บทบาทของท่อระบายในตัวขัดขวางสุญญากาศ

การแนะนำเกี่ยวกับตัวตัดวงจรสูญญากาศและท่อสปริง

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและความกังวลเกี่ยวกับภาวะโลกร้อน วงจรตัดวงจรสูญญากาศได้กลายเป็นสิ่งที่สำคัญในการพิจารณาในวงการวิศวกรรมไฟฟ้า
ระบบพลังงานไฟฟ้าในอนาคตมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพในการสลับวงจรของวงจรตัดวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเร็วในการสลับวงจรที่สูงขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ในวงจรตัดวงจรแรงดันกลาง ตัวตัดวงจรสูญญากาศ (VIs) ได้รับความนิยมอย่างกว้างขวาง เนื่องจากใช้วงจรสูญญากาศเป็นสื่อในการตัดวงจร ซึ่งมีข้อดีที่ไม่สามารถหาได้ในช่วงการใช้งานนี้ ตัวตัดวงจรสูญญากาศเป็นส่วนประกอบหลักของวงจรตัดวงจรสูญญากาศ และท่อสปริงมีบทบาทที่สำคัญและมีประสิทธิภาพภายในตัวตัดวงจรสูญญากาศ

ท่อสปริงถูกออกแบบมาเพื่อรักษาความแน่นหนาของสูญญากาศระดับสูงสุด ในขณะเดียวกันก็ทำให้การเคลื่อนที่แบบแปลนของตัวติดต่อไฟฟ้าที่เคลื่อนไหวภายในห้องตัดวงจรเป็นไปได้ แต่ชีวิตการทำงานเชิงกลของตัวตัดวงจรสูญญากาศส่วนใหญ่ถูกจำกัดโดยท่อสปริงสูญญากาศ ในบริบทของวงจรตัดวงจรในอนาคต การแสวงหาความเร็วในการสลับวงจรที่รวดเร็วขึ้นจะทำให้เกิดโหลดประเภทแรงกระแทกด้านไดนามิกที่สูงขึ้น โหลดเหล่านี้สามารถทำให้ท่อสปริงเกิดการสั่นสะเทือนด้วยขนาดการแกว่งที่ใหญ่ขึ้น ทำให้อายุการใช้งานของท่อสปริงลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ เมื่อคาดการณ์ว่าความถี่ของการทำงานสลับวงจรในระบบพลังงานไฟฟ้าในอนาคตจะเพิ่มขึ้น การจำลองท่อสปริงสูญญากาศจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อปรับปรุงการออกแบบ และดังนั้นจึงเพิ่มชีวิตการทำงานเชิงกลของตัวตัดวงจรสูญญากาศ

บทบาทของท่อสปริงในตัวตัดวงจรสูญญากาศ

ท่อสปริง ซึ่งทำมาจากแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมบางๆ ถูกออกแบบมาเพื่ออำนวยความสะดวกในการเปิดและปิดตัวติดต่อ พร้อมกับรักษาสภาพสูญญากาศภายในตัวตัดวงจร
ความทนทานต่อการเหนื่อยล้าของท่อสปริงเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดชีวิตการทำงานเชิงกลของตัวตัดวงจรสูญญากาศ การเปิดและปิดตัวติดต่อแต่ละครั้งทำให้ท่อสปริงได้รับแรงกดดัน โดยเฉพาะที่ส่วนโค้งที่อยู่ใกล้ปลายท่อ นอกจากแรงกดดันจากการเคลื่อนที่ในการทำงานแล้ว ท่อสปริงยังได้รับแรงจากการสั่นสะเทือนหลังจากการเคลื่อนที่ของตัวติดต่อหยุดลง การสั่นสะเทือนเหล่านี้ทำให้ท่อสปริงเสื่อมสภาพเร็วขึ้นตามเวลา
รูปที่ 1 แสดงท่อสปริงประเภทหนึ่งสำหรับตัวตัดวงจรสูญญากาศที่ผลิตโดยบริษัท Sigma-Netics

รูปที่ 1: ท่อสปริงตัวตัดวงจรสูญญากาศของบริษัท Sigma-Netics

ชีวิตการทำงานเชิงกลของตัวตัดวงจรสูญญากาศถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์การเคลื่อนที่ของตัวติดต่อที่สำคัญหลายประการ:

