Eén artikel om de contactseparatiefasen van een vacuümschakelaar te begrijpen

Stadia van de contactseparatie bij een vacuümschakelaar: Booginitiatie, booguitdoving en trilling

Stadium 1: Initieel openen (Booginitiatiefase, 0-3 mm)
De moderne theorie bevestigt dat de initiële fase van de contactseparatie (0-3 mm) cruciaal is voor de onderbrekingsprestaties van vacuümschakelaars. Aan het begin van de contactseparatie gaat de boogstroom altijd over van een gecompenseerde modus naar een gediffuseerde modus—hoe sneller deze overgang, hoe beter de onderbrekingsprestaties.

Drie maatregelen kunnen de overgang van een gecompenseerde naar een gediffuseerde boog versnellen:

• Verlaag het gewicht van bewegende componenten: Tijdens de ontwikkeling van vacuümschakelaars helpt het verminderen van het gewicht van de geleidende klem om de traagheid van bewegende delen te verlagen. Vergelijkende tests tonen aan dat deze benadering de initiële openingsnelheid in verschillende mate verbetert.

• Verhoog de kracht van de openingsveer, zodat deze effectief wordt tijdens de vroege openingsfase (0-3 mm).

• Minimaliseer de contactcompressiereis (ideaal 2-3 mm), zodat de openingsveer zo vroeg mogelijk in het separatieproces kan ingrijpen.

Traditionele schakelaars gebruiken meestal een stekcontactontwerp. Bij kortsluitstroom veroorzaken elektromagnetische krachten dat de vingercontacten zich stevig vastklemmen aan de geleidende staaf, wat resulteert in een nulcomponent in de richting van de beweging. In tegenstelling daarmee gebruikt de vacuümschakelaar een plat contactoppervlak. Wanneer er een kortsluitstroom optreedt, werkt de sterke elektromagnetische kracht als een afstotende kracht op de contacten.

Dit betekent dat de contactseparatie niet hoeft te wachten tot de volledige vrijgave van de contactcompressieveer—de separatie vindt bijna gelijktijdig met de beweging van de hoofdas plaats (met minimaal of geen vertraging). Daarom kan de openingsveer met minimale compressiereis eerder inwerken, waardoor de initiële openingsnelheid wordt verhoogd. Omdat de initiële drijvende kracht in deze fase de elektromagnetische afstoting is, moet het gewicht van alle bewegende componenten worden geminimaliseerd. Daarom zijn structuurontwerpen zoals gesplitste