Роль гофри в вакуумних преривачах

Вступ до вакуумних преривачів та гофри

З появою технологічних нововведень та зростанням стурбованості щодо глобального потепління, вакуумні автомати стали важливим розглядом у сфері електротехніки.
Майбутні електроенергетичні мережі ставлять все більш строгі вимоги до перетворювальних характеристик автоматів, з особливою наголошеною на швидкості переключення та тривалості експлуатації. У середньовольтажних автоматах вакуумні преривачі (VIs) набули широкого поширення. Це пов'язано з тим, що використання вакууму як середовища для переривання надає неперевершених переваг у цьому конкретному діапазоні застосування. Вакуумний преривач є ключовою складовою вакуумного автомата, а гофра відіграє важливу та ефективну роль у вакуумних преривачах.

Металеві гофри призначені для підтримання ультрависокої вакуумної герметизації, одночасно дозволяючи переміщення рухомого електричного контакту в камері преривача. Проте механічний термін служби вакуумного преривача в основному обмежений так званою вакуумною гофрою. У контексті майбутніх автоматів, прагнення до швидших переключень необхідно призведе до більш значних динамічних ударних навантажень. Ці навантаження можуть спричинити коливання гофри з більшою амплітудою, що значно скорочує термін служби гофри. Крім того, враховуючи очікуване збільшення частоти операцій переключення в майбутніх електроенергетичних мережах, моделювання вакуумних гофр стає невід'ємним для оптимізації їхнього проектування, і, відповідно, підвищення механічного терміну служби вакуумних преривачів.

Роль гофри в вакуумних преривачах

Гофри, зазвичай виготовлені з тонких нержавіючих сталей, призначені для забезпечення відкриття та закриття контактів, одночасно підтримуючи вакуумне середовище всередині преривача.
Стійкість до втоми гофри є ключовим фактором, що визначає механічний термін служби вакуумного преривача. Кожна операція відкриття та закриття контактів піддає гофру напруження, особливо конволюти, розташовані найближче до кінців. Окрім прямої механічної напруги від операційного руху, гофри також досить часто відчувають коливання після завершення руху контакту. Ці коливання додатково внослять до виснаження гофри, прискорюючи її витрату з часом.
Рисунок 1 показує конкретний тип гофри для вакуумних преривачів, вироблених компанією Sigma-Netics.

Рис. 1: Гофра вакуумного преривача від компанії Sigma-Netics

Механічний термін служби вакуумних преривачів значно впливає на кілька критичних параметрів руху контактів:

• Становий хід або зазор контактів: це визначає відстань, на яку розділяються контакти під час роботи, впливаючи на електричну ізоляцію та здатність до гасіння дуги.

• Швидкість відкриття та закриття: швидкіші швидкості можуть покращити характеристики переключення, але також ставлять більш значні динамічні навантаження на компоненти, включаючи гофри.

• Гасіння руху в кінці ходу відкриття та закриття: достатнє гасіння є необхідним для зменшення вібрацій та зниження механічного напруження на гофри та інші деталі.

• Перевищення та відскок при відкритті: ці явища можуть призвести до додаткового виснаження контактів та гофри, потенційно скорочуючи загальний термін служби.

• Прочність монтажу: спосіб монтажу вакуумного преривача може впливати на розподіл сил під час роботи, впливаючи на механічний термін служби гофри.

• Підскок контактів при закритті: надмірний підскок контактів може призвести до виникнення дуги та збільшення напруження на гофри, погіршуючи їхню продуктивність з часом.

Гофри відіграють подвійну роль у вакуумних преривачах. Вони дозволяють переміщення рухомого контакту, одночасно підтримуючи вакуумну герметизацію. Виготовлені з нержавіючої сталі, зазвичай з товщиною близько 150 µm, вони призначені для витримування жорстких умов експлуатації всередині преривача. Три типи гофри успішно інтегровані в дизайн вакуумних преривачів:

• Безшовні гідроформовані гофри: вони формуються без видимих швів, що може надавати підвищену цілісність та продуктивність.

• Шовні гідроформовані гофри: виготовлені шляхом зварювання швів після гідроформування, вони балансують вартість та вимоги до продуктивності.

• Гофри, виготовлені з тонких нержавіючих сталевих дисків: виготовлені шляхом зварювання тонких дисків разом, вони надають економічне рішення для певних застосувань.

Детальні відомості про дизайн та продуктивність гофри можна знайти в стандарті EJMA.

Один кінець гофри надійно фіксується припоям до кінцевої плити вакуумного преривача, а інший кінець припояється до рухомого терміналу і переміщується разом з ним під час відкриття та закриття контактів. У вакуумному преривачі гофри піддаються імпульсному руху під час операцій з контактами. Швидкість відкриття рухомого контакту може швидко збільшуватися з 0 м/с до 2 м/с менше ніж за 100 µs. В кінці ходу контактів, чи то відкриття, чи закриття, рухомий кінець гофри різко зупиняється.

