Vai trò của bellow trong bộ ngắt chân không

Giới thiệu về Bộ ngắt chân không và Bellow

Với sự phát triển công nghệ và mối quan tâm ngày càng tăng đối với vấn đề nóng lên toàn cầu, các bộ ngắt mạch chân không đã trở thành một lựa chọn quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện.
Các lưới điện tương lai đặt ra những yêu cầu ngày càng khắt khe hơn đối với hiệu suất chuyển mạch của các bộ ngắt mạch, đặc biệt là tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và tuổi thọ hoạt động kéo dài hơn. Trong các bộ ngắt mạch trung thế, các bộ ngắt chân không (VIs) đã được ưa chuộng rộng rãi. Điều này là do việc sử dụng chân không làm môi trường ngắt có những ưu điểm vượt trội trong phạm vi ứng dụng cụ thể này. Bộ ngắt chân không đóng vai trò là thành phần cốt lõi của bộ ngắt mạch chân không, và bellow đóng một vai trò quan trọng và hiệu quả trong các bộ ngắt chân không.

Bellow kim loại được thiết kế để duy trì niêm phong chân không siêu cao trong khi cho phép di chuyển dịch chuyển của tiếp điểm điện di chuyển bên trong buồng ngắt. Tuy nhiên, tuổi thọ cơ học của bộ ngắt chân không chủ yếu bị hạn chế bởi cái gọi là bellow chân không. Trong bối cảnh các bộ ngắt mạch tương lai, việc theo đuổi tốc độ chuyển mạch nhanh hơn sẽ không tránh khỏi dẫn đến tải động kiểu va đập lớn hơn. Những tải này có thể gây ra dao động bellow với biên độ lớn hơn, do đó giảm đáng kể tuổi thọ của bellow. Hơn nữa, do dự đoán tần suất chuyển mạch sẽ tăng trong các lưới điện tương lai, việc mô phỏng bellow chân không trở nên không thể thiếu để tối ưu hóa thiết kế và do đó nâng cao tuổi thọ cơ học của bộ ngắt chân không.

Vai trò của Bellow trong Bộ ngắt chân không

Bellow, thường được chế tạo từ tấm thép không gỉ mỏng, được thiết kế để hỗ trợ mở và đóng tiếp điểm trong khi đảm bảo duy trì môi trường chân không bên trong bộ ngắt.
Khả năng chống mệt mỏi của bellow là yếu tố then chốt quyết định tuổi thọ cơ học của bộ ngắt chân không. Mỗi lần mở và đóng tiếp điểm đều gây áp lực lên bellow, đặc biệt là các phần uốn cong gần đầu cuối. Ngoài áp lực cơ học trực tiếp từ chuyển động hoạt động, bellow cũng trải qua dao động sau khi chuyển động tiếp điểm dừng lại. Những dao động này góp phần làm mòn và hao mòn bellow, đẩy nhanh quá trình suy giảm theo thời gian.
Hình 1 minh họa một loại bellow cụ thể cho bộ ngắt chân không do công ty Sigma - Netics sản xuất.

Hình 1: Bellow cho Bộ ngắt chân không của công ty Sigma - Netics

Tuổi thọ cơ học của bộ ngắt chân không chịu ảnh hưởng đáng kể bởi một số thông số chuyển động tiếp điểm quan trọng:

• Độ dời tiếp điểm ổn định hoặc khoảng cách: Điều này xác định khoảng cách mà các tiếp điểm tách rời trong quá trình hoạt động, ảnh hưởng đến khả năng cách điện và dập hồ quang.

• Tốc độ mở và đóng: Tốc độ nhanh hơn có thể nâng cao hiệu suất chuyển mạch nhưng cũng gây áp lực động lớn hơn lên các thành phần, bao gồm cả bellow.

• Dämping chuyển động ở cuối hành trình mở và đóng: Damping đủ là cần thiết để giảm thiểu rung động và giảm áp lực cơ học lên bellow và các bộ phận khác.

• Quá mức và phản hồi khi mở: Các hiện tượng này có thể gây thêm mòn mòn cho tiếp điểm và bellow, có thể làm ngắn tuổi thọ tổng thể.

• Độ đàn hồi khi lắp đặt: Cách lắp đặt bộ ngắt chân không có thể ảnh hưởng đến phân phối lực trong quá trình hoạt động, ảnh hưởng đến tuổi thọ cơ học của bellow.

