Роль гофрированной оболочки в вакуумных прерывателях

Введение в вакуумные прерыватели и гофры

С развитием технологий и растущей озабоченностью по поводу глобального потепления, вакуумные выключатели стали важным объектом рассмотрения в области электротехники.
Будущие энергетические сети предъявляют все более строгие требования к коммутационным характеристикам выключателей, особенно в отношении увеличения скорости переключения и продления срока службы. В средневольтных выключателях широкое распространение получили вакуумные прерыватели (VIs). Это связано с тем, что использование вакуума в качестве среды для прерывания тока обеспечивает непревзойденные преимущества в данном диапазоне применения. Вакуумный прерыватель является ключевым компонентом вакуумного выключателя, а гофры играют важную и эффективную роль в вакуумных прерывателях.

Металлические гофры разработаны для поддержания ультравысокого вакуумного уплотнения, одновременно обеспечивая поступательное движение подвижного электрического контакта внутри камеры прерывателя. Однако механический срок службы вакуумного прерывателя в основном ограничен так называемыми вакуумными гофрами. В контексте будущих выключателей стремление к более высоким скоростям переключения неизбежно приведет к увеличению динамических ударных нагрузок. Эти нагрузки могут вызвать колебания гофр с большей амплитудой, что значительно сокращает их срок службы. Кроме того, учитывая ожидаемое увеличение частоты операций переключения в будущих энергетических сетях, моделирование вакуумных гофр становится необходимым для оптимизации их конструкции и, следовательно, увеличения механического срока службы вакуумных прерывателей.

Роль гофр в вакуумных прерывателях

Гофры, обычно изготовленные из тонких листов нержавеющей стали, предназначены для облегчения открытия и закрытия контактов, при этом обеспечивая поддержание вакуумной среды внутри прерывателя.
Устойчивость к усталости гофр является ключевым фактором, определяющим механический срок службы вакуумного прерывателя. Каждая операция открытия и закрытия контактов подвергает гофры нагрузке, особенно складки, расположенные ближе всего к концам. Помимо прямых механических нагрузок от операционного движения, гофры также испытывают колебания после прекращения движения контакта. Эти колебания дополнительно способствуют износу гофр, ускоряя их деградацию со временем.
На рисунке 1 показан конкретный тип гофр для вакуумных прерывателей, производимых компанией Sigma-Netics.

Рис. 1: Гофры для вакуумных прерывателей компании Sigma-Netics

Механический срок службы вакуумных прерывателей существенно зависит от нескольких критических параметров движения контактов:

• Постоянный ход или зазор контактов: это определяет расстояние, на которое контакты разделяются во время работы, влияя на электрическую изоляцию и способность гасить дугу.

• Скорость открытия и закрытия: более высокие скорости могут улучшить коммутационные характеристики, но также накладывают большие динамические нагрузки на компоненты, включая гофры.

• Затухание в конце хода открытия и закрытия: достаточное затухание необходимо для минимизации вибраций и снижения механических нагрузок на гофры и другие части.

• Переход через верхнюю точку и отскок при открытии: эти явления могут вызывать дополнительный износ контактов и гофр, потенциально сокращая общий срок службы.

• Прочность крепления: способ монтажа вакуумного прерывателя может влиять на распределение сил во время работы, влияя на механический срок службы гофр.

• Отскок контактов при закрытии: чрезмерный отскок контактов может привести к образованию дуги и увеличению нагрузки на гофры, ухудшая их производительность со временем.

Гофры выполняют двойную роль в вакуумных прерывателях. Они обеспечивают движение подвижного контакта, сохраняя герметичность вакуума. Изготовленные из нержавеющей стали, обычно с толщиной около 150 µм, они разработаны для выдерживания жестких условий эксплуатации внутри прерывателя. Три типа гофр успешно интегрированы в конструкции вакуумных прерывателей:

• Бесшовные гидроформированные гофры: они формируются без видимых швов, что потенциально обеспечивает повышенную целостность и производительность.

• Шовные гидроформированные гофры: производятся сваркой швов после гидроформирования, они сочетают стоимость и требования к производительности.

• Гофры, изготовленные из тонких нержавеющих стальных шайб, сваренных по краю: они изготавливаются сваркой тонких шайб, предоставляя экономически эффективное решение для некоторых применений.

Подробные сведения о проектировании и производительности гофр можно найти в стандартах EJMA.

Один конец гофр надежно фиксируется, паяясь к торцевой пластине вакуумного прерывателя, в то время как другой конец паяется к подвижному терминалу и перемещается вместе с ним при открытии и закрытии контактов. В вакуумном прерывателе гофры подвергаются импульсному движению во время операций с контактами. Скорость открытия подвижного контакта может быстро увеличиваться с 0 м/с до 2 м/с менее чем за 100 µс. В конце хода контакта, будь то открытие или закрытие, подвижный конец гофр внезапно останавливается.