Частота таких операцій відкриття та закриття залежить від циклу роботи. В деяких випадках вони можуть відбуватися багато разів, а в інших — рідко. Рух, переданий гофрі, далеко не однорідний, і звично, що гофра коливається кілька разів під час однієї операції відкриття або закриття. Для тих, хто зацікавлений у аналізі цього руху гофри, розроблено загальний аналітичний підхід для визначення динамічних напружень, які відчувають гофри під час імпульсного руху.

Більшість виробників вакуумних преривачів отримують свої гофри від встановлених виробників гофри та співпрацюють з ними, щоб досягти бажаного терміну служби гофри. Це зазвичай виконується шляхом вбудовування гофри в практичний вакуумний преривач та проведення механічних тестів на довготривалість на статистично значущій кількості зразків вакуумних преривачів. Потім можна призначити вказаний механічний термін служби вакуумному преривачу з цією гофрою, використовуючи аналіз Вейбула. Зазвичай, механічний ліміт терміну служби вакуумного преривача визначається кількістю операцій, які гофра може витримати, перш ніж відбудеться втома матеріалу.

При механічному тестуванні вакуумного преривача важливо підвергати гофри таким самим параметрам роботи, які вони будуть відчувати в комутаційному пристрої. Ці параметри включають загальний хід (робочий зазор плюс надлишковий хід), максимальну швидкість відкриття, максимальну швидкість закриття, а також вплив прискорення та сповільнення. Тестування гофри в межах вакуумного преривача забезпечує, що вона проходить всі виробничі процеси, які відчує готовий пристрій. Наприклад, вона повинна бути відкрита всім необхідним циклам нагріву та охолодження, необхідним для виробництва вакуумного преривача. Ці процеси необхідно аннеалюють метал гофри, змінюючи його гранульну мікроструктуру, і, відповідно, його характеристики продуктивності.

Механічний термін служби конкретної гофри залежить не лише від вищевказаних параметрів роботи, але й від її власних фізичних характеристик. До них належать тип нержавіючої сталі, який використовується, її довжина, діаметр, товщина, кількість конволют, а також її здатність гасити рух після зупинки контакту. Допустимо спроектувати гофри, які надійно виконують нормальний 30,000 операцій, необхідних для більшості вакуумних автоматів та повторювачів, і навіть перевищують 10^6 операцій для вакуумних контакторів. Проте, незважаючи на зусилля виробників вакуумних преривачів, спрямовані на проектування своїх продуктів, щоб вони відповідали вказаному механічному терміну служби різних комутаційних пристроїв, більшість вакуумних преривачів не досягають свого заявленого механічного терміну служби при використанні в полі.Для отримання більш детальних відомостей про причини виходу з ладу вакуумних преривачів (VIs) будь ласка, зверніться до відповідної статті.

Проектувальник вакуумного преривача має прийняти захистні заходи, щоб запобігти користувачу згорнуття гофри під час встановлення вакуумного преривача в механізм. Згорнута гофра може мати значно скорочений механічний термін служби, потенційно до менше ніж 1% від проектованого терміну. Момент, який можна прикласти до тонкостінної гофри вакуумного преривача, перш ніж відбудеться постійне згорнуття, відносно невеликий, близько 8.5–11.5 Нм. Щоб уникнути згорнуття гофри, проектувальник повинен вставити антизгорнуття бушинг. Цей бушинг можна зафіксувати, прикріпивши його до кінцевої плити преривача. Внутрішня поверхня бушинга має форму або паз, щоб запобігти будь-якому обертанню рухомого медного терміналу, прикріпленого до гофри (як показано на рис. 2). Матеріал бушинга може бути металевий або пластиковий, такий як Nylatron. При використанні пластикових матеріалів, таких як Nylatron та Valox, потрібна обережність. Ці матеріали можна використовувати лише в застосуваннях, де максимальна допустима температура, яку вони будуть відчувати, обмежена. Наприклад, для Nylatron, температура, при якій її напруження зменшується до 50% після 100,000 годин, становить близько 125°C (вона може витримувати вищі температури на короткий час без деформації через вміст скляних волокон), а для Valox DR48 - близько 140°C. Є також більш дорогі, високотемпературні пластикові матеріали, такі як "Ultem 2310 R".

Рис. 2: Приклади антизгорнуття бушингів для захисту гофри

Матеріал, використаний для цих антизгорнуття бушингів, має максимальну допустиму температуру близько 180°C. Він може витримувати короткотривале відкриття (близько 1 години) до температур, які перевищують цей ліміт, без значної деформації.

Для вакуумних преривачів, які працюють на більш високих напругах автоматів, необхідний довший хід контактів. Наприклад, при 72.5 кВ, потрібен хід близько 40 мм. Для забезпечення цього розширеної ходу, гофри повинні бути пропорційно удовженими. Проте, дуже довгі гофри не відкриваються та не закриваються однорідно. Замість цього, вони тенденційно відхиляються під час руху. В результаті внутрішні конволюти гофри можуть тертися про медний (Cu) термінал. Це тертя може значно скоротити термін служби гофри.

Для вирішення цієї проблеми розроблені спеціалізовані гофри з внутрішніми підкладками. Ці підкладки ковзають вздовж Cu терміналів, мінімізуючи витрата. Приклад такого дизайну гофри показаний на рис. 3.