Uloga zvona u vakuumskim prekidačima

Uvod u vakuum prekidnike i gume

Sa napredkom tehnologije i rastućom zabrinutnošću zbog globalnog zagrijavanja, vakuum prekidnici su postali značajan faktor u elektrotehničkoj inženjeriji.
Buduće mreže električne energije stavljanju sve strožije zahteva na performanse prekidnika, sa posebnim naglaskom na veću brzinu prekida i produženi vremenski period rada. U srednjeg naponskim prekidnicima, vakuum prekidnici (VIs) su doveli do širokog prihvatanja. To je zato što korišćenje vakuuma kao sredstva za prekid pruža neuporedive prednosti unutar ovog specifičnog opsega primene. Vakuum prekidnik predstavlja ključni element vakuum prekidnika, a gume igraju važnu i efikasnu ulogu unutar vakuum prekidnika.

Metalne gume su dizajnirane da održavaju ultra visoku vakuum sigurnost, istovremeno omogućujući translaciono kretanje pokretnog električnog kontakta unutar komore prekidnika. Međutim, mehanički životni vreme vakuum prekidnika uglavnom je ograničeno tako-nazvanim vakuum gumama. U kontekstu budućih prekidnika, potraga za bržim prekidnim brzinama neizbežno će dovesti do većih dinamičkih opterećenja tipa udara. Ova opterećenja mogu izazvati oscilacije guma sa većom amplitudom, time značajno skraćujući životni vek guma. Takođe, uz očekivani porast frekvencije operacija prekida u budućim mrežama, simulacija vakuum guma postaje neophodna za optimizaciju njihovog dizajna i, posledično, poboljšanje mehaničkog životnog veka vakuum prekidnika.

Uloga guma u vakuum prekidnicima

Gume, obično izrađene od tankih nerđajućih čeliknih listova, dizajnirane su da omogućavaju otvaranje i zatvaranje kontakata dok se održava vakuum okruženje unutar prekidnika.
Otpornost na umor guma je ključni faktor koji određuje mehanički životni vek vakuum prekidnika. Svaka operacija otvaranja i zatvaranja kontakata podleže gume stresu, posebno konveksijama koje se nalaze najbliže krajevima. Pored direktnog mehaničkog stresa od operativnog kretanja, gume iskusavaju i oscilacije nakon operacije, kada se kretanje kontakta zaustavi. Ove oscilacije dodatno doprinose istrošenju guma, ubrzavajući njihovu degradaciju tokom vremena.
Slika 1 ilustruje specifičan tip guma za vakuum prekidnike proizvedenih od strane kompanije Sigma-Netics.

Slika 1: Vakuum prekidnik gume od kompanije Sigma-Netics

Mehanički životni vek vakuum prekidnika značajno utiču nekoliko kritičnih parametara kretanja kontakata:

• Stalni kontaktni hod ili razmak: Ovo određuje rastojanje na kojem se kontakti razdvajaju tokom operacije, utičući na električnu izolaciju i sposobnost gasenja luku.

• Brzina otvaranja i zatvaranja: Brže brzine mogu poboljšati performanse prekida, ali takođe i stave veće dinamičke opterećenje na komponente, uključujući gume.

• Prigušenje kretanja na kraju hoda otvaranja i zatvaranja: Adekvatno prigušenje je neophodno kako bi se smanjile vibracije i smanjio mehanički stres na gume i druge delove.

• Prekoračenje i povrat pri otvaranju: Ovi fenomeni mogu izazvati dodatno istrošenje kontakata i guma, potencijalno skraćujući ukupni životni vek.

• Elastičnost montaže: Način na koji je vakuum prekidnik montiran može uticati na raspodelu sila tokom operacije, utičući na mehanički životni vek guma.

• Podbijanje kontakta pri zatvaranju: Prekomerno podbijanje kontakta može dovesti do luka i povećati stres na gume, degradirajući njihove performanse tokom vremena.

Gume imaju dvostruku ulogu u vakuum prekidnicima. Omogućavaju kretanje pokretnog kontakta dok održavaju vakuum-tight seal. Izrađene od nerđajućeg čelika, obično debljine oko 150 µm, dizajnirane su da izdrže teške uslove rada unutar prekidnika. Tri vrste guma su uspešno integrisane u dizajn vakuum prekidnika:

• Seamless hidroformisane gume: Ove su formirane bez vidljivih šavova, potencijalno pružajući poboljšanu integritet i performanse.

• Šav-zavarane hidroformisane gume: Proizvedene su zavarivanjem šavova nakon hidroformisanja, balansirajući troškove i zahteve za performansama.

• Gume izrađene od tankih nerđajućih čeliknih prašnjaka spojenih zavarivanjem po ivicama: Konstruisane su spajanjem tankih prašnjaka, pružajući kostoeffektivno rešenje za određene primene.

Kompletni detalji o dizajnu i performansama guma mogu se pronaći u EJMA standardima.

Jedan kraj gume je fiksiran spajanjem ga sa end plate vakuum prekidnika, dok je drugi kraj spajan sa pokretnim terminalom i kreće zajedno sa njim dok se kontakti otvaraju i zatvaraju. U vakuum prekidniku, gume podleže impulsnom kretanju tokom operacija kontakta. Brzina otvaranja pokretnog kontakta može brzo porasti od 0 m/s do do 2 m/s u manje od 100 µs. Na kraju kontaktnog hoda, bilo da se radi o otvaranju ili zatvaranju, pokretni kraj gume se iznenada zaustavlja.

