Bälges roll i vakuumavbrytare
Introduktion till vakuumavbrytare och bellow
Med teknologiska framsteg och ökande oro för den globala uppvärmningen har vakuumbrytare blivit en viktig fråga inom elektricitetsingenjörskonsten.
Framtidens elkraftnät ställer allt strängare krav på brytarnas kopplingsprestanda, med särskild betoning på högre kopplingshastigheter och utökad driftslängd. Inom mellanspanningsbrytare har vakuumavbrytare (VIs) fått ett brett genomslag. Detta beror på att användandet av vakuum som avbrytningsmedium erbjuder oöverträffade fördelar inom detta specifika tillämpningsområde. Vakuumavbrytaren är det kärnviktiga komponenten i en vakuumkretsutbrytare, och bellow spelar en avgörande och effektiv roll inom vakuumavbrytare.
Metallbellow konstrueras för att upprätthålla ett ultrahögvakuumslut samtidigt som de möjliggör den rörliga elektriska kontakten inom avbrytarfacket. Men den mekaniska livslängden hos en vakuumavbrytare begränsas huvudsakligen av så kallade vakumbellow. I framtida brytare kommer strävan efter snabbare kopplingar oundvikligen att resultera i högre dynamiska laster. Dessa laster kan orsaka bellowoscillationer med större amplitud, vilket signifikant minskar bellowens livslängd. Dessutom, med tanke på den förväntade ökningen av kopplingsfrekvensen i framtida elkraftnät, blir simulering av vakumbellow nödvändig för att optimera deras design och därmed förbättra den mekaniska livslängden hos vakuumavbrytare.
Bellowens roll i vakuumavbrytare
Bellow, vanligtvis tillverkade av tunna rostfria stålplåtar, är utformade för att underlätta öppning och stängning av kontakter samtidigt som de säkerställer bibehållande av ett vakuummiljö inuti avbrytaren.
Möjligheten att motstå trötthet hos bellow är en nyckelfaktor som bestämmer den mekaniska livslängden hos en vakuumavbrytare. Varje öppning och stängning av kontakter utsätter bellow för stress, särskilt de buktningar som ligger närmast ändarna. Förutom den direkta mekaniska stressen från driftsrörelsen upplever bellow också oscillationer efter drift när kontaktrörelsen upphör. Dessa oscillationer bidrar ytterligare till slitage och nötning av bellow, vilket accelererar dess nedbrytning över tid.
Figur 1 illustrerar en specifik typ av bellow för vakuumavbrytare tillverkad av Sigma-Netics-företaget.
Fig 1: Vakuumavbrytare bellow av Sigma-Netics företag
Den mekaniska livslängden hos vakuumavbrytare påverkas av flera kritiska kontaktrörelseparametrar:
Steady-state kontaktstroke eller gap: Detta bestämmer avståndet kontakterna separeras under drift, vilket påverkar elektrisk isolering och arcbrytande kapacitet.
Öppnings- och stängningshastighet: Snabbare hastigheter kan förbättra kopplingssprestandan men lägger också större dynamiska laster på komponenterna, inklusive bellow.
Rörelsedämpning vid slutet av öppnings- och stängningsrörelse: Tillräcklig dämpning är nödvändig för att minimera vibrationer och minska mekanisk stress på bellow och andra delar.
Överskott och återstuds vid öppning: Dessa fenomen kan orsaka ytterligare slitage och nötning på kontakterna och bellow, vilket potentiellt kan förkorta den totala livslängden.
Monteringsresilienz: Sättet på vilket vakuumavbrytaren monteras kan påverka krafternas fördelning under drift, vilket påverkar den mekaniska livslängden hos bellow.
Kontakt studs vid stängning: Överdriven kontakt studs kan leda till arcbildning och ökade belastningar på bellow, vilket försämrar dess prestanda över tid.
Bellow spelar en dubbelroll i vakuumavbrytare. De möjliggör rörelsen av den rörliga kontakten samtidigt som de upprätthåller ett vakuumtät slut. Konstruerade av rostfritt stål, vanligtvis med en tjocklek på cirka 150 µm, är de utformade för att klara av de hårda driftsförhållandena inom avbrytaren. Tre typer av bellow har framgångsrikt integrerats i vakuumavbrytardesigner:
Seamless hydroformed bellow: Dessa formas utan synliga sömmar, vilket potentiellt erbjuder förbättrad integritet och prestanda.
Seam-welded hydroformed bellow: Tillverkade genom att svetsa sömmar efter hydroforming, balanserar de kostnad och prestanda krav.
Bellow gjorda av edge-welded, tunna rostfria stålskivor: Konstruerade genom att svetsa tunt skivor ihop, ger de en kostnadseffektiv lösning för vissa tillämpningar.
Kompletta detaljer om bellowdesign och prestanda finns i EJMA-standarderna.
Ena änden av bellow fastnar säkert genom att lösa den till slutplåten på vakuumavbrytaren, medan den andra änden löses till den rörliga terminalen och rör sig tillsammans med den när kontakterna öppnas och stängs. I en vakuumavbrytare utsätts bellow för impulsartad rörelse under kontaktdrift. Öppningshastigheten för den rörliga kontakten kan snabbt öka från 0 m/s till upp till 2 m/s inom mindre än 100 µs. Vid slutet av kontaktrörelsen, antingen vid öppning eller stängning, kommer den rörliga änden av bellow plötsligt till stopp.
