Vloga guma v vakuumskih prekiniteljih

Uvod v vakuumne preklopnike in gume

S tehnološkim napredkom in naraščajočo zaskrbljenostjo glede globalnega segrevanja so vakuumni preklopniki postali pomemben dejavnik v področju električnega inženiringa.
Buduče električne mreže zahtevajo od preklopnikov vedno strožje zahteve glede preklopne zmogljivosti, z posebnim poudarkom na hitrejših preklapljanjih in daljšem delovnem življenju. V srednjepresnih preklopnikih so vakuumni preklopniki (VIs) pridobili široko uporabo. To je zaradi nepremaganih prednosti uporabe vakuma kot preklopne sredine v tem specifičnem obsegu uporabe. Vakuumni preklopnik je ključni komponenta vakuumnega preklopnika, kjer igrajo gume ključno in učinkovito vlogo.

Metalne gume so zasnovane tako, da vzdržujejo ultra-vakumski zglob, hkrati pa omogočajo translacijsko gibanje gibljivega električnega kontakta znotraj preklopnika. Vendar je mehansko življenje vakuumnega preklopnika predvsem omejeno z znanimi vakuumskimi gumami. V kontekstu prihodnjih preklopnikov bo iskanje hitrejših preklapljanj neizbežno vodilo do višjih dinamičnih udarnih obremenitev. Te obremenitve lahko povzročijo gibanja gum s večjimi amplitudami, kar značilno skračuje življenje gum. Poleg tega, glede na pričakovano povečanje frekvence preklapljanj v prihodnjih električnih mrežah, postaja simulacija vakuumskih gum nezamenljiva za optimizacijo njihovega dizajna in s tem izboljšanje mehanskega življenja vakuumnih preklopnikov.

Vloga gum v vakuumnih preklopnikih

Gume, ki so običajno izdelane iz tankih listov nerjavečega jekla, so zasnovane za omogočanje odpiranja in zapiranja kontaktov, hkrati pa zagotavljajo ohranjanje vakumskega okolja znotraj preklopnika.
Odpor proti utrujenosti gum je ključni dejavnik, ki določa mehansko življenje vakuumnega preklopnika. Vsako odpiranje in zapiranje kontaktov predmetu gum izpostavlja stres, zlasti konvolucije, ki so najbližje krajišču. Poleg neposrednega mehanskega stresa zaradi operativnega gibanja, gum tudi izkušajo posledična gibanja, ko se gibanje kontaktov ustavi. Ta gibanja dodatno prispeva k navadovanju in opadanju gum, kar pospešuje njihovo degradacijo čez čas.
Slika 1 prikazuje specifičen tip gum za vakuumne preklopnike, izdelanih s strani podjetja Sigma-Netics.

Slika 1: Vakuumne preklopnike gum izdelava podjetja Sigma-Netics

Mehansko življenje vakuumnih preklopnikov je zelo vplivana s kritičnimi parametri gibanja kontaktov:

• Stalna raztezanja ali vrzel med kontakti: To določa razdaljo, s katero se kontakti ločijo med delovanjem, kar vpliva na električno izolacijo in zmogljivost za ugasnjenje loka.

• Hitrost odpiranja in zapiranja: Hitrejše hitrosti lahko izboljšajo zmogljivost preklapljanja, vendar tudi namesto to večje dinamične obremenitve na komponente, vključno s gumami.

• Zamrznitev na koncu gibanja odpiranja in zapiranja: Ustrezen zamrznitveni sistem je ključen za zmanjšanje vibracij in zmanjšanje mehanskega stresa na gumah in drugih delih.

• Preseg in odboj pri odpiranju: Ti pojavljajo se dodatno navadovanje in opadanje na kontaktih in gumah, kar lahko skrči celotno življenje.

• Opravilnost montaže: Način, kako je vakuumni preklopnik montiran, lahko vpliva na distribucijo sil med delovanjem, kar vpliva na mehansko življenje gum.

