju. Konstrutt fit-stainless steel, tipikament b'grubba ta' 150 µm, huma midebba biex jiġu resistenti lill-kundizzjonijiet operattivi harsh fit-interrupter. Tliet tipi ta' bellows inkisru ssikksesfilment integrati fid-disegn tal-interrupters tal-vakju:

• Seamless hydroformed bellows: Dawn huma format mingħajr seams visibbli, potenzjalment joffru integrità u prestazzjoni aqra.

• Seam-welded hydroformed bellows: Manufattrati billi jiġu welded seams wara l-hydroforming, huma jbilanċjaw il-kost u l-esigenzi tal-prestazzjoni.

• Bellows mgħluq minn washers tal-stainless steel żgħira edge-welded: Konstrutt billi jiġu welded washers żgħira, huma joffru soluzzjoni kost-effektiv għad-dawk applikazzjonijiet speċifik.

Dettalji komprensivi dwar id-dizajn u l-prestazzjoni tal-bellows jistgħu jiġu msejjħa mill-EJMA Standards.

It-tnejn ta' end tal-bellows huwa magħżul biex jiġi brazed mal-end plate tal-interrupter tal-vakju, wara l-oħra hi brazed mal-moving terminal u tmove in tandem magħha meta l-kontatts jkunu ffaħħa u mmagħluq. Fil-interrupter tal-vakju, il-bellows jkunu sottoposti għal motion impulsiv waqt l-operazzjonijiet tal-kontatt. Is-silġ tal-kontatt mobbli jistgħu jżżidu rapidament mid-0 m/s sa 2 m/s fit-tmiem ta' 100 µs. Fis-silġ finali tal-kontatt, xejn meta jkunu ffaħħa jew mmagħluq, l-end mobbli tal-bellows jkun jistop abruptament.

Il-frekwenza ta' dawn l-operazzjonijiet ta' ffaħħa u mmagħluq tvarja skond il-duty cycle. F'dawn iċ-ċas, jistgħu jkunu numru kbir, wara l-oħra mhux. Il-moviment impartit lil bellows huwa lontan uniformi, u huwa normali li l-bellows jkunu oscillate multipla darba waqt operazzjoni waħda ta' ffaħħa jew mmagħluq. Għall-ċertu interessati f'analizzaw dan il-moviment tal-bellows, approċċ analitiku ġenerali ġie sviluppata biex jdetermina l-dynamic stresses experienced mill-bellows taħt motion impulsiv.

Ixxogħġa tal-manufacturers tal-interrupters tal-vakju jgħixxu l-bellows minn manufacturers ta' bellows stabiliti u jkolloboraw ma'hom biex jassigurarjaw l-ġimgħa desirata tal-bellows. Dan tipikalment jiġi mossa billi jiġu incorporated l-bellows fi praktiku interrupter tal-vakju u jiġu eseguiti tests tal-ġimgħa mekanika fuq sampji statistikament signifikanti ta' interrupters tal-vakju. A specified mechanical life can then be assigned to the vacuum interrupter with that bellows using Weibull analysis. Usualment, il-limit tal-ġimgħa mekanika tal-interrupter tal-vakju huwa determinat mill-numru ta' operazzjonijiet li l-bellows jistgħu jisostenghu qabel li jkun hemm fatigue failure.

Meta tiġi testata mekanikament l-interrupter tal-vakju, huwa essenzjali biex jiġu sottoposti l-bellows għal l-istess parametri operattivi li se jkunu jiffaċċjaw f'dispositiv tas-silġ. Dawn l-parametri inklużu l-total travel (operating gap plus over-travel), is-silġ massimu ta' ffaħħa, is-silġ massimu ta' mmagħluq, u l-effetti tal-acceleration u deceleration. It-testing tal-bellows fit-interrupter tal-vakju jassigura li jkunu jittfarrgħu kollox il-passi tal-manufacturing li l-device fini se jkun jittfarrgħu. Pereżempju, huwa għandu jiġi espost għal dawn il-cikli tal-heating u cooling necessarji għall-manufacturing tal-interrupter tal-vakju. Dawn il-processi se jannealaw il-metal tal-bellows, li jmodifikaw il-struttura mikrogranuljar tagħhom u, b'dan, is-suġġerjenza tagħhom.

