Rola mięśniaka w przerywaczach próżniowych

Wprowadzenie do wyrzutników próżniowych i fałdów

Z rozwojem technologii oraz rosnącym zaniepokojeniem związany z globalnym ociepleniem, wyrzutniki próżniowe stały się istotnym elementem w dziedzinie inżynierii elektrycznej.
Przyszłe sieci energetyczne stawiają coraz wyższe wymagania dotyczące wydajności przepustników, z naciskiem na szybsze przełączanie i dłuższy czas działania. W wyrzutnikach średniego napięcia wyrzutniki próżniowe (VIs) zdobyły powszechne przyjęcie. Użycie próżni jako medium przerywającego oferuje niezrównane zalety w tym zakresie zastosowania. Wyrzutnik próżniowy jest kluczowym elementem wyrzutnika próżniowego, a fałdy odgrywają ważną i skuteczną rolę w wyrzutnikach próżniowych.

Metalowe fałdy są zaprojektowane tak, aby utrzymywać hermetyczną próżnię, jednocześnie umożliwiając ruch kontaktu elektrycznego w komorze wyrzutnika. Jednakże żywotność mechaniczna wyrzutnika próżniowego jest głównie ograniczona przez tzw. fałdy próżniowe. W kontekście przyszłych przepustników, dążenie do szybszych prędkości przełączania będzie nieuniknionie prowadzić do wyższych obciążeń dynamicznych. Te obciążenia mogą powodować drgania fałdów o większej amplitudzie, co znacznie skraca ich żywotność. Ponadto, z uwagi na przewidywany wzrost częstotliwości operacji przełączania w przyszłych sieciach energetycznych, symulacja fałdów próżniowych staje się niezbędna do optymalizacji ich projektu, a tym samym zwiększenia żywotności mechanicznej wyrzutników próżniowych.

Rola fałdów w wyrzutnikach próżniowych

Fałdy, zazwyczaj wykonane z cienkich arkuszy nierdzewnej stali, są zaprojektowane tak, aby umożliwić otwieranie i zamykanie kontaktów, jednocześnie zapewniając utrzymanie środowiska próżniowego wewnątrz wyrzutnika.
Odporność na zmęczenie fałdów jest kluczowym czynnikiem określającym żywotność mechaniczną wyrzutnika próżniowego. Każda operacja otwierania i zamykania kontaktów poddaje fałdy naprężeniom, szczególnie konwolucje znajdujące się najbliżej końców. Oprócz bezpośredniego naprężenia mechanicznego wynikającego z ruchu operacyjnego, fałdy doświadczają również drgań po zakończeniu ruchu kontaktu. Te drgania dodatkowo przyczyniają się do zużycia fałdów, przyspieszając ich degradację w czasie.
Rysunek 1 przedstawia specyficzny typ fałdów dla wyrzutników próżniowych produkowanych przez firmę Sigma-Netics.

Rys 1: Fałdy wyrzutnika próżniowego firmy Sigma-Netics

Żywotność mechaniczna wyrzutników próżniowych jest znacząco wpływana przez kilka kluczowych parametrów ruchu kontaktów:

• Stałe odchylenie lub luka kontaktów: Określa odległość, jaką kontakt oddala się podczas pracy, wpływając na izolację elektryczną i zdolność gaszenia łuku.

• Prędkość otwierania i zamykania: Wyższe prędkości mogą poprawić wydajność przełączania, ale również narzucają większe obciążenia dynamiczne na komponenty, w tym na fałdy.

• Tłumienie ruchu na końcu drogi otwierania i zamykania: Właściwe tłumienie jest niezbędne do minimalizacji drgań i zmniejszenia naprężeń mechanicznych na fałdach i innych częściach.

• Przeciągnięcie i odbicie przy otwieraniu: Te zjawiska mogą powodować dodatkowe zużycie kontaktów i fałdów, potencjalnie skracając całkowitą żywotność.

• Wytrzymałość montażu: Sposób montażu wyrzutnika próżniowego może wpływać na rozkład sił podczas pracy, wpływając na żywotność mechaniczną fałdów.

