De rol van de bel in vacuümonderbrekers
Inleiding tot vacuümonderbrekers en bellow
Met technologische vooruitgang en de groeiende zorg over klimaatverandering zijn vacuümonderbrekers een belangrijke overweging geworden in het domein van de elektrotechniek.
Toekomstige elektriciteitsnetwerken stellen steeds strengere eisen aan de schakelprestaties van onderbrekers, met name op hogere schakelsnelheden en langere levensduur. In middenspanningsonderbrekers hebben vacuümonderbrekers (VIs) een wijdverspreide voorkeur verworven. Dit komt doordat het gebruik van vacuüm als onderbrekingsmedium ongeëvenaarde voordelen biedt binnen dit specifieke toepassingsgebied. De vacuümonderbreker is het kerncomponent van een vacuümonderbreker, en bellow spelen een cruciale en effectieve rol binnen vacuümonderbrekers.
Metalen bellow zijn ontworpen om een ultra-hoge vacuümsluiting te handhaven terwijl ze tegelijkertijd de translatiebeweging van de bewegende elektrische contacten in de onderbrekerkamer mogelijk maken. Echter, de mechanische levensduur van een vacuümonderbreker wordt voornamelijk beperkt door de zogenaamde vacuüm-bellow. In de context van toekomstige onderbrekers zal de streef naar snellere schakelsnelheden onvermijdelijk resulteren in hogere dynamische impact-ladingen. Deze ladingen kunnen bellow-oscillaties met grotere amplituden veroorzaken, waardoor de levensduur van de bellow aanzienlijk wordt verlaagd. Bovendien, gezien de verwachte toename van de frequentie van schakeloperaties in toekomstige elektriciteitsnetwerken, wordt de simulatie van vacuüm-bellow onmisbaar voor het optimaliseren van hun ontwerp en daarmee de verbetering van de mechanische levensduur van vacuümonderbrekers.
De rol van bellow in vacuümonderbrekers
Bellow, meestal vervaardigd uit dunne roestvrijstalen platen, zijn ontworpen om het openen en sluiten van contacten mogelijk te maken terwijl een vacuümomgeving binnen de onderbreker wordt gehandhaafd.
Het vermoeidheidsterugdringend vermogen van bellow is een sleutelfactor die de mechanische levensduur van een vacuümonderbreker bepaalt. Elke operatie van het openen en sluiten van contacten onderwerpt de bellow aan spanning, vooral de convoluties die het dichtst bij de uiteinden liggen. Naast de directe mechanische spanning van de operationele beweging, ervaren de bellow ook oscillaties na de operatie zodra de contactbeweging stopt. Deze oscillaties dragen bij aan de slijtage van de bellow, waardoor hun afbraak over tijd wordt versneld.
Figuur 1 illustreert een specifiek type bellow voor vacuümonderbrekers dat door het bedrijf Sigma-Netics wordt vervaardigd.
Figuur 1: Vacuümonderbreker bellow door Sigma-Netics company
De mechanische levensduur van vacuümonderbrekers wordt aanzienlijk beïnvloed door verschillende kritieke contactbewegingsparameters:
Steady-state contactslag of -opening: Dit bepaalt de afstand waarover de contacten zich tijdens de operatie scheiden, wat de elektrische isolatie en de boogdoofcapaciteit beïnvloedt.
Opensnelheid en sluitsnelheid: Hogere snelheden kunnen de schakelprestaties verbeteren, maar leggen ook grotere dynamische belastingen op de componenten, inclusief de bellow.
Demping aan het einde van de openslag en sluitslag: Adequate demping is essentieel om trillingen te minimaliseren en de mechanische spanning op de bellow en andere delen te verminderen.
Overschieten en terugkaatsen bij het openen: Deze fenomenen kunnen extra slijtage veroorzaken op de contacten en de bellow, waardoor de algemene levensduur wordt bekort.
Montageresilience: De manier waarop de vacuümonderbreker is gemonteerd, kan de krachtverdeling tijdens de operatie beïnvloeden, waardoor de mechanische levensduur van de bellow wordt beïnvloed.
