Belles rolle i vakuumavbrytere

Introduksjon til vakuumavbrytere og bellow

Med teknologisk fremgang og økende bekymring for global oppvarming har vakuumbrytere blitt en viktig overveiing i elektriske ingeniørbransjen.
Fremtidige strømnetsverk stiller stadig strengere krav til avbryteres slå-av-ytelse, med særlig fokus på høyere slå-av-hastigheter og lengre driftsliv. I mediumspændingsavbrytere har vakuumavbrytere (VIs) fått bred akseptanse. Dette er fordi bruk av vakuum som avbrytningmedium gir utmerkede fordeler innen denne spesifikke anvendelsesområdet. Vakuumavbryteren fungerer som kjernen i en vakuumbryter, og bellow spiller en avgjørende og effektiv rolle i vakuumavbrytere.

Metallbellow er designet for å opprettholde et ultrahøyvakuumtett slutt mens de samtidig tillater translasjonell bevegelse av den bevegelige elektriske kontakten i avbryterkammeret. Imidlertid er det mekaniske livet til en vakuumavbryter hovedsakelig begrenset av såkalte vakuumbellow. I kontekst med fremtidige brytere vil streben etter raskere slå-av-hastigheter nødvendigvis føre til høyere dynamiske belastninger av typen kraftig påvirkning. Disse belastningene kan utløse bellowoscillasjoner med større amplituder, noe som betydelig reduserer bellowenes levetid. I tillegg, gitt den forventede økningen i frekvensen av slå-av-operasjoner i fremtidige strømnetsverk, blir simulering av vakuumbellow uunnværlig for å optimere deres design og dermed forbedre det mekaniske livet til vakuumavbrytere.

Rollen til bellow i vakuumavbrytere

Bellow, vanligvis laget av tynne rustfrie stålplater, er designet for å muliggjøre åpning og lukking av kontakter samtidig som de sikrer vedlikehold av et vakuummiljø inne i avbryteren.
Trøthetsmotstand hos bellow er en nøkkelfaktor som bestemmer det mekaniske livet til en vakuumavbryter. Hver åpning og lukking av kontakter utsatter bellow for stress, spesielt konvolusjonene nærmest endene. I tillegg til direkte mekanisk stress fra operasjonsbevegelsen, opplever bellow også postoperativ oscillasjon når kontaktbevegelsen stopper. Disse oscillasjonene bidrar ytterligere til slitasje og nedbryting av bellow, som forhaster deres degenerering over tid.
Figur 1 illustrerer en spesifikk type bellow for vakuumavbrytere produsert av Sigma-Netics selskapet.

Fig 1: Vakuumavbryterbellow fra Sigma-Netics selskapet

Det mekaniske livet til vakuumavbrytere er betydelig påvirket av flere kritiske kontaktkontrolleringsparametre:

• Steady-state kontaktstrekk eller gap: Dette bestemmer distansen kontakter separeres under operasjon, som påvirker elektrisk isolasjon og buelukningskapasiteter.

• Åpnings- og lukkingshastighet: Raskere hastigheter kan forbedre slå-av-ytelsen, men legger også mer dynamisk belastning på komponentene, inkludert bellow.

• Bevegelsesdemping ved slutten av åpning og lukking: Tilstrekkelig demping er essensiell for å minimere vibrasjoner og redusere mekanisk stress på bellow og andre deler.

• Overskyting og tilbakefall ved åpning: Disse fenomenene kan forårsake ekstra slitasje og nedbryting av kontakter og bellow, potensielt kortere total levetid.

• Monteringsresilience: Måten vakuumavbryteren monteres på kan påvirke kraftfordelingen under operasjon, som påvirker det mekaniske livet til bellow.

• Kontaktsprang ved lukking: Uforholdsmessig kontaktsprang kan føre til bueilding og økt stress på bellow, som forverrer dens ytelse over tid.

Bellow spiller en dobbeltrolle i vakuumavbrytere. De muliggjør bevegelsen av den bevegelige kontakten samtidig som de opprettholder et vakuumtett slutt. Konstruert av rustfritt stål, typisk med en tykkelse på omtrent 150 µm, er de designet for å motstå de hårde driftsbetingelsene innenfor avbryteren. Tre typer bellow har blitt vellykket integrert i vakuumavbryterdesigner:

• Seamless hydroformed bellow: Disse er formet uten synlige sømmer, potensielt med økt integritet og ytelse.

• Sømme-svart hydroformed bellow: Produsert ved å svarte sømmer etter hydroforming, balanserer de kostnader og ytelseskrevet.

• Bellow laget av kant-svarte, tynne rustfrie stålringar: Konstruert ved å svarte tynne ringar sammen, de gir en kostnadseffektiv løsning for visse applikasjoner.

Komplette detaljer om bellowdesign og -ytelse kan finnes i EJMA-standarder.

En ende av bellow er sikkert fastsatt ved å sveise den til endeplassen av vakuumavbryteren, mens den andre enden er sveiset til den bevegelige terminalen og beveger seg i tandem med den når kontakter åpnes og lukkes. I en vakuumavbryter er bellow utsatt for impulsmotstand under kontaktoperasjoner. Åpningshastigheten for den bevegelige kontakten kan raskt øke fra 0 m/s til opptil 2 m/s i mindre enn 100 µs. Ved slutten av kontaktstrekket, enten åpning eller lukking, stopper den bevegelige enden av bellow abrupt.