• Podskakiwanie kontaktu przy zamykaniu: Zbyt duże podskakiwanie kontaktu może prowadzić do łuków i zwiększenia naprężeń na fałdach, pogarszając ich wydajność w czasie.

Fałdy pełnią dwufunkcyjną rolę w wyrzutnikach próżniowych. Umożliwiają one ruch kontaktu poruszającego się, jednocześnie utrzymując szczelną próżnię. Wykonane z nierdzewnej stali, zwykle o grubości około 150 µm, są zaprojektowane do wytrzymywania surowych warunków pracy w wyrzutniku. Trzy rodzaje fałdów zostały pomyślnie zintegrowane w projektach wyrzutników próżniowych:

• Fałdy bezszwowe hydroformowane: Są formowane bez widocznych szwów, co może zapewnić lepszą integralność i wydajność.

• Fałdy spawane hydroformowane: Wyprodukowane przez spawanie szwów po hydroformowaniu, balansują koszty i wymagania wydajnościowe.

• Fałdy wykonane z cienkich warstw nierdzewnej stali spawanych na krawędzi: Skonstruowane poprzez spawanie cienkich warstw, oferują kosztowne rozwiązanie dla niektórych zastosowań.

Szczegółowe informacje dotyczące projektu i wydajności fałdów można znaleźć w standardach EJMA.

Jedno z końców fałdów jest mocno zamocowane poprzez spawanie go do płyty końcowej wyrzutnika próżniowego, podczas gdy drugi koniec jest spawany do poruszającego się terminala i porusza się razem z nim podczas otwierania i zamykania kontaktów. W wyrzutniku próżniowym, fałdy są poddawane impulsowemu ruchowi podczas operacji kontaktowych. Prędkość otwierania poruszającego się kontaktu może szybko wzrosnąć z 0 m/s do nawet 2 m/s w ciągu mniej niż 100 µs. Na końcu drogi kontaktu, zarówno przy otwieraniu, jak i zamykaniu, poruszający się koniec fałdów gwałtownie zatrzymuje się.

Częstotliwość tych operacji otwierania i zamykania różni się w zależności od cyklu pracy. W niektórych przypadkach mogą wystąpić liczne razy, a w innych są rzadkie. Ruch nadawany fałdom jest daleki od jednorodnego, a często fałdy drgają wielokrotnie podczas jednej operacji otwierania lub zamykania. Dla tych, którzy są zainteresowani analizą tego ruchu fałdów, opracowano ogólny podejście analityczne do określenia dynamicznych naprężeń, jakie fałdy doświadczają podczas impulsowego ruchu.

Większość producentów wyrzutników próżniowych pozyskuje swoje fałdy od uznanych producentów fałdów i współpracuje z nimi, aby osiągnąć pożądaną żywotność fałdów. Jest to zwykle osiągane poprzez integrację fałdów w praktyczny wyrzutnik próżniowy i przeprowadzenie testów żywotności mechanicznej na statystycznie znaczącej liczbie próbek wyrzutników próżniowych. Można następnie przypisać określoną żywotność mechaniczną do wyrzutnika próżniowego z tymi fałdami, używając analizy Weibulla. Zwykle limit żywotności mechanicznej wyrzutnika próżniowego jest określany przez liczbę operacji, które fałdy mogą znieść przed wystąpieniem uszkodzenia zmęczeniowego.

Podczas mechanicznych testów wyrzutnika próżniowego, ważne jest, aby poddać fałdy tym samym parametrom pracy, jakie spotkają w urządzeniu przełączającym. Te parametry obejmują całkowity przebieg (przerwę roboczą plus przemieszczenie nadmiarowe), maksymalną prędkość otwierania, maksymalną prędkość zamykania oraz efekty przyspieszenia i opóźnienia. Testowanie fałdów wewnątrz wyrzutnika próżniowego zapewnia, że przechodzi on wszystkie etapy produkcji, które przejdzie gotowy urządzenie. Na przykład, powinny być one narażone na wszystkie cykle nagrzewania i chłodzenia wymagane do produkcji wyrzutników próżniowych. Te procesy nieuchronnie odmienią strukturę granularną metalu fałdów, zmieniając jego charakterystyki wydajnościowe.