Contactbouncing bij het sluiten: Excessief contactbouncing kan leiden tot boogvorming en verhoogde spanning op de bellow, waardoor de prestaties ervan over tijd worden gedegradeerd.
Bellow spelen een dubbele rol in vacuümonderbrekers. Ze maken de beweging van de bewegende contacten mogelijk terwijl ze een vacuüm-dichte sluiting handhaven. Gemaakt van roestvrij staal, meestal met een dikte van ongeveer 150 µm, zijn ze ontworpen om de strenge werkomstandigheden binnen de onderbreker te weerstaan. Drie soorten bellow zijn succesvol geïntegreerd in vacuümonderbrekerontwerpen:
Seamless hydrogeformeerde bellow: Deze zijn gevormd zonder zichtbare naden, wat potentiële integriteit en prestaties kan verbeteren.
Nadengevoegde hydrogeformeerde bellow: Vervaardigd door naden te lassen na hydroforming, balanceren ze kosten en prestatie-eisen.
Bellow gemaakt van randgevoegde, dunne roestvrijstalen washers: Gebouwd door dunne washers samen te lassen, bieden ze een kosteneffectieve oplossing voor bepaalde toepassingen.
Uitgebreide details over bellow-ontwerp en -prestaties kunnen worden gevonden in de EJMA-standaarden.
Een uiteinde van de bellow is vastgemaakt door het te lassen aan het eindplaat van de vacuümonderbreker, terwijl het andere uiteinde is gelast aan de bewegende terminal en mee beweegt met de contacten bij het openen en sluiten. In een vacuümonderbreker worden de bellow blootgesteld aan impulsieve beweging tijdens contactoperaties. De opensnelheid van de bewegende contacten kan snel toenemen van 0 m/s tot maximaal 2 m/s in minder dan 100 µs. Aan het einde van de contactslag, of het nu gaat om openen of sluiten, komt het bewegende uiteinde van de bellow abrupt tot stilstand.
De frequentie van deze open-sluitoperaties varieert afhankelijk van de werkcyclus. In sommige gevallen kunnen ze vele malen plaatsvinden, terwijl in andere gevallen ze zeldzaam zijn. De beweging die aan de bellow wordt opgelegd, is verre van uniform, en het is gebruikelijk dat de bellow meerdere keren oscilleren tijdens één open- of sluitoperatie. Voor hen die geïnteresseerd zijn in de analyse van deze bellow-beweging, is een algemene analytische benadering ontwikkeld om de dynamische spanningen te bepalen die de bellow ondergaan tijdens impulsieve beweging.
De meeste vacuümonderbrekerfabrikanten halen hun bellow bij gerenommeerde bellowfabrikanten en werken samen met hen om de gewenste levensduur van de bellow te bereiken. Dit wordt meestal bereikt door de bellow in een praktische vacuümonderbreker te integreren en mechanische levensduurbeproevingen uit te voeren op een statistisch significant aantal vacuümonderbrekersamples. Een gespecificeerde mechanische levensduur kan vervolgens aan de vacuümonderbreker met die bellow worden toegewezen met behulp van Weibull-analyse. Meestal wordt de mechanische levensduurlimiet van een vacuümonderbreker bepaald door het aantal operaties dat de bellow kan doorstaan voordat er vermoeidheidsfouten optreden.
Bij mechanische testen van een vacuümonderbreker is het cruciaal om de bellow bloot te stellen aan dezelfde werkparameters die ze in een schakelapparaat zullen tegenkomen. Deze parameters omvatten de totale reisafstand (werkopening plus overreis), maximale opensnelheid, maximale sluitsnelheid en de effecten van versnelling en vertraging. Het testen van de bellow binnen de vacuümonderbreker zorgt ervoor dat deze alle productiestappen ondergaat die het voltooide apparaat zal ervaren. Bijvoorbeeld, moet het blootgesteld worden aan alle verhitte en gekoelde cycli die nodig zijn voor de vervaardiging van de vacuümonderbreker. Deze processen zullen onvermijdelijk het metaal van de bellow annealeren, waardoor de granulaire microstructuur en dus de prestatiekenmerken veranderen.
