Papel ng bellows sa vacuum interrupters

Pakilala sa Vacuum Interrupters at Bellows

Sa paglipas ng panahon at dahil sa pagtaas ng pag-aalala sa global warming, ang mga vacuum circuit breakers ay naging mahalagang konsiderasyon sa larangan ng elektrikal na inhenyeriya.
Ang mga future power grids ay naglalayong magkaroon ng mas mahigpit na mga pamantayan sa switching performance ng mga circuit breakers, lalo na sa mas mabilis na switching speeds at mas mahabang operational lifetimes. Sa medium-voltage circuit breakers, ang mga vacuum interrupters (VIs) ay naging malawakang pinili. Ito ay dahil ang paggamit ng vacuum bilang interrupting medium ay nagbibigay ng walang katulad na mga abilidad sa tiyak na application range. Ang vacuum interrupter ay ang pangunahing komponente ng isang vacuum circuit breaker, at ang bellows ay may mahalagang papel sa loob ng vacuum interrupters.

Ang metal bellows ay disenyo upang panatilihin ang ultra-high vacuum seal habang pinapayagan ang translational movement ng moving electrical contact sa loob ng interrupter chamber. Gayunpaman, ang mekanikal na lifespan ng isang vacuum interrupter ay pangunahing limitado ng tinatawag na vacuum bellows. Sa konteksto ng future circuit breakers, ang pagsisikap para sa mas mabilis na switching speeds ay makakapagresulta ng mas mataas na dynamic impact-type loads. Ang mga load na ito ay maaaring magtrigger ng mas malaking amplitudes ng bellows oscillations, na siyang makakapagbawas ng lifespan ng bellows. Bukod dito, dahil sa inaasahang pagtaas ng frequency ng switching operations sa future power grids, ang simulation ng vacuum bellows ay naging indispensable para i-optimize ang kanilang disenyo at, bilang resulta, mapabuti ang mekanikal na lifespan ng vacuum interrupters.

Ang Papel ng Bellows sa Vacuum Interrupters

Ang mga bellows, karaniwang gawa sa thin stainless-steel sheets, ay disenyo upang payagan ang pagbubukas at pagsasara ng contacts habang sinisigurado ang pagpanatili ng vacuum environment sa loob ng interrupter.
Ang fatigue resistance ng bellows ay isang pangunahing factor na nagpapasiya sa mekanikal na buhay ng isang vacuum interrupter. Bawat operasyon ng pagbubukas at pagsasara ng contacts ay nagpapaharap ng stress sa bellows, lalo na sa mga convolutions na nasa pinakamalapit sa dulo. Bukod sa direktang mekanikal na stress mula sa operasyonal na galaw, ang bellows din ay nakakaranas ng post-operation oscillations kapag natapos na ang contact motion. Ang mga oscillations na ito ay nagdudulot ng dagdag na wear and tear sa bellows, na nagpapabilis ng pagkasira nito sa paglipas ng panahon.
Ipinaliwanag sa Figure 1 ang isang tiyak na uri ng bellows para sa vacuum interrupters na ginawa ng Sigma-Netics company.

Fig 1: Vacuum Interrupter Bellows by Sigma-Netics compan

Ang mekanikal na buhay ng vacuum interrupters ay malaki ang naiimpluwensyahan ng ilang critical contact motion parameters:

• Steady-state contact stroke o gap: Ito ang nagpapasiya sa layo ng separation ng contacts sa panahon ng operasyon, na may impluwensya sa electrical insulation at arc-extinguishing capabilities.

• Opening at closing speed: Mas mabilis na speeds ay maaaring mapabuti ang switching performance, ngunit nagbibigay rin ng mas malaking dynamic loads sa mga komponente, kasama ang bellows.

• Motion damping sa end ng opening at closing stroke: Sapat na damping ay mahalaga upang mabawasan ang vibrations at mekanikal na stress sa bellows at iba pang bahagi.

• Overshoot at rebound sa pagbubukas: Ang mga phenomena na ito ay maaaring magdulot ng dagdag na wear and tear sa contacts at bellows, na maaaring maiksi ang kabuuang lifespan.

• Mounting resilience: Ang paraan ng pag-mount ng vacuum interrupter ay maaaring makaapekto sa distribution ng forces sa panahon ng operasyon, na may impluwensya sa mekanikal na buhay ng bellows.

• Contact bouncing sa pagsasara: Excessive contact bouncing ay maaaring magdulot ng arcing at mas mataas na stress sa bellows, na nagpapabilis ng pagkasira nito sa paglipas ng panahon.

Ang bellows ay may dual-role sa vacuum interrupters. Sila ay nagbibigay ng paggalaw sa moving contact habang sinisigurado ang vacuum-tight seal. Gawa sila sa stainless steel, karaniwang may thickness ng humigit-kumulang 150 µm, at disenyo upang matiis ang harsh operating conditions sa loob ng interrupter. Tatlong uri ng bellows ang matagumpay na na-integrate sa vacuum interrupter designs:

• Seamless hydroformed bellows: Ang mga ito ay nabuo nang walang visible seams, na maaaring magbigay ng enhanced integrity at performance.

• Seam-welded hydroformed bellows: Ginawa sila sa pamamagitan ng pagweld ng seams pagkatapos ng hydroforming, na nagbabalance ng cost at performance requirements.

• Bellows gawa sa edge-welded, thin stainless-steel washers: Nabuo sila sa pamamagitan ng pagweld ng thin washers, na nagbibigay ng cost-effective solution para sa ilang applications.

Comprehensive details regarding bellows design and performance can be found in the EJMA Standards.

Ang isang dulo ng bellows ay ligtas na nakafix sa pamamagitan ng brazing ito sa end plate ng vacuum interrupter, samantalang ang kabilang dulo ay nakabrazed sa moving terminal at gumagalaw kasabay nito habang ang contacts ay binubuksan at isinasara. Sa isang vacuum interrupter, ang bellows ay nakakaranas ng impulsive motion sa panahon ng contact operations. Ang opening speed ng moving contact maaaring mabilisan mula 0 m/s hanggang 2 m/s sa loob ng less than 100 µs. Sa dulo ng contact stroke, kung binubuksan o isinasara, ang moving end ng bellows ay biglang tumitigil.

Ang frequency ng mga open-close operations ay nag-iiba depende sa duty cycle. Sa ilang kaso, maaaring mangyari sila maraming beses, habang sa iba, sila ay bihira. Ang motion na ipinapasa sa bellows ay hindi uniform, at karaniwan para sa bellows na mag-oscillate maraming beses sa isang tanging opening o closing operation. Para sa mga interesado sa pag-analyze ng bellows motion, isang general analytical approach ang naimpluwensya upang matukoy ang dynamic stresses na nakakaranas ng bellows sa panahon ng impulsive motion.

Karamihan sa mga vacuum interrupter manufacturers ay bumibili ng kanilang bellows mula sa well-established bellows manufacturers at nag-co-collaborate sa kanila upang makamit ang desired bellows lifespan. Karaniwan itong naitatamo sa pamamagitan ng pag-integrate ng bellows sa isang practical vacuum interrupter at pag-conduct ng mechanical life tests sa statistically significant number of vacuum interrupter samples. Isang specified mechanical life ay maaaring mailagay sa vacuum interrupter na may ganitong bellows gamit ang Weibull analysis. Karaniwan, ang mechanical life limit ng isang vacuum interrupter ay naka-determine sa bilang ng operations na maaaring tiisin ng bellows bago magkaroon ng fatigue failure.

Kapag mechanically testing ang isang vacuum interrupter, mahalaga na isubject ang bellows sa parehong operating parameters na ito ay makakaranas sa isang switching device. Ang mga parameter na ito ay kinabibilangan ng total travel (operating gap plus over-travel), maximum opening speed, maximum closing speed, at ang epekto ng acceleration at deceleration. Ang testing ng bellows sa loob ng vacuum interrupter ay nagse-sure na ito ay dadaanan lahat ng manufacturing steps na idinaraan ng finished device. Halimbawa, dapat itong ma-expose sa lahat ng heating at cooling cycles na kinakailangan para sa vacuum interrupter manufacturing. Ang mga proseso na ito ay inevitably anneal ang metal ng bellows, na nagbabago ng granular microstructure nito at, bilang resulta, ang performance characteristics nito.

Ang mechanical life ng isang specific bellows ay depende hindi lamang sa nabanggit na operating parameters kundi pati na rin sa kanyang sariling physical attributes. Ang mga ito ay kinabibilangan ng tipo ng stainless steel na ginamit, ang length, diameter, thickness, ang bilang ng convolutions, at ang kanyang kakayahan na dampen ang motion kapag ang contact ay tumigil na. Posible na disenyo ang mga bellows na maaaring reliably perform ang normal 30,000 operations na kinakailangan para sa karamihan ng vacuum circuit breakers at vacuum reclosers, at maging lumampas sa 10^6 operations para sa vacuum contactors. Gayunpaman, bagama't ang mga vacuum interrupter manufacturers ay nagpupursige na disenyo ang kanilang produkto upang makatugon sa specified mechanical life ng iba't ibang switching devices, karamihan sa mga vacuum interrupters ay hindi nakakamit ang kanilang stated mechanical life kapag nailapat sa field.Para sa mas maraming insights tungkol sa failure reasons ng Vacuum Interrupters (VIs), mangyaring basahin ang relevant article.

Ang vacuum interrupter designer ay dapat magpain ng precautions upang maiwasan ang user na mag-twist ng bellows kapag ininstall ang vacuum interrupter sa isang mechanism. Ang isang twisted bellows ay maaaring mapababa ang mechanical life nito, posibleng hanggang sa 1% ng designed lifespan nito. Ang torque na maaaring ma-apply sa thin-walled bellows sa isang vacuum interrupter bago mag-permanent twisting ay relatibong mababa, humigit-kumulang 8.5-11.5 Nm. Upang maiwasan ang bellows twisting, ang designer dapat ilagay ang anti-twisting bushing. Ang bushing na ito ay maaaring ilock sa lugar sa pamamagitan ng pag-attach nito sa end plate ng interrupter. Ang inner surface ng bushing ay may shape o keyway upang maiwasan ang anumang rotation ng moving copper terminal na nakakabit sa bellows (tulad ng ipinapakita sa Figure 2). Ang material ng bushing ay maaaring metal o plastic tulad ng Nylatron. Kapag ginagamit ang plastic materials tulad ng Nylatron at Valox, kailangan ng pag-iingat. Ang mga material na ito ay maaaring gamitin lamang sa mga application kung saan ang maximum permissible temperature na ito ay limited. Halimbawa, para sa Nylatron, ang temperatura kung saan ang tensional strength nito ay binabawasan sa 50% pagkatapos ng 100,000 hours ay humigit-kumulang 125°C (maaari itong matiis ng mas mataas na temperatura sa maikling panahon nang hindi de-form dahil sa glass fiber content nito), at para sa Valox DR48, ito ay humigit-kumulang 140°C. Mayroon ding mas mahal at mas mataas na temperatura na plastics, tulad ng "Ultem 2310 R."

Fig 2: Examples of Anti-twist Bushings for Bellow Protection

Ang material na ginagamit para sa mga anti-twist bushings ay may maximum permissible temperature na humigit-kumulang 180°C. Maaari itong matiis ang maikling panahon (humigit-kumulang 1 hour) ng exposure sa temperatura na lumampas sa limit na ito nang walang significant deformation.

Para sa mga vacuum interrupters na nag-ooperate sa mas mataas na circuit-breaker voltages, kinakailangan ng mas mahabang contact stroke. Halimbawa, sa 72.5 kV, kinakailangan ng stroke na humigit-kumulang 40 mm. Upang ma-accommodate ang extended stroke, ang bellows ay dapat proportionally lengthened. Gayunpaman, ang napakahabang bellows ay hindi uniform na binubuksan at isinasara. Sa halip, sila ay tend to squirm sa panahon ng movement. Bilang resulta, ang inner convolutions ng bellows ay maaaring mag-rub sa copper (Cu) terminal. Ang friction na ito ay maaaring substantially reduce ang lifespan ng bellows.

Upang tugunan ang issue na ito, ang specialized bellows na may internal pads ay naimpluwensya. Ang mga pad na ito ay slide along sa Cu terminals, na minamaliit ang wear and tear. Isang halimbawa ng ganitong disenyo ng bellows ay ipinaliwanag sa Figure 3.