Частота этих операций открытия и закрытия варьируется в зависимости от цикла работы. В некоторых случаях они могут происходить множество раз, в других — редко. Движение, передаваемое гофрам, далеко от равномерного, и часто гофры колеблются несколько раз за одну операцию открытия или закрытия. Для тех, кто интересуется анализом этого движения гофр, разработан общий аналитический подход для определения динамических нагрузок, испытываемых гофрами при импульсном движении.

Большинство производителей вакуумных прерывателей закупают гофры у известных производителей гофр и сотрудничают с ними, чтобы достичь желаемого срока службы гофр. Обычно это достигается путем интеграции гофр в практический вакуумный прерыватель и проведения механических испытаний на значительном числе образцов вакуумных прерывателей. Затем с помощью анализа Вейбулла можно присвоить определенный механический срок службы вакуумному прерывателю с этими гофрами. Обычно механический предел срока службы вакуумного прерывателя определяется числом операций, которые гофры могут выдержать до усталостного отказа.

При механическом тестировании вакуумного прерывателя важно подвергать гофры тем же рабочим параметрам, которые они будут испытывать в коммутационном устройстве. Эти параметры включают полный ход (рабочий зазор плюс сверхход), максимальную скорость открытия, максимальную скорость закрытия, а также эффекты ускорения и замедления. Тестирование гофр внутри вакуумного прерывателя обеспечивает, что они проходят все этапы производства, которые будет проходить готовое устройство. Например, они должны быть подвержены всем циклам нагрева и охлаждения, необходимым для производства вакуумного прерывателя. Эти процессы неизбежно отожгут металл гофр, изменяя его зернистую микроструктуру и, следовательно, его эксплуатационные характеристики.

Механический срок службы конкретных гофр зависит не только от вышеупомянутых рабочих параметров, но и от их собственных физических характеристик. К ним относятся тип используемой нержавеющей стали, ее длина, диаметр, толщина, количество складок и способность демпфировать движение после остановки контакта. Возможно создание гофр, которые надежно выполняют нормальные 30 000 операций, требуемых для большинства вакуумных выключателей и повторно замыкающихся вакуумных выключателей, и даже превышают 10^6 операций для вакуумных контакторов. Однако, несмотря на усилия производителей вакуумных прерывателей по проектированию своих продуктов, чтобы соответствовать указанному механическому сроку службы различных коммутационных устройств, большинство вакуумных прерывателей не достигают заявленного механического срока службы при эксплуатации в полевых условиях.Для получения более подробной информации о причинах отказов вакуумных прерывателей (VIs) обратитесь к соответствующей статье.

Проектировщику вакуумного прерывателя следует принять меры предосторожности, чтобы предотвратить скручивание гофр пользователем при установке вакуумного прерывателя в механизм. Скрученные гофры могут иметь существенно сниженный механический срок службы, возможно, менее 1% от расчетного. Момент, который можно приложить к тонкостенным гофрам вакуумного прерывателя до постоянного скручивания, относительно низок, примерно 8,5–11,5 Н·м. Чтобы избежать скручивания гофр, проектировщик должен вставить анти-скручивающую втулку. Эта втулка может быть зафиксирована, прикрепив ее к торцевой пластине прерывателя. Внутренняя поверхность втулки имеет форму или паз, чтобы предотвратить вращение подвижного медного терминала, прикрепленного к гофрам (как показано на рисунке 2). Материал втулки может быть металлическим или пластиковым, например, Nylatron. При использовании пластиковых материалов, таких как Nylatron и Valox, следует соблюдать осторожность. Эти материалы можно использовать только в тех приложениях, где максимально допустимая температура, которую они могут испытывать, ограничена. Например, для Nylatron температура, при которой его прочность на растяжение снижается до 50% после 100 000 часов, составляет примерно 125°C (он может выдерживать более высокие температуры в течение короткого времени без деформации благодаря содержанию стекловолокна), а для Valox DR48 — около 140°C. Также доступны более дорогие пластические материалы, способные работать при более высоких температурах, такие как "Ultem 2310 R".

Рис. 2: Примеры анти-скручивающих втулок для защиты гофр

Материал, используемый для этих анти-скручивающих втулок, имеет максимально допустимую температуру около 180°C. Он может выдерживать кратковременное воздействие (около 1 часа) температур, превышающих этот предел, без значительной деформации.

Для вакуумных прерывателей, работающих при более высоких напряжениях выключателей, требуется более длинный ход контакта. Например, при 72,5 кВ необходим ход примерно 40 мм. Для обеспечения этого удлиненного хода гофры должны быть пропорционально удлинены. Однако очень длинные гофры не открываются и не закрываются равномерно. Вместо этого они скользят при движении. В результате внутренние складки гофр могут тереться о медный (Cu) терминал. Это трение может существенно сократить срок службы гофр.

Для решения этой проблемы были разработаны специализированные гофры с внутренними накладками. Эти накладки скользят вдоль медных (Cu) терминалов, минимизируя износ. Пример такого дизайна гофр показан на рисунке 3.