• Poskok kontaktov pri zapiranju: Prekomerno poskokanje kontaktov lahko vodi do loka in povečanega stresa na gumah, kar zmanjšuje njihovo zmogljivost s časom.

Gume imajo dvostransko vlogo v vakuumnih preklopnikih. Omogočajo gibanje gibljivega kontakta, hkrati pa vzdržujejo vakumski zglob. Izdelani iz nerjavečega jekla, običajno debelinskega približno 150 µm, so zasnovani, da odvrnejo težke delovne pogoje znotraj preklopnika. Tri vrste gum so uspešno integrirane v dizajn vakuumnih preklopnikov:

• Seamless hidrooblikovane gume: Te so oblikovane brez vidnih zglobov, kar potencialno ponuja izboljšano celost in zmogljivost.

• Zglobno varljene hidrooblikovane gume: Proizvedene z varljenjem zglobov po hidrooblikovanju, te ravnotežijo stroške in zmogljivost.

• Gume izvarljene iz tankih nerjavečih jeklenih valjkov: Zgrajene z varljenjem tankih valjkov, te ponujajo učinkovito rešitev za določene aplikacije.

Podrobne informacije o dizajnu in zmogljivosti gum najdete v EJMA standardih.

En konec gume je trdno pričrpaljen z varljenjem na končno ploščo vakuumnega preklopnika, drug konec pa je varljen na gibljivi terminal in se premika skupaj z njim, ko se kontakti odprejo in zaprejo. V vakuumnem preklopniku so gume izpostavljene impulsnemu gibanju med operacijami z kontakti. Hitrost odpiranja gibljivega kontakta se lahko hitro poveča od 0 m/s do do 2 m/s v manj kot 100 µs. Na koncu gibanja kontakta, ali gre za odpiranje ali zapiranje, gibljivi konec gume pride do nenadnega ustanka.

Frekvenca teh odpiranj in zapiranj se razlikuje glede na cikel opravil. V nekaterih primerih se lahko dogajajo mnogokrat, v drugih pa redko. Gibanje, ki ga gume izkušajo, je daleč od enakomernega, in je običajno, da gume oscilirajo večkrat med eno operacijo odpiranja ali zapiranja. Za tiste, ki bi radi analizirali to gibanje gume, je bil razvit splošni analitični pristop za določitev dinamičnih stresov, ki jih gume izkušajo med impulsnim gibanjem.

Večina proizvajalcev vakuumnih preklopnikov pridobiva svoje gume od ustanovljenih proizvajalcev gum in sodeluje z njimi, da dosežejo želeno življenjsko dobo gume. To je običajno doseženo tako, da se gume vključijo v praktični vakuumni preklopnik in izvedejo mehanske življenjske teste na statistično značilen številu vzorcev vakuumnih preklopnikov. Nato lahko vakuumnemu preklopniku z takimi gumami določijo specifično mehansko življenjsko dobo z uporabo Weibullove analize. Običajno je mehanska življenjska omejitev vakuumnega preklopnika določena z številom operacij, ki jih gume lahko izdržijo, preden pride do utrujenosti in odpovedi.

Ko se vakuumnega preklopnika mehano testira, je ključnega pomena, da se gume izpostavijo istim delovnim parametrom, s katerimi se bodo soočile v preklopnem napravi. Ti parametri vključujejo skupno pot (operativna vrzel plus prehiter), maksimalno hitrost odpiranja, maksimalno hitrost zapiranja in učinke pospeševanja in upora. Testiranje gume znotraj vakuumnega preklopnika zagotavlja, da preidejo vse proizvodne korake, ki jih bo preživel končni izdelek. Na primer, morajo biti izpostavljeni vsem grelnim in hlajenim ciklom, ki so potrebni za proizvodnjo vakuumnega preklopnika. Ti procesi neizbežno ohladi metal gume, kar spremeni njegovo granularno mikrostrukturo in s tem tudi njegove zmogljivosti.

