Belliğin vakum kesicilerindeki rolü

Vakum Kesici ve Zımbalara Giriş

Teknolojik gelişmeler ve küresel ısınma endişeleriyle birlikte, vakum devre kesicileri elektrik mühendisliği alanında önemli bir konu haline gelmiştir.
Gelecekteki güç ağları, devre kesicilerin anahtarlama performansına giderek daha sıkı talepler sunmaktadır. Özellikle daha yüksek anahtarlama hızları ve uzun çalışma ömrüne vurgu yapılıyor. Orta gerilimli devre kesicilerde, vakum kesici (VK)ler yaygın tercih görmüştür. Bu, vakumu kesme ortamı olarak kullanmanın bu belirli uygulama aralığında eşsiz avantajları sağladığından kaynaklanmaktadır. Vakum kesici, vakum devre kesicisinin çekirdek bileşenidir ve zımbalar vakum kesiciler içinde kritik ve etkili bir rol oynar.

Metal zımbalar, vakum kesici odasındaki hareket eden elektriksel temasın yer değiştirmesini mümkün kılarak aynı zamanda ultra yüksek vakum sızdırmazlığı korur. Ancak, bir vakum kesicinin mekanik ömrü çoğunlukla "vakum zımbası" olarak adlandırılan bileşene bağlıdır. Gelecekteki devre kesiciler bağlamında, daha hızlı anahtarlama hızlarının takip edilmesi, daha yüksek dinamik darbe tipi yüklerin kaçınılmaz olarak ortaya çıkmasına neden olacaktır. Bu yükler, zımbaların daha büyük genliklerde salınmasına neden olabilir ve bu da zımbaların ömrünü önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, gelecekteki güç ağlarında anahtarlama işlemlerinin sıklığının artması beklentisiyle birlikte, vakum zımbalarının simülasyonu, tasarımını optimize etmek ve dolayısıyla vakum kesicilerin mekanik ömrünü artırmak için vazgeçilmez hale gelmiştir.

Zımbaların Vakum Kesicilerdeki Rolü

Zımbalar, ince paslanmaz çelik levhalarından yapılmış olup, temasların açılıp kapandığı sırada vakum kesicinin iç ortamında vakum durumunu koruyacak şekilde tasarlanmıştır.
Zımbaların yorulma direnci, bir vakum kesicinin mekanik ömrünü belirleyen kilit faktörlerden biridir. Her temas açma ve kapatma işlemi, özellikle uçlara yakın olan katmanlarda, zımbalara stres uygular. İşlem sırasında doğrudan mekanik stres dışında, temas hareketi sona erdiğinde zımbalar ayrıca operasyon sonrası salınım deneyimler. Bu salınım, zımbaların aşınmasını hızlandırarak zamanla onların bozulmasına katkıda bulunur.
Şekil 1, Sigma-Netics şirketi tarafından üretilen belirli bir tür vakum kesici zımbasını göstermektedir.

Şekil 1: Sigma-Netics Şirketinden Vakum Kesici Zımbası

Vakum kesicilerin mekanik ömrü, birkaç kritik temas hareket parametresi tarafından önemli ölçüde etkilidir:

• Durağan temas vuruşu veya boşluk: Bu, çalışırken temaların ayrılacak mesafeyi belirler ve elektrik yalıtımı ile ark söndürme yeteneklerini etkiler.

• Açma ve kapatma hızı: Daha hızlı hızlar anahtarlama performansını artırabilir, ancak aynı zamanda zımbalar dahil bileşenlere daha büyük dinamik yükler uygular.

• Açma ve kapatma vuruşunun sonundaki hareket dämpingi: Yeterli dämping, titreşimleri azaltmak ve zımbalar ve diğer parçalardaki mekanik stresi azaltmak için önemlidir.

• Açma esnasındaki aşırı gidiş ve geri dönüş: Bu fenomenler, temalar ve zımbalar üzerinde ek aşınma ve yıpranma oluşturabilir, bu da toplam ömrü kısaltabilir.

• Montaj dayanıklılığı: Vakum kesicinin monte ediliş şekli, çalışırken kuvvet dağılımını etkileyebilir ve zımbaların mekanik ömrünü etkileyebilir.