• ระยะการเคลื่อนที่คงที่ของตัวติดต่อหรือช่องว่าง: กำหนดระยะที่ตัวติดต่อแยกออกจากกันระหว่างการทำงาน ซึ่งมีผลกระทบต่อความสามารถในการฉนวนไฟฟ้าและการดับอาร์กไฟฟ้า

• ความเร็วในการเปิดและปิด: ความเร็วที่สูงขึ้นสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการสลับวงจร แต่ก็ทำให้เกิดโหลดไดนามิกที่สูงขึ้นบนส่วนประกอบต่างๆ รวมถึงท่อสปริง

• การลดแรงกระแทกที่ปลายของการเปิดและปิด: การลดแรงกระแทกอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อลดการสั่นสะเทือนและลดแรงกดดันทางกลบนท่อสปริงและส่วนประกอบอื่นๆ

• การยืดเกินและกระแทกเมื่อเปิด: ปรากฏการณ์เหล่านี้สามารถทำให้เกิดการสึกหรอเพิ่มเติมบนตัวติดต่อและท่อสปริง ทำให้อายุการใช้งานโดยรวมสั้นลง

• ความยืดหยุ่นในการติดตั้ง: วิธีการติดตั้งตัวตัดวงจรสูญญากาศสามารถส่งผลต่อการกระจายแรงระหว่างการทำงาน ซึ่งมีผลกระทบต่อชีวิตการทำงานเชิงกลของท่อสปริง

• การกระแทกของตัวติดต่อเมื่อปิด: การกระแทกของตัวติดต่อที่มากเกินไปสามารถทำให้เกิดอาร์กไฟฟ้าและแรงกดดันที่สูงขึ้นบนท่อสปริง ทำให้ประสิทธิภาพลดลงตามเวลา

ท่อสปริงมีบทบาทคู่ขนานในตัวตัดวงจรสูญญากาศ พวกเขาทำให้การเคลื่อนที่ของตัวติดต่อที่เคลื่อนไหวเป็นไปได้ ในขณะเดียวกันก็รักษาความแน่นหนาของสูญญากาศ ท่อสปริงทำมาจากเหล็กกล้าไร้สนิม ทั่วไปมีความหนาประมาณ 150 µm พวกเขาถูกออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาพการทำงานที่ยากลำบากภายในตัวตัดวงจร มีสามประเภทของท่อสปริงที่ได้รับการผสานเข้ากับการออกแบบตัวตัดวงจรสูญญากาศ:

• ท่อสปริงแบบไม่มีรอยต่อที่ทำโดยการไฮโดรฟอร์ม: พวกเขามีรูปร่างโดยไม่มีรอยต่อที่เห็นได้ชัด อาจมีความสมบูรณ์และประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

• ท่อสปริงแบบมีรอยต่อที่ทำโดยการเชื่อมหลังจากไฮโดรฟอร์ม: ผลิตโดยการเชื่อมรอยต่อหลังจากไฮโดรฟอร์ม พวกเขาสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพที่ต้องการ

• ท่อสปริงที่ทำจากแหวนเหล็กกล้าไร้สนิมบางๆ ที่เชื่อมขอบ: สร้างโดยการเชื่อมแหวนบางๆ ด้วยกัน พวกเขาให้โซลูชันที่ประหยัดต้นทุนสำหรับบางแอปพลิเคชัน

รายละเอียดที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการออกแบบและประสิทธิภาพของท่อสปริงสามารถพบได้ในมาตรฐาน EJMA

ปลายหนึ่งของท่อสปริงถูกตรึงอย่างมั่นคงโดยการเชื่อมบราซิ่งกับแผ่นปลายของตัวตัดวงจรสูญญากาศ ส่วนปลายอื่นๆ ถูกเชื่อมบราซิ่งกับเทอร์มินัลที่เคลื่อนไหวและเคลื่อนที่พร้อมกับมันเมื่อตัวติดต่อเปิดและปิด ในตัวตัดวงจรสูญญากาศ ท่อสปริงถูกกระทำด้วยการเคลื่อนที่แบบกระตุกในระหว่างการทำงานของตัวติดต่อ ความเร็วในการเปิดตัวติดต่อที่เคลื่อนไหวสามารถเพิ่มขึ้นจาก 0 m/s ถึง 2 m/s ในเวลาไม่เกิน 100 µs ที่ปลายของการเคลื่อนที่ของตัวติดต่อ ไม่ว่าจะเปิดหรือปิด ปลายที่เคลื่อนไหวของท่อสปริงจะหยุดอย่างกะทันหัน