Żywotność mechaniczna konkretnych fałdów zależy nie tylko od wspomnianych parametrów pracy, ale także od własnych fizycznych cech. Obejmują one typ nierdzewnej stali, długość, średnicę, grubość, liczbę konwolucji oraz zdolność do tłumienia ruchu, gdy kontakt przestaje się poruszać. Możliwe jest zaprojektowanie fałdów, które mogą niezawodnie wykonywać normalne 30 000 operacji wymagane dla większości wyrzutników próżniowych i automatów ponownego zamykania, a nawet przekroczyć 10^6 operacji dla kontaktorów próżniowych. Jednak mimo wysiłków producentów wyrzutników próżniowych, aby zaprojektować swoje produkty tak, aby spełniały określone wymagania żywotności mechanicznej różnych urządzeń przełączających, większość wyrzutników próżniowych nie osiąga określonej żywotności mechanicznej, gdy są wdrożone w terenie.Aby uzyskać więcej informacji na temat przyczyn awarii wyrzutników próżniowych (VIs), prosimy o odniesienie do odpowiedniego artykułu.

Projektant wyrzutnika próżniowego musi podjąć środki ostrożności, aby zapobiec skręcaniu fałdów przez użytkownika podczas montażu wyrzutnika próżniowego w mechanizmie. Skręcony fałd może mieć swoją żywotność mechaniczną znacznie skróconą, potencjalnie do mniej niż 1% zaprojektowanego czasu życia. Moment, który można zastosować do cienkościennych fałdów w wyrzutniku próżniowym przed trwałym skręceniem, jest stosunkowo niewielki, około 8,5–11,5 Nm. Aby uniknąć skręcania fałdów, projektant powinien umieścić w nich bushing antyskrętowy. Ten bushing może być zabezpieczony poprzez zamocowanie go do płyty końcowej wyrzutnika. Wewnętrzna powierzchnia bushingu ma kształt lub posiada rowek, aby zapobiec obracaniu się poruszającego się miedzianego terminala przytwierdzonego do fałdów (jak pokazano na Rys. 2). Materiał bushingu może być metalowy lub plastikowy, taki jak Nylatron. Podczas korzystania z materiałów plastikowych, takich jak Nylatron i Valox, należy zachować ostrożność. Te materiały mogą być używane tylko w aplikacjach, gdzie maksymalna dopuszczalna temperatura, której będą one doświadczać, jest ograniczona. Na przykład, dla Nylatronu, temperatura, przy której jego wytrzymałość na rozciąganie spada do 50% po 100 000 godzin, wynosi około 125°C (może znieść wyższe temperatury na krótko bez deformacji ze względu na zawartość włókien szklanych), a dla Valox DR48 to około 140°C. Istnieją również bardziej kosztowne, wysokotemperaturowe tworzywa, takie jak "Ultem 2310 R".

Rys 2: Przykłady bushingów antyskrętowych do ochrony fałdów

Materiał używany do tych bushingów antyskrętowych ma maksymalną dopuszczalną temperaturę około 180°C. Może on znieść krótkotrwałe (około 1 godziny) narażenie na temperatury przekraczające ten limit bez znacznego deformowania.

Dla wyrzutników próżniowych działających przy wyższych napięciach wyrzutników, wymagana jest dłuższa droga kontaktu. Na przykład, przy 72,5 kV, wymagana jest droga około 40 mm. Aby pomieścić tę dłuższą drogę, fałdy muszą być proporcjonalnie wydłużone. Jednak bardzo długie fałdy nie otwierają i nie zamykają się w jednostajny sposób. Zamiast tego, mają tendencję do wiązania się podczas ruchu. W rezultacie, wewnętrzne konwolucje fałdów mogą tarć z miedzianym (Cu) terminalem. To tarce mogą znacznie skrócić żywotność fałdów.

Aby rozwiązać ten problem, opracowano specjalne fałdy z wewnętrznymi podkładkami. Te podkładki ślizgają się wzdłuż terminali Cu, minimalizując zużycie. Przykład takiego projektu fałdów jest przedstawiony na Rys. 3.