L-ġimgħa mekanika ta' bellows speċifik dipendi mhux biss mill-parametri operattivi menzjonati hawn fuq, imma wkoll mill-attributi fiziki tagħhom stess. Dawn inklużu l-tip ta' stainless steel użat, l-għoli, l-diametru, l-grubba, in-numru ta' convolutions, u l-abilità tagħhom biex jidammjaw il-moviment wara ma tneħħa l-moviment tal-kontatt. Huwa possibli biex jiġu disegnat bellows li jistgħu jisostenghu r-normali 30,000 operazzjonijiet neċessarji għall-kotra dita ta' most vakju circuit breakers u vacuum reclosers, u anke jisuperaw 10^6 operazzjonijiet għal vacuum contactors. Però, nonostante l-efforts tal-manufacturers tal-interrupters tal-vakju biex jdisegnu l-prodotti tagħhom biex jissodisfaw l-ġimgħa mekanika speċifikata ta' diversi dispositiv tas-silġ, l-interrupters tal-vakju l-aktar mhumiex jirraggiungu l-ġimgħa mekanika speċifikata meta jiġu deployed fit-field.Għal aktar insights dwar ir-raġunijiet tal-failure tal-Interrupters tal-Vakju (VIs), jekk jogħġbok referezzi l-artiklu relevant.

Id-designer tal-interrupter tal-vakju għandu jikkonsidraw precauzzjonijiet biex jpreveni l-utent minn twistjar il-bellows meta jiġu installed l-interrupter tal-vakju fit-mekkanismu. Bellows twistat jistgħu jiġu sottoposti għal riduzzjoni severa tal-ġimgħa mekanika, potenzjalment issa l-assai 1% tal-ġimgħa designed tagħhom. Il-torque li jistgħu jiġu applicati lill-thin-walled bellows fit-interrupter tal-vakju qabel permanent twisting huwa relattivament bass, approssimatament 8.5–11.5 Nm. Biex jiġi evitat twistjar il-bellows, id-designer għandu jiġi inserted anti-twist bushing fit-tnejn. Din il-bushing tista' tkun locked fit-post billi jiġi attached l-end plate tal-interrupter. Il-surface interna tal-bushing hija shaped jew features keyway biex tpreveni qualsiasi rotation tal-moving copper terminal attached lill-bellows (kif tishown fit-Figure 2). Il-material tal-bushing tista' jkun metal jew plastic kif Nylatron. Meta jiġu użati materials plastik kif Nylatron u Valox, huwa neċessarju li jiġi osservat caution. Dawn il-materials jistgħu jiġu użati biss f'applikazzjonijiet fejn il-temperatura maxima permissibbli li se jkunu jiffaċċjaw hija limitata. Pereżempju, għal Nylatron, it-temperature fejn it-tensional strength tiegħu jkun jiddiminu għal 50% wara 100,000 hours huwa approssimatament 125°C (it-tista' jissostenghu temperatures akbar għal perjodi ħafsa mingħajr deformazzjoni għall-kontenut ta' glass fiber tagħhom), u għal Valox DR48, huwa approssimatament 140°C. Jinkulu plastics aktar karissi, ta' temperature aktar alta, kif "Ultem 2310 R."

Fig 2: Esempi ta' Anti-twist Bushings għal protezzjoni tal-Bellows

Il-material użat għal dawn l-anti-twist bushings għandu temperatura maxima permissibbli ta' approssimatament 180°C. It-tista' jissostenghu esposizione ta' short-term (approssimatament 1 hour) għal temperatures li jiġu superat dan il-limit mingħajr deformazzjoni signifikanti.

Għal interrupters tal-vakju li joperaw fuq volttaġġi akbar ta' circuit-breakers, huwa neċessarju li jkun hemm kontatt stroke akbar. Pereżempju, fuq 72.5 kV, huwa neċessarju li jkun hemm stroke ta' approssimatament 40 mm. Biex jiġu aċkomodati dawn l-extended strokes, il-bellows għandhom jiġu proporzionalment elongated. Però, il-bellows tal-lehen mhumiex jiffaħħu u jimmagħluqu b'mod uniformi. Inveċe, jkunu jidher biex jiġu squirm waqt il-moviment. B'dan, il-convolutions interni tal-bellows jistgħu jkunu rub against il-Cu terminal. Din il-friction tista' tirriduci sostanzjalment l-ġimgħa tal-bellows.

Biex jiġi affrontat dan il-problema, bellows specializzati b'pads interni inkisu sviluppati. Dawn pads jiskluzu fuq il-Cu terminals, minnimizzando l-wear and tear. Pereżempju ta' din il-disegn tal-bellows hija tillustrata fit-Figure 3.