ความถี่ของการเปิด-ปิดนี้แตกต่างกันขึ้นอยู่กับรอบการทำงาน ในบางกรณี พวกเขาสามารถเกิดขึ้นหลายครั้ง ในขณะที่ในบางกรณี พวกเขาหายาก การเคลื่อนที่ที่ถูกส่งผ่านไปยังท่อสปริงไม่ได้สม่ำเสมอ และมันเป็นเรื่องปกติที่ท่อสปริงจะสั่นสะเทือนหลายครั้งในระหว่างการเปิดหรือปิดครั้งเดียว สำหรับผู้ที่สนใจในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของท่อสปริง วิธีการวิเคราะห์ทั่วไปได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อกำหนดแรงกดดันแบบไดนามิกที่ท่อสปริงประสบในระหว่างการเคลื่อนที่แบบกระตุก

ผู้ผลิตตัวตัดวงจรสูญญากาศส่วนใหญ่ซื้อท่อสปริงจากผู้ผลิตท่อสปริงที่มีชื่อเสียงและร่วมมือกับพวกเขาเพื่อให้ได้ชีวิตการทำงานของท่อสปริงตามที่ต้องการ นี่มักจะทำโดยการนำท่อสปริงมาใช้ในตัวตัดวงจรสูญญากาศที่ปฏิบัติงานและทำการทดสอบชีวิตการทำงานเชิงกลบนตัวอย่างตัวตัดวงจรสูญญากาศจำนวนที่มีนัยสำคัญทางสถิติ จากนั้นสามารถกำหนดชีวิตการทำงานเชิงกลให้กับตัวตัดวงจรสูญญากาศที่มีท่อสปริงนั้นโดยใช้การวิเคราะห์ Weibull ทั่วไป ชีวิตการทำงานเชิงกลที่จำกัดของตัวตัดวงจรสูญญากาศถูกกำหนดโดยจำนวนการดำเนินการที่ท่อสปริงสามารถทนทานได้ก่อนที่จะเกิดความเหนื่อยล้า

เมื่อทดสอบตัวตัดวงจรสูญญากาศเชิงกล เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องทำให้ท่อสปริงเผชิญกับพารามิเตอร์การทำงานที่เหมือนกับที่จะพบในอุปกรณ์สลับวงจร พารามิเตอร์เหล่านี้รวมถึงระยะทางทั้งหมด (ช่องว่างในการทำงานบวกกับระยะทางที่เกิน), ความเร็วสูงสุดในการเปิด, ความเร็วสูงสุดในการปิด, และผลกระทบของความเร่งและชะลอตัว การทดสอบท่อสปริงภายในตัวตัดวงจรสูญญากาศทำให้ท่อสปริงผ่านกระบวนการผลิตทั้งหมดที่อุปกรณ์สำเร็จรูปจะผ่าน เช่น ควรสัมผัสกับวงจรการทำความร้อนและเย็นทั้งหมดที่จำเป็นในการผลิตตัวตัดวงจรสูญญากาศ กระบวนการเหล่านี้จะทำให้โลหะของท่อสปริงอ่อนตัวลง ทำให้โครงสร้างอนุภาคเปลี่ยนแปลง และดังนั้นประสิทธิภาพของท่อสปริงก็เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย

ชีวิตการทำงานของท่อสปริงเฉพาะตัวไม่ได้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การทำงานที่กล่าวถึงข้างต้นเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของตัวเอง ซึ่งรวมถึงชนิดของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ใช้, ความยาว, ความกว้าง, ความหนา, จำนวนของส่วนโค้ง, และความสามารถในการลดแรงกระแทกเมื่อตัวติดต่อหยุดเคลื่อนที่ เป็นไปได้ที่จะออกแบบท่อสปริงที่สามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้สำหรับการดำเนินการ 30,000 ครั้งที่ต้องการสำหรับวงจรตัดวงจรสูญญากาศและวงจรตัดวงจรสูญญากาศที่เปิดใหม่ และแม้กระทั่งเกิน 10^6 ครั้งสำหรับวงจรติดต่อสูญญากาศ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าผู้ผลิตตัวตัดวงจรสูญญากาศพยายามออกแบบผลิตภัณฑ์ของตนเพื่อให้ตรงกับชีวิตการทำงานเชิงกลที่ระบุของอุปกรณ์สลับวงจรต่างๆ แต่ตัวตัดวงจรสูญญากาศส่วนใหญ่ไม่ได้ถึงชีวิตการทำงานที่ระบุเมื่อใช้งานในสนามสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับสาเหตุของการล้มเหลวของตัวตัดวงจรสูญญากาศ (VIs) กรุณาอ้างอิงบทความที่เกี่ยวข้อง