Frekvensen av disse åpne-lukke-operasjonene varierer avhengig av arbeidsomgangen. I noen tilfeller kan de forekomme mange ganger, mens de i andre er sjeldne. Bevegelsen som overføres til bellow er langt fra uniform, og det er vanlig at bellow oscillerer flere ganger under en enkelt åpning eller lukking. For de interesserte i å analysere denne bellowbevegelsen, er det utviklet en generell analytisk tilnærming for å bestemme de dynamiske spenningsene bellow er utsatt for under impulsmotstand.

De fleste vakuumavbryterprodusenter henter sine bellow fra etablerte bellowprodusenter og samarbeider med dem for å oppnå ønsket bellowlevetid. Dette oppnås typisk ved å integrere bellow i en praktisk vakuumavbryter og utføre mekaniske levetidsprøver på et statistisk signifikant antall vakuumavbryterprøver. En angitt mekanisk levetid kan deretter tildeles vakuumavbryteren med dette bellow ved hjelp av Weibull-analyse. Vanligvis er det mekaniske levetidsbegrensningen for en vakuumavbryter bestemt av antallet operasjoner bellow kan tåle før trøthetsfeil oppstår.

Når man utfører mekaniske prøver på en vakuumavbryter, er det viktig å utsatte bellow for de samme driftsparametrene som den vil møte i en slå-av-enhet. Disse parametrene inkluderer total reise (driftsgap pluss over-reise), maksimal åpningshastighet, maksimal lukkingshastighet, og effekter av akselerasjon og deakselerasjon. Prøving av bellow innenfor vakuumavbryteren sikrer at den gjennomgår alle produksjonsstegene som den ferdig produkt vil oppleve. For eksempel bør den bli utsatt for alle varme- og kjølingsyklene som kreves for vakuumavbryterproduksjon. Disse prosessene vil uunngåelig anneal metallene i bellow, endre dens granulære mikrostruktur og dermed dens ytelsesegenskaper.

Det mekaniske livet til et spesifikt bellow avhenger ikke bare av de nevnte driftsparametrene, men også av dets egne fysiske egenskaper. Dette inkluderer typen rustfritt stål som brukes, dens lengde, diameter, tykkelse, antall konvolusjoner, og evnen til å dempe bevegelse når kontakten stopper. Det er mulig å designe bellow som pålitelig kan utføre de normale 30 000 operasjonene som kreves for de fleste vakuumbrytere og vakuumreklusiver, og selv overstige 10^6 operasjoner for vakuumkontakter. Imidlertid, til tross for vakuumavbryterprodusenters bevisste forsøk på å designe sine produkter for å møte den angitte mekaniske levetiden for ulike slå-av-enheter, når de fleste vakuumavbrytere ikke sin angitte mekaniske levetid når de settes i drift i feltet.For mer innsikt i mislykkelsesårsaker for vakuumavbrytere (VIs), se relevant artikkel.

Vakuumavbryterdesigneren må ta forholdsregler for å hindre brukeren i å dreie bellow når vakuumavbryteren monteres inn i en mekanisme. En dreid bellow kan ha sitt mekaniske liv alvorlig redusert, potensielt til mindre enn 1% av det designede livet. Momentet som kan påføres den tynnveggte bellow i en vakuumavbryter før permanent dreining er relativt lavt, omtrent 8,5–11,5 Nm. For å unngå bellowdreining, bør designeren sette inn en anti-dreiningsbusser. Denne busser kan låses på plass ved å festes til endeplassen av avbryteren. Indre overflaten av busseren er formet eller har en nøkkelspor for å forhindre rotasjon av den bevegelige kobberterminalen som er festet til bellow (som vist i figur 2). Bussermaterialet kan være metall eller plast som Nylatron. Når plastmaterialer som Nylatron og Valox brukes, er forsiktighet nødvendig. Disse materialene kan bare brukes i applikasjoner der den maksimale tillatte temperaturen de vil oppleve er begrenset. For eksempel, for Nylatron, er temperaturen hvor dens spenningsstyrke reduseres til 50% etter 100 000 timer omtrent 125°C (den kan tåle høyere temperaturer i kortere perioder uten deformering på grunn av sin glasfiberinnhold), og for Valox DR48, er det rundt 140°C. Det er også mer dyre, høytemperaturplastmaterialer tilgjengelige, som "Ultem 2310 R."

Fig 2: Eksempler på Anti-dreiningsbusser for Bellowbeskyttelse

Materialet brukt for disse anti-dreiningsbusser har en maksimal tillatt temperatur på omtrent 180°C. Det kan tåle kortvarig eksponering (rundt 1 time) til temperaturer som overskrider denne grensen uten betydelig deformering.

For vakuumavbrytere som opererer ved høyere brytervolt, er en lengre kontaktstrekk nødvendig. For eksempel, ved 72,5 kV, kreves en strekk på omtrent 40 mm. For å akkommodere denne utvidede strekken, må bellow proporsjonalt forlenkes. Imidlertid åpner og lukker veldig lange bellow ikke på en uniform måte. I stedet tendere de til å skjelve under bevegelse. Dette kan føre til at de indre konvolusjonene i bellow kan gnide mot kobber (Cu) terminalen. Denne friksjonen kan betydelig redusere bellowets levetid.

For å håndtere dette problemet, har spesialiserte bellow med interne puter blitt utviklet. Disse putene glir langs Cu-terminalene, noe som minimerer slitasje og nedbryting. Et eksempel på slik et bellowdesign er illustrert i figur 3.