Frekvencija ovih operacija otvaranja i zatvaranja varira u zavisnosti od ciklusa rada. U nekim slučajevima, one se mogu desiti mnogo puta, dok su u drugim rijetke. Kretanje preneseno na gume je daleko od uniformnog, i često se gume osciliraju više puta tokom jedne operacije otvaranja ili zatvaranja. Za one koji su zainteresovani za analizu ovog kretanja guma, razvijen je generalni analitički pristup za određivanje dinamičkih stresa koje gume iskušavaju pod impulsnim kretanjem.

Većina proizvođača vakuum prekidnika dobavlja svoje gume od dobro postavljenih proizvođača guma i saradnju sa njima kako bi dostigli željeno životno vreme guma. To se obično ostvaruje ugrađivanjem guma u praktičan vakuum prekidnik i izvršavanjem mehaničkih testova životnog veka na statistički značajnom broju uzoraka vakuum prekidnika. Moguće je tada dodeliti određeno mehaničko životno vreme vakuum prekidniku sa tim gumama koristeći Weibull analizu. Obično, granica mehaničkog životnog veka vakuum prekidnika određuje se brojem operacija koje gume mogu izdržati pre nego što dođe do umora materijala.

Kada se izvršavaju mehanički testovi vakuum prekidnika, ključno je da se gume podleže istim operativnim parametrima koje će se suočiti u uređaju za prekid. Ovi parametri uključuju ukupnu putovanju (operativni razmak plus prekoračenje), maksimalnu brzinu otvaranja, maksimalnu brzinu zatvaranja, i efekte akceleracije i dekeleracije. Testiranje guma unutar vakuum prekidnika osigurava da podleže svim proizvodnim koracima koje će dovršeni uređaj doživeti. Na primer, treba biti izložen svim grejanjima i hlađenjima potrebnim za proizvodnju vakuum prekidnika. Ovi procesi neizbežno će anneal metal gume, menjajući njegovu granularnu mikrostrukturu i, posledično, njegove performanse.

Mehaničko životno vreme specifične gume zavisi ne samo od gore navedenih operativnih parametara, već i od njihovih sopstvenih fizikalnih atributa. Ovi uključuju tip nerđajućeg čelika koji se koristi, njegovu dužinu, prečnik, debljinu, broj konveksija, i sposobnost da priguši kretanje kada se kontakt zaustavi. Je moguće dizajnirati gume koje mogu pouzdano izvršiti normalne 30.000 operacija potrebne za većinu vakuum prekidnika i vakuum ponovo zatvaralaca, i čak premašiti 10^6 operacija za vakuum kontaktore. Međutim, unatoč naporima proizvođača vakuum prekidnika da dizajniraju svoje proizvode da zadovoljavaju specificirano mehaničko životno vreme različitih uređaja za prekid, većina vakuum prekidnika ne dostiže svoje navedeno mehaničko životno vreme kada se upotrebljava na terenu.Za više informacija o razlozima neuspeha vakuum prekidnika (VIs), molimo pogledajte relevantan članak.

Dizajner vakuum prekidnika mora uzeti predostrožne mere kako bi sprečio korisnika da zakruti gume prilikom instalacije vakuum prekidnika u mehanizam. Zakrivena guma može imati značajno skraćeno mehaničko životno vreme, potencijalno manje od 1% od projektovanog životnog veka. Moment koji se može primeniti na tanke gume u vakuum prekidniku pre nego što dođe do trajnog zakrivljenja je relativno nizak, oko 8.5–11.5 Nm. Da bi se izbegao zakrivljenje gume, dizajner bi trebao uneti anti-zakrivljenje bušnu u nju. Ova bušna se može zaključati na mestu vezanjem na end plate prekidnika. Unutrašnja površina bušne je oblikovana ili ima ključnu cev kako bi se sprečilo rotiranje pokretnog bakarnog terminala vezanog za gume (kao što je prikazano na Slici 2). Materijal bušne može biti metal ili plastika poput Nylatrona. Kada se koriste plastike poput Nylatrona i Valox, potrebna je pažnja. Ovi materijali se mogu koristiti samo u aplikacijama gdje je maksimalna dozvoljena temperatura ograničena. Na primer, za Nylatron, temperatura na kojoj njegova tenzijska snaga pada na 50% nakon 100.000 sati je približno 125°C (može izdržati veće temperature za kratko vreme bez deformacije zbog sadržaja staklenih vlakana), a za Valox DR48, to je oko 140°C. Postoje i skuplje, visokotemperaturne plastike, poput "Ultem 2310 R."

Slika 2: Primeri Anti-zakrivljenje bušni za zaštitu guma

Materijal korišćen za ove anti-zakrivljenje bušne ima maksimalnu dozvoljenu temperaturu od približno 180°C. Može izdržati kratkotrajnu izlaganje (oko 1 sata) temperaturama premašujućim ovu granicu bez značajne deformacije.

Za vakuum prekidnike koji rade na višim naponima prekidnika, potreban je duži kontaktni hod. Na primer, na 72.5 kV, potreban je hod od približno 40 mm. Da bi se prilagodila ovom proširenom hodu, gume moraju biti proporcionalno proširene. Međutim, vrlo dugačke gume se ne otvaraju i ne zatvaraju uniformno. Umesto toga, teži da se trude tokom kretanja. Kao rezultat, unutrašnje konveksije guma mogu dirati bakarni (Cu) terminal. Ova trenje može značajno skratiti životni vek guma.

Da bi se rešila ova problema, razvijene su specijalizovane gume sa unutrašnjim padovima. Ovi padovi klize duž Cu terminala, minimizirajući istrošenje. Primer takvog dizajna gume je prikazan na Slici 3.