ผู้ออกแบบตัวตัดวงจรสูญญากาศต้องระวังเพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ใช้บิดท่อสปริงเมื่อติดตั้งตัวตัดวงจรสูญญากาศเข้ากับกลไก ท่อสปริงที่บิดจะมีชีวิตการทำงานเชิงกลลดลงอย่างมาก อาจน้อยกว่า 1% ของชีวิตการทำงานที่ออกแบบไว้ แรงบิดที่สามารถนำไปใช้กับท่อสปริงที่มีผนังบางในตัวตัดวงจรสูญญากาศก่อนที่จะบิดอย่างถาวรค่อนข้างต่ำ ประมาณ 8.5-11.5 Nm เพื่อป้องกันการบิดท่อสปริง ผู้ออกแบบควรใส่ชิ้นส่วนป้องกันการบิดเข้าไปในท่อสปริง ชิ้นส่วนนี้สามารถล็อคไว้ในที่โดยการติดตั้งกับแผ่นปลายของตัวตัดวงจร ผิวภายในของชิ้นส่วนนี้มีรูปร่างหรือมีช่องสำหรับป้องกันการหมุนของเทอร์มินัลทองแดงที่เคลื่อนไหวที่ติดตั้งกับท่อสปริง (ดังแสดงในรูปที่ 2) วัสดุของชิ้นส่วนป้องกันการบิดสามารถเป็นโลหะหรือพลาสติก เช่น Nylatron ในการใช้วัสดุพลาสติก เช่น Nylatron และ Valox ต้องระวัง วัสดุเหล่านี้สามารถใช้ได้เฉพาะในแอปพลิเคชันที่อุณหภูมิสูงสุดที่พวกเขาจะเผชิญหน้าถูกจำกัด ตัวอย่างเช่น สำหรับ Nylatron อุณหภูมิที่แรงดึงลดลงเหลือ 50% หลังจาก 100,000 ชั่วโมงคือประมาณ 125°C (สามารถทนอุณหภูมิสูงขึ้นได้เป็นระยะเวลาสั้น ๆ โดยไม่เปลี่ยนรูปเนื่องจากมีเนื้อแก้ว) และสำหรับ Valox DR48 คือประมาณ 140°C มีพลาสติกที่มีอุณหภูมิสูงและแพงกว่า เช่น "Ultem 2310 R"

รูปที่ 2: ตัวอย่างของชิ้นส่วนป้องกันการบิดสำหรับการป้องกันท่อสปริง

วัสดุที่ใช้สำหรับชิ้นส่วนป้องกันการบิดเหล่านี้มีอุณหภูมิสูงสุดที่ยอมรับได้ประมาณ 180°C สามารถทนต่อการสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงกว่านี้ในระยะสั้น (ประมาณ 1 ชั่วโมง) โดยไม่เปลี่ยนรูปอย่างมีนัยสำคัญ

สำหรับตัวตัดวงจรสูญญากาศที่ทำงานที่แรงดันวงจรตัดวงจรที่สูงขึ้น จำเป็นต้องมีการเคลื่อนที่ของตัวติดต่อที่ยาวขึ้น ตัวอย่างเช่น ที่ 72.5 kV จำเป็นต้องมีการเคลื่อนที่ประมาณ 40 มม. เพื่อรองรับการเคลื่อนที่ที่ยาวขึ้น ท่อสปริงต้องขยายความยาวอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตาม ท่อสปริงที่ยาวมากไม่เปิดและปิดอย่างสม่ำเสมอ แทนที่จะมีการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือน ทำให้ส่วนโค้งภายในของท่อสปริงอาจสัมผัสกับเทอร์มินัลทองแดง (Cu) การเสียดสีนี้สามารถลดอายุการใช้งานของท่อสปริงได้อย่างมาก

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ท่อสปริงพิเศษที่มีแผ่นรองภายในได้ถูกพัฒนาขึ้น แผ่นรองเหล่านี้เลื่อนไปตามเทอร์มินัล Cu ลดการสึกหรอ ตัวอย่างของการออกแบบท่อสปริงเช่นนี้แสดงในรูปที่ 3