De mechanische levensduur van een specifieke bellow hangt niet alleen af van de hierboven genoemde werkparameters, maar ook van de fysieke kenmerken ervan. Deze omvatten het type roestvrij staal dat wordt gebruikt, de lengte, diameter, dikte, het aantal convoluties en de vermogen om de beweging te dempen nadat de contacten zijn gestopt met bewegen. Het is mogelijk om bellow te ontwerpen die betrouwbaar de normale 30.000 operaties kunnen uitvoeren die vereist zijn voor de meeste vacuümonderbrekers en vacuümreclosers, en zelfs meer dan 10^6 operaties voor vacuümcontactors. Echter, ondanks de inspanningen van vacuümonderbrekerfabrikanten om hun producten te ontwerpen om aan de gespecificeerde mechanische levensduur van verschillende schakelapparaten te voldoen, bereiken de meeste vacuümonderbrekers hun aangegeven mechanische levensduur niet wanneer ze in het veld worden ingezet.Voor meer inzichten in de falenredenen van vacuümonderbrekers (VIs), raadpleeg alstublieft het relevante artikel.
De ontwerper van de vacuümonderbreker moet maatregelen nemen om te voorkomen dat de gebruiker de bellow draait bij het installeren van de vacuümonderbreker in een mechanisme. Een gedraaide bellow kan de mechanische levensduur aanzienlijk verlagen, mogelijk tot minder dan 1% van de ontworpen levensduur. Het koppel dat kan worden toegepast op de dunwandige bellow in een vacuümonderbreker voordat er permanente draaiing optreedt, is relatief laag, ongeveer 8,5-11,5 Nm. Om draaiing van de bellow te voorkomen, zou de ontwerper een anti-draai bushing in de bellow moeten inbrengen. Deze bushing kan op zijn plaats worden vastgezet door hem aan het eindplaat van de onderbreker te bevestigen. Het inwendige oppervlak van de bushing is gevormd of heeft een sleutelgat om rotatie van de bewegende koperterminal die aan de bellow is bevestigd (zie Figuur 2) te voorkomen. Het bushingmateriaal kan metalen of plastic zoals Nylatron zijn. Wanneer plastic materialen zoals Nylatron en Valox worden gebruikt, is voorzichtigheid geboden. Deze materialen kunnen alleen worden gebruikt in toepassingen waarbij de maximale toegestane temperatuur die ze zullen ervaren, beperkt is. Bijvoorbeeld, voor Nylatron is de temperatuur waarbij de treksterkte na 100.000 uur is gereduceerd tot 50% ongeveer 125°C (het kan hogere temperaturen voor korte periodes verdragen zonder te vervormen vanwege de glasvezelinhoud), en voor Valox DR48 is het ongeveer 140°C. Er zijn ook duurdere, hogere temperatuur plastics beschikbaar, zoals "Ultem 2310 R."
Figuur 2: Voorbeelden van Anti-draai Bushings voor Bellow Bescherming
Het materiaal dat voor deze anti-draai bushings wordt gebruikt, heeft een maximale toegestane temperatuur van ongeveer 180°C. Het kan korte-termijn blootstelling (ongeveer 1 uur) aan temperaturen boven deze limiet verdragen zonder significante vervorming.
Voor vacuümonderbrekers die werken op hogere circuit-breaker-spanningen, is een langere contactslag nodig. Bijvoorbeeld, bij 72,5 kV is een slag van ongeveer 40 mm nodig. Om deze verlengde slag te accommoderen, moeten de bellow evenredig worden verlengd. Echter, zeer lange bellow openen en sluiten niet op een uniforme manier. In plaats daarvan tendeert ze te kronkelen tijdens de beweging. Hierdoor kunnen de binnenste convoluties van de bellow wrijving ondervinden met de koper (Cu) terminal. Deze wrijving kan de levensduur van de bellow aanzienlijk verlagen.
Om dit probleem te tackelen, zijn gespecialiseerde bellow met interne pads ontwikkeld. Deze pads glijden langs de Cu terminals, waardoor slijtage en slijtage worden geminimaliseerd. Een voorbeeld van zo'n bellow-ontwerp is weergegeven in Figuur 3.