• Tiếp điểm nhảy khi đóng: Tiếp điểm nhảy quá mức có thể dẫn đến hồ quang và áp lực tăng lên bellow, làm suy giảm hiệu suất theo thời gian.

Bellow đóng vai trò kép trong bộ ngắt chân không. Chúng cho phép di chuyển tiếp điểm di chuyển trong khi duy trì niêm phong chân không. Được chế tạo từ thép không gỉ, thường có độ dày khoảng 150 µm, chúng được thiết kế để chịu đựng điều kiện hoạt động khắc nghiệt bên trong bộ ngắt. Ba loại bellow đã được tích hợp thành công vào thiết kế bộ ngắt chân không:

• Bellow hydroform không mối hàn: Chúng được hình thành mà không có mối hàn nhìn thấy, có thể cung cấp tính toàn vẹn và hiệu suất tốt hơn.

• Bellow hydroform có mối hàn: Được sản xuất bằng cách hàn mối sau khi hydroform, chúng cân nhắc giữa chi phí và yêu cầu hiệu suất.

• Bellow được làm từ các vòng thép không gỉ mỏng hàn mép: Được chế tạo bằng cách hàn các vòng mỏng lại với nhau, chúng cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí cho một số ứng dụng.

Chi tiết toàn diện về thiết kế và hiệu suất của bellow có thể tìm thấy trong Tiêu chuẩn EJMA.

Một đầu của bellow được cố định chắc chắn bằng cách hàn nó vào đĩa cuối của bộ ngắt chân không, trong khi đầu còn lại được hàn vào đầu cuối di chuyển và di chuyển cùng với nó khi tiếp điểm mở và đóng. Trong bộ ngắt chân không, bellow chịu chuyển động xung kích trong quá trình hoạt động tiếp điểm. Tốc độ mở của tiếp điểm di chuyển có thể tăng nhanh từ 0 m/s lên tới 2 m/s trong ít hơn 100 µs. Cuối hành trình tiếp điểm, dù mở hay đóng, đầu di chuyển của bellow dừng đột ngột.

Tần suất các hoạt động mở - đóng này thay đổi tùy thuộc vào chu kỳ hoạt động. Trong một số trường hợp, chúng có thể xảy ra nhiều lần, trong khi ở những trường hợp khác, chúng hiếm gặp. Chuyển động truyền cho bellow rất không đồng đều, và thường bellow sẽ dao động nhiều lần trong một lần mở hoặc đóng. Đối với những người quan tâm đến việc phân tích chuyển động của bellow, một phương pháp phân tích tổng quát đã được phát triển để xác định các áp lực động mà bellow phải chịu dưới chuyển động xung kích.

Hầu hết các nhà sản xuất bộ ngắt chân không lấy bellow từ các nhà sản xuất bellow uy tín và hợp tác với họ để đạt được tuổi thọ bellow mong muốn. Điều này thường được thực hiện bằng cách kết hợp bellow vào bộ ngắt chân không thực tế và tiến hành thử nghiệm tuổi thọ cơ học trên một số lượng mẫu bộ ngắt chân không có ý nghĩa thống kê. Sau đó, một tuổi thọ cơ học cụ thể có thể được gán cho bộ ngắt chân không với bellow đó bằng cách sử dụng phân tích Weibull. Thông thường, giới hạn tuổi thọ cơ học của bộ ngắt chân không được xác định bởi số lần hoạt động mà bellow có thể chịu trước khi xảy ra hỏng mệt mỏi.

Khi thử nghiệm cơ học bộ ngắt chân không, điều quan trọng là phải đưa bellow vào các tham số hoạt động mà nó sẽ gặp phải trong thiết bị chuyển mạch. Những tham số này bao gồm tổng hành trình (khoảng cách hoạt động cộng với hành trình dư), tốc độ mở tối đa, tốc độ đóng tối đa, và hiệu ứng của gia tốc và giảm tốc. Việc thử nghiệm bellow trong bộ ngắt chân không đảm bảo rằng nó trải qua tất cả các bước sản xuất mà thiết bị hoàn thiện sẽ trải qua. Ví dụ, nó nên được tiếp xúc với tất cả các chu kỳ làm nóng và làm lạnh cần thiết cho việc sản xuất bộ ngắt chân không. Những quy trình này sẽ không tránh khỏi làm mềm kim loại của bellow, thay đổi cấu trúc vi hạt của nó và do đó, đặc tính hiệu suất của nó.