Mehansko življenje določenih gumov je odvisno ne le od zgoraj navedenih delovnih parametrov, ampak tudi od lastnih fizikalnih lastnosti. Te vključujejo vrsto nerjavečega jekla, dolžino, premer, debelino, število konvolucij in njihovo sposobnost za zamrznitev gibanja, ko se gibanje kontaktov ustavi. Je mogoče zasnovati gume, ki lahko zanesljivo opravijo običajne 30.000 operacij, ki jih zahtevajo večina vakuumnih preklopnikov in vakuumnih ponovnih preklopnikov, in celo presežejo 10^6 operacij za vakuumne kontaktorje. Vendar, kljub naporom proizvajalcev vakuumnih preklopnikov, da bi zasnovali svoje izdelke, da bi izpolnili določeno mehansko življenjsko dobo različnih preklopnih naprav, večina vakuumnih preklopnikov ne doseže navedeno mehansko življenjsko dobo, ko so nameščeni v polje.Za več informacij o razlogih za odpoved vakuumnih preklopnikov (VI) se obrnite na relevantni članek.

Dizajner vakuumnega preklopnika mora sprejeti varnostne ukrepe, da prepreči uporabniku, da bi gume pri namestitvi vakuumnega preklopnika v mehanizem zakrtil. Zakrtena guma ima lahko svoje mehanske življenje zelo zmanjšano, potencialno na manj kot 1% njenega predvidenega življenja. Vrtlinski moment, ki se lahko uporabi na tanko steno gume v vakuumnem preklopniku, preden pride do trajnega zakrtenja, je relativno nizek, približno 8,5-11,5 Nm. Za preprečevanje zakrtenja gume mora dizajner vstaviti protizakrtno grudo. Ta gruda se lahko zaklene na mestu, jo pričrpaljena na končno ploščo preklopnika. Notranja površina grude je oblikovana ali ima ključno kanal, ki preprečuje kakršno koli vrtenje gibljive bakrene terminalne, ki je pričrpaljena na gume (kot je prikazano na Sliki 2). Material grude lahko je kovinski ali plastika, kot je Nylatron. Ko se uporabljajo materiali, kot so Nylatron in Valox, je treba biti pazljivi. Te materiale je mogoče uporabiti le v aplikacijah, kjer je največja dovoljena temperatura, ki jo bodo izkušali, omejena. Na primer, za Nylatron, temperatura, pri kateri se njegova tesna moč zmanjša na 50% po 100.000 ur, je približno 125°C (lahko prenaša višje temperature za kratkoročne obdobje brez deformacije zaradi vsebnosti steklenih vlaken), za Valox DR48 pa je približno 140°C. Obstajajo tudi dražje, višje temperaturne plastike, kot je "Ultem 2310 R".

Slika 2: Primeri protizakrtnih grud za zaščito gume

Material, uporabljen za te protizakrtno grude, ima največjo dovoljeno temperaturo približno 180°C. Lahko prenaša kratkoročno izpostavljenost (približno 1 uro) temperaturam, ki presegujo to omejitev, brez značilnih deformacij.

Za vakuumne preklopnike, ki delujejo pri višjih napetostih preklopnika, je potreben daljši stroke kontaktov. Na primer, pri 72,5 kV je potreben stroke približno 40 mm. Za akomodacijo tega podaljšanega stroke mora biti guma sorazmerno dolgočlena. Vendar se zelo dolge gume ne odpirajo in zapirajo enakomerno. Namesto tega se ob gibanju pogibajo. To lahko povzroči, da notranje konvolucije gume trenijo proti bakreni (Cu) terminali. To trenje lahko značilno zmanjša življenjsko dobo gume.

Za reševanje tega problema so bile razvite specializirane gume z notranjimi podlagami. Te podlage se drsejo po Cu terminalih, zmanjšajoče navadovanje in opadanje. Primer takega dizajna gume je prikazan na Sliki 3.