Frekvensen av dessa öppnings- och stängningsoperationer varierar beroende på driftcykeln. I vissa fall kan de inträffa många gånger, medan de i andra är sällsynta. Rörelsen som tillförs bellow är långt ifrån uniform, och det är vanligt att bellow oscillera flera gånger under en enda öppnings- eller stängningsoperation. För de intresserade av att analysera denna bellowrörelse har en generell analytisk metod utvecklats för att bestämma de dynamiska spänningarna som bellow utsätts för under impulsartad rörelse.
De flesta tillverkare av vakuumavbrytare hämtar sina bellow från välrenommerade bellowtillverkare och samarbetar med dem för att nå den önskade bellowlivslängden. Detta uppnås vanligtvis genom att integrera bellow i en praktisk vakuumavbrytare och utföra mekaniska livstest på ett statistiskt signifikant antal prov av vakuumavbrytare. En angiven mekanisk livslängd kan sedan tilldelas vakuumavbrytaren med den bellowen med hjälp av Weibull-analys. Vanligtvis bestäms den mekaniska livslängdsgrensen för en vakuumavbrytare av antalet operationer bellow kan stå ut innan trötthetsfel inträffar.
När man mekaniskt testar en vakuumavbrytare är det viktigt att utsätta bellow för samma driftsparametrar som den kommer att möta i en kopplingsenhet. Dessa parametrar inkluderar den totala resan (driftgap plus överresan), maximal öppningshastighet, maximal stängningshastighet, samt effekterna av acceleration och deceleration. Genom att testa bellow inom vakuumavbrytaren säkerställs att den utsätts för alla tillverkningssteg som den färdiga enheten kommer att uppleva. Till exempel bör den exponeras för alla uppvärmnings- och nedkylningscykler som krävs för tillverkning av vakuumavbrytare. Dessa processer kommer oundvikligen att anneala metallen i bellow, vilket ändrar dess granulära mikrostruktur och därmed dess prestandaegenskaper.
Den mekaniska livslängden för en specifik bellow beror inte bara på de ovan nämnda driftsparametrarna utan också på dess egna fysiska egenskaper. Dessa inkluderar typen rostfritt stål som används, dess längd, diameter, tjocklek, antalet buktningar, och dess förmåga att dämpa rörelse när kontakten slutar röra sig. Det är möjligt att designa bellow som pålitligt kan utföra de normala 30 000 operationer som krävs för de flesta vakuumbrytare och vakuumautomatiska återkopplingar, och även överstiga 10^6 operationer för vakuumkontakter. Trots vakuumavbrytartillverkarnas ansträngningar för att designa sina produkter för att uppfylla den angivna mekaniska livslängden för olika kopplingsenheter når de flesta vakuumavbrytare inte sin angivna mekaniska livslängd när de distribueras i fält.För mer insikter om orsakerna till fel hos vakuumavbrytare (VIs), vänligen se den relevanta artikeln.
Designern av vakuumavbrytare måste ta försiktighetsåtgärder för att förhindra användaren från att vrider bellow när vakuumavbrytaren installeras i en mekanism. En vrider bellow kan ha sin mekaniska livslängd drastiskt minskad, potentiellt till mindre än 1% av dess designad livslängd. Momentet som kan appliceras på den tunnväggade bellow i en vakuumavbrytare innan permanent vridering är relativt lågt, ungefär 8,5–11,5 Nm. För att undvika bellowvridering bör designern infoga en anti-vridering buske i den. Denna buske kan låsas fast genom att fästa den till slutplåten på avbrytaren. Innerväggen på busken är formad eller har en nyckelskåra för att förhindra rotation av den rörliga kopparterminalen som är fäst vid bellow (som visas i figur 2). Buskematerial kan vara metall eller plast som Nylatron. När plastmaterial som Nylatron och Valox används, måste man vara försiktig. Dessa material kan endast användas i tillämpningar där den maximala tillåtna temperaturen de utsätts för är begränsad. Till exempel, för Nylatron, är temperaturen vid vilken dess spänningsstyrka minskas till 50% efter 100 000 timmar ungefär 125°C (den kan stå emot högre temperaturer under korta perioder utan att deformera på grund av sitt glasfiberinnehåll), och för Valox DR48 är det runt 140°C. Det finns också mer dyra, högtemperaturplaster tillgängliga, som "Ultem 2310 R."
Fig 2: Exempel på Anti-vridering buskar för bellowskydd
Material som används för dessa anti-vridering buskar har en maximal tillåten temperatur på cirka 180°C. De kan stå emot kortvarig exponering (ca 1 timme) till temperaturer över denna gräns utan signifikant deformation.
För vakuumavbrytare som opererar vid högre brytarspänningar krävs en längre kontaktstroke. Till exempel vid 72,5 kV krävs en stroke på ungefär 40 mm. För att rymma denna utökade stroke måste bellow proportionellt förlängas. Men mycket långa bellow öppnar och stänger inte på ett jämnt sätt. Istället tenderar de att squirm under rörelse. Som en följd av detta kan de inre buktningarna i bellow gnida mot koppar (Cu) terminalen. Denna friktion kan betydande reducera bellowens livslängd.
För att hantera detta problem har specialiserade bellow med interna pad utvecklats. Dessa pad glider längs Cu-terminalerna, vilket minimerar slitage. Ett exempel på en sådan bellowdesign visas i figur 3.