• Kapatma esnasındaki temas sıçraması: Aşırı temas sıçraması, ark oluşmasına ve zımbalar üzerindeki stresi artırarak, zamanla performansını düşürür.

Zımbalar, vakum kesicilerde çift rol oynar. Hareket eden temasın hareket etmesini sağlarlar ve aynı zamanda vakum sıkıştırılmasını korurlar. Genellikle yaklaşık 150 µm kalınlıkta paslanmaz çelikten yapılmış olan zımbalar, kesicideki sert çalışma koşullarına dayanabilmek için tasarlanmıştır. Üç tür zımba, vakum kesici tasarımlarına başarıyla entegre edilmiştir:

• Dikişsiz hidroform zımbalar: Görünür dikişler olmadan formlanmış olanlar, potansiyel olarak daha iyi bütünlük ve performans sağlayabilir.

• Dikişli hidroform zımbalar: Hidroforme işlem sonrası dikişlenerek üretilenler, maliyet ve performans gereksinimleri arasında dengeler.

• İnce paslanmaz çelik lavabolarından kenar dikişli zımbalar: İnce lavabolar birleştirilerek yapılmış olanlar, belirli uygulamalar için maliyet etkin bir çözüm sağlar.

Zımba tasarımı ve performansı hakkında kapsamlı bilgiler EJMA Standartlarında bulunabilir.

Zımbaların bir ucu, vakum kesicinin uç plakasına bronzlama ile sabitlenirken, diğer ucu hareket eden terminaline bronzlanır ve temasların açılıp kapandığı sırada beraber hareket eder. Vakum kesicide, zımbalar temas işlemleri sırasında ani hareketlere maruz kalır. Hareket eden temanın açma hızı, 100 µs içinde 0 m/s'den 2 m/s'ye kadar hızlıca artabilir. Temas vuruşunun sonunda, açma veya kapatma olması bağımsız olarak, zımbaların hareket eden ucunda ani bir durma gerçekleşir.

Bu aç-kapa işlemlerinin sıklığı, çalışma döngüsüne bağlı olarak değişir. Bazı durumlarda birçok kez, bazı durumlarda ise nadiren gerçekleşebilir. Zımbalara uygulanan hareket oldukça düzensizdir ve tek bir açma veya kapatma işlemi sırasında zımbaların birkaç kez salınması yaygındır. Zımba hareketini analiz etmek isteyenler için, ani hareket altında zımbaların yaşadığı dinamik stresleri belirlemek için genel bir analitik yaklaşım geliştirilmiştir.

Çoğu vakum kesici üreticisi, zımbalarını kurumsal zımba üreticilerinden alır ve belirli bir zımba ömrünü elde etmek için onlarla işbirliği yapar. Bu genellikle, zımbayı pratik bir vakum kesiciye entegre ederek ve istatistiksel olarak anlamlı sayıda vakum kesici örneği üzerinde mekanik ömür testleri yaparak gerçekleştirilir. Weibull analizi kullanılarak, belirli bir zımba ile vakum kesicisine belirli bir mekanik ömür atanabilir. Genellikle, bir vakum kesicinin mekanik ömür sınırı, zımbanın yorulma başarısızlığına uğrayana kadar dayanabileceği işlem sayısına göre belirlenir.

Bir vakum kesicisini mekanik olarak test etmek, zımbaların anahtarlama cihazında karşılaşacağı aynı çalışma parametrelerine maruz bırakılması gerektiği anlamına gelir. Bu parametreler, toplam seyahat (çalışma boşluğu artı aşırı seyahat), maksimum açma hızı, maksimum kapatma hızı ve ivme ile dekelerasyon etkilerini içerir. Zımbaları vakum kesicisinde test etmek, bitmiş cihazın geçeceği tüm üretim adımlarını gerçekleştirdiğinden emin olmayı sağlar. Örneğin, vakum kesicisi üretiminde gerekli olan tüm ısıtma ve soğutma döngülerine maruz kalmalıdır. Bu süreçler, zımbanın metallerini yumuşatacak, granüler mikroyapısını değiştirerek ve sonuç olarak performans özelliklerini etkileyecektir.