Tuổi thọ cơ học của một bellow cụ thể phụ thuộc không chỉ vào các tham số hoạt động được đề cập ở trên mà còn vào các thuộc tính vật lý riêng của nó. Những thuộc tính này bao gồm loại thép không gỉ được sử dụng, chiều dài, đường kính, độ dày, số lượng uốn cong, và khả năng giảm chuyển động khi tiếp điểm ngừng di chuyển. Có thể thiết kế bellow có thể hoạt động đáng tin cậy 30.000 lần hoạt động cần thiết cho hầu hết các bộ ngắt mạch chân không và bộ đóng lại chân không, và thậm chí vượt quá 10^6 lần hoạt động cho các bộ tiếp xúc chân không. Tuy nhiên, mặc dù các nhà sản xuất bộ ngắt chân không đã nỗ lực thiết kế sản phẩm của họ để đáp ứng tuổi thọ cơ học được chỉ định cho các thiết bị chuyển mạch khác nhau, hầu hết các bộ ngắt chân không không đạt được tuổi thọ cơ học được tuyên bố khi được triển khai trong thực tế.Để biết thêm thông tin về nguyên nhân hỏng của Bộ ngắt chân không (VIs), xin vui lòng tham khảo bài viết liên quan.

Người thiết kế bộ ngắt chân không phải thận trọng để ngăn người dùng xoắn bellow khi lắp bộ ngắt chân không vào cơ chế. Một bellow xoắn có thể làm giảm tuổi thọ cơ học nghiêm trọng, có thể xuống dưới 1% so với tuổi thọ thiết kế. Lực xoắn có thể được áp dụng lên bellow mỏng tường trong bộ ngắt chân không trước khi xoắn vĩnh viễn là tương đối thấp, khoảng 8.5–11.5 Nm. Để tránh xoắn bellow, người thiết kế nên chèn một bushing chống xoắn vào nó. Bushing này có thể được khóa vào vị trí bằng cách gắn nó vào đĩa cuối của bộ ngắt. Mặt trong của bushing được tạo hình hoặc có rãnh để ngăn chặn bất kỳ sự quay nào của đầu cuối đồng di chuyển được gắn vào bellow (như được hiển thị trong Hình 2). Vật liệu của bushing có thể là kim loại hoặc nhựa như Nylatron. Khi sử dụng vật liệu nhựa như Nylatron và Valox, cần thận trọng. Những vật liệu này chỉ có thể được sử dụng trong các ứng dụng mà nhiệt độ tối đa cho phép mà chúng sẽ trải qua bị hạn chế. Ví dụ, đối với Nylatron, nhiệt độ mà sức căng của nó giảm xuống 50% sau 100.000 giờ là khoảng 125°C (nó có thể chịu được nhiệt độ cao hơn trong thời gian ngắn mà không biến dạng do chứa sợi thủy tinh), và đối với Valox DR48, nó là khoảng 140°C. Cũng có các loại nhựa có nhiệt độ cao hơn, đắt tiền hơn, chẳng hạn như “Ultem 2310 R.”

Hình 2: Các ví dụ về Bushing chống xoắn để bảo vệ Bellow

Vật liệu được sử dụng cho các bushing chống xoắn này có nhiệt độ tối đa cho phép khoảng 180°C. Nó có thể chịu được sự tiếp xúc ngắn hạn (khoảng 1 giờ) với nhiệt độ vượt quá giới hạn này mà không bị biến dạng đáng kể.

Đối với các bộ ngắt chân không hoạt động ở điện áp máy cắt cao hơn, một hành trình tiếp điểm dài hơn là cần thiết. Ví dụ, ở 72.5 kV, một hành trình khoảng 40 mm là cần thiết. Để phù hợp với hành trình mở rộng này, bellow phải được kéo dài tương ứng. Tuy nhiên, các bellow rất dài không mở và đóng một cách đồng đều. Thay vào đó, chúng có xu hướng co giật trong quá trình di chuyển. Do đó, các uốn cong bên trong của bellow có thể ma sát với đầu cuối đồng (Cu). Ma sát này có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của bellow.

Để giải quyết vấn đề này, các bellow chuyên dụng với miếng lót bên trong đã được phát triển. Các miếng lót này trượt dọc theo các đầu cuối Cu, giảm thiểu mòn mòn. Một ví dụ về thiết kế bellow như vậy được minh họa trong Hình 3.