Yksi artikkeli ymmärtämään tyhjiöpäästöjen kontaktien erotteluvaiheet

Tyhjiön sähkökatkaisimen kontaktien erottumisvaiheet: kaaren synty, kaaren sammuminen ja värähtely

Vaihe 1: Alkuperäinen avautuminen (kaaren syntymävaihe, 0–3 mm)
Moderni teoria vahvistaa, että alkuperäinen kontaktien erottumisvaihe (0–3 mm) on ratkaiseva tyhjiön sähkökatkaisijoiden keskeyttämiskyvylle. Kontaktien erottumisen alussa kaaren virta siirtyy aina kapeasta tilasta laajempaan tilaan – mitä nopeammin tämä siirtymä tapahtuu, sitä parempi keskeyttämiskyky.

Kolme toimenpidettä voivat nopeuttaa kapeasta laajempaan kaareen siirtymää:

• Vähennä liikkuvien osien massa: Tyhjiön sähkökatkaisijoiden kehityksessä johtavan klemman massan vähentäminen auttaa vähentämään liikkuvien osien inertiat. Vertailukokeet osoittavat, että tällä tavoin alkuperäisen avautumisnopeuden paranee eriasteisesti.

• Lisää avauskeikan voima, varmistaen sen tehokkuus alkuperäisessä avautumisvaiheessa (0–3 mm).

• Minimoi kontaktien puristuksen matka (parhaassa tapauksessa 2–3 mm), jotta avauskeikka voi ottaa osaa erottumisprosessiin mahdollisimman pian.

Perinteisissä sähkökatkaisijoissa käytetään yleensä pistoskontaktisuunnittelua. Lyhytkiertovirrassa sähkömagneettiset voimat aiheuttavat, että kontaktipinset puristavat johtavan nivelen tiukasti, mikä johtaa nollaan liikevoiman komponentti. Toisaalta, tyhjiön sähkökatkaisijoissa käytetään tasokontaktia. Kun lyhytkierrosvirran aikaansaatu voima vaikuttaa kontekteihin, se toimii repivänä voimana.

Tämä tarkoittaa, että kontaktien erottumiseen ei tarvitse odottaa kontaktien puristuskeikan täydellistä vapautumista – erottuminen tapahtuu lähes samanaikaisesti pääakson liikkeen kanssa (pienet tai merkityksettömät viivästykset). Siksi minimipuristusmatkan avulla avauskeikka voi toimia aiemmin, parantamalla alkuperäistä avautumisnopeutta. Koska tässä vaiheessa ensimmäinen ajovoima on sähkömagneettinen repivä voima, vähennettävä massa käsittää kaikki liikkuvat osat. Näin ollen sellaiset rakennelut kuin jakautuneet tai yhdistetyt mekanismit, jotka usein sisältävät pitkiä ja monia levynsäteitä, eivät sovi tyhjiön sähkökatkaisimiin, koska ne estävät korkean alkuperäisen avautumisnopeuden saavuttamisen.

Vaihe 2: Kaaren sammuminen (3–8 mm)
Kun kontaktit erottuvat 3–4 mm, kaaren siirtymä laajempaan tilaan on yleensä valmis – tämä on optimaalinen ikkuna kaaren sammumiselle. Laajat testit ovat vahvistaneet, että paras kaaren sammumiseen sopiva väli on 3–4 mm. Jos virran nolla tapahtuu tällä hetkellä, metalliviilujen tiheyden rappeutuminen on nopeaa, ja väljän muodostava dielektrinen vahvuus palautuu nopeasti, mikä johtaa onnistuneeseen keskeytykseen. Tämän toisen vaiheen ajovoima on avauskeikka.

Kolmivaiheisessa systeemissä, jos kaari sammuu ensimmäisellä virran nollalla, kaaren aika on noin 3 ms (olettaen, että kontaktit erottuvat kahden virran nollan välissä, jolloin väli on riittävän suuri). Tässä vaiheessa keskimääräinen avautumisnopeus tulisi olla 0.8–1.1 m/s. Käytettyjen 6 mm mittausarvojen avulla vastaava keskimääräinen avautumisnopeus on noin 1.1–1.3 m/s – tämä on yleisesti hyväksytty tyhjiön sähkökatkaisijoiden globaalissa käytössä. Kuitenkin nämä tiedot on saatu mekaanisista toimintatestauksista ilman kuormitusta. Korkean virran keskeyttämisessä todellinen avautumisnopeus on huomattavasti korkeampi, koska lisäksi sähkömagneettinen repivä voima edistää kontaktien liikettä. Tämän vuoksi samassa aikavälissä liikkuva kontakti voi kulkea 6–8 mm.

Kaaren ajan minimointiin voidaan soveltaa erityisiä vaimennustoimenpiteitä toisessa vaiheessa, jotta johtavan nivelen nopeus vähenee nopeasti. Öljypuskurin käyttöönoton ajoitus on säädettävä tarkasti. Ensimmäisessä vaiheessa vaaditaan nopeaa erottumista, mutta avauskeikka ei ole vielä täysin aktivoitu. Toisessa vaiheessa nopeuden on vähennettävä – avauskeikka ei saa olla liian vahva, muuten se estää nopeuden vähentymisen, pidentää kaaren aikaa ja monimutkistaa kolmatta vaihetta.

Vaihe 3: Värähtely (8–11 mm)
Työllisten sähkökatkaisijoiden pieni kontaktiväli ja lyhyt avautumisaika pakottavat nopeasti liikkuvat kontaktit pysähtymään äärimmäisen lyhyessä ajassa. Riippumatta käytetystä vaimennustavasta nopeuden muutosnopeus on edelleen korkea, mikä tekee vahvalle mekaaniselle iskulle välttämättömäksi. Jäännösvärähtely jatkuu yleensä noin 30 ms. Nykyisin sekä kotimaiset että kansainväliset tyhjiön sähkökatkaisijat käyttävät noin 10–12 ms liikkuvan kontaktin erottumiseen ja värähtelyalueen astumiseen, kun taas kaaren aika on yleensä 12–15 ms. Selvästi paikallinen sulamiskontaktipinta alkaa jäähtyä ja jäätymään vasta värähtelyalueelle astuttuaan. Tämä intensiivinen värähtely aiheuttaa välttämättä sulaman metallin hajaannuksen, muodostaen terävät ulottuvuudet kontaktipinnalle ja jättäen suspendoidut metallipartikkelit kontakteiden välille – avaintekijöitä uudelleenkäynnistävien tekijöiden kannalta. Tällaiset suunnitteluvirheet paljastuvat usein vain rajallisissa typetesteissä, mikä johtaa tähän ongelmaan liittyvään riittämättömään tietoisuuteen pitkään aikaan.

Yhteenveto
Tyhjiön sähkökatkaisijoiden suunnittelijoiden on kiinnitettävä huomiota koko kontaktien erottumisprosessiin. Avaintoimenpiteitä ovat: liikkuvan massan vähentäminen, alkuperäisen avautumisnopeuden lisääminen, nopeuden nopea vähentäminen toisessa vaiheessa ja kaaren ajan minimointi, jotta kaari sammuu ennen kontaktien astumista värähtelyalueelle. Tämä antaa riittävän jäähtymisaajan kontaktipinnalle ja vähentää värähtelyn intensiteettiä. Hyvin suunniteltu erottumisprofiili, joka on yhdenmukainen näiden mekaanisten ja sähköisten periaatteiden kanssa, parantaa merkittävästi sekä mekaanista että sähköistä käyttöikää, parantamalla yleistä luotettavuutta ja suorituskykyä.