Belirli bir zımbanın mekanik ömrü, yukarıda bahsedilen çalışma parametrelerine ek olarak, kendi fiziksel özelliklerine de bağlıdır. Bunlar, kullanılan paslanmaz çeliğin türü, uzunluğu, çapı, kalınlığı, katman sayısı ve temas durdurulduktan sonra hareketi dämplemesi yeteneğini içerir. Normalde çoğu vakum devre kesicisi ve vakum yeniden kapatan için gerekli olan 30.000 işlemi güvenle gerçekleştirebilecek zımbalar tasarlanabilir ve hatta vakum kontaktörleri için 10^6 işlemi aşabilir. Ancak, vakum kesici üreticilerinin çeşitli anahtarlama cihazlarının belirli mekanik ömrünü karşılamak üzere ürünlerini tasarlamalarına rağmen, çoğu vakum kesici, alanlarda dağıtıldığında belirtilen mekanik ömrünü ulaşamaz.Vakum Kesicilerin (VK) başarısızlık nedenleri hakkında daha fazla bilgi için ilgili makaleye başvurunuz.

Vakum kesici tasarımcısı, kullanıcıdan vakum kesicisini bir mekanizmaya monte ederken zımbaları bükmemesi için önlemler almalıdır. Bükülmüş bir zımbanın mekanik ömrü, tasarlanmış ömrünün %1'inin altına düşebilir. Bir vakum kesicide ince duvarlı zımbalara uygulanabilen tork, yaklaşık 8.5-11.5 Nm'dır. Zımbaların bükülmesini önlemek için tasarımcı, zımbaya bir dönmeme sürgüsü yerleştirmelidir. Bu sürgü, kesicinin uç plakasına bağlanarak yerinde kilitleyilebilir. Sürgünün iç yüzeyi, zımbalara bağlı hareket eden bakır terminalin (Şekil 2'de gösterildiği gibi) herhangi bir dönüşünü engellemek için şekillendirilmiş veya anahtar yolu şeklinde olabilir. Sürgü malzemesi metal veya Nylatron gibi plastik olabilir. Nylatron ve Valox gibi plastik malzemelerin kullanılmasında dikkatli olunmalıdır. Bu malzemeler, en yüksek izin verilen sıcaklıklarını sınırlı uygulamalarda kullanılabilmektedir. Örneğin, Nylatron'un 100.000 saat sonra çekme dayanımının %50'ye düşdüğü sıcaklık yaklaşık 125°C'dir (kısa süreli yüksek sıcaklıklara cam lifi içeriği sayesinde deformasyonsuz dayanabilir) ve Valox DR48 için yaklaşık 140°C'dir. Ayrıca, "Ultem 2310 R" gibi daha pahalı, daha yüksek sıcaklıklı plastikler de mevcuttur.

Şekil 2: Zımba Koruması İçin Anti-Twist Sürgü Örnekleri

Bu dönmeme sürgüleri için kullanılan malzemenin en yüksek izin verilen sıcaklığı yaklaşık 180°C'dir. Bu limiti aşan sıcaklıklara kısa süreli (yaklaşık 1 saat) maruz kalabilmektedir ve önemli bir deformasyon olmadan dayanabilir.

Daha yüksek devre kesici gerilimlerinde çalışan vakum kesiciler için daha uzun bir temas vuruşu gerekir. Örneğin, 72.5 kV'de yaklaşık 40 mm'lik bir vuruş gerekmektedir. Bu uzun vuruşu acommodate etmek için, zımbalar orantılı olarak uzatılmalıdır. Ancak, çok uzun zımbalar düzgün bir şekilde açılmayıp kapanmaz. Bunun yerine, hareket sırasında dalgalanırlar. Sonuç olarak, zımbaların iç katmanları bakır (Cu) terminaline sürtünerek, bu sürtünme zımbaların ömrünü önemli ölçüde azaltabilir.

Bu sorunu çözmek için, iç tabanlı özel zımbalar geliştirilmiştir. Bu tabanlar, Cu terminal boyunca kayar ve aşınmayı ve yıpranmayı minimize eder. Bu tür bir zımba tasarımı, Şekil 3'te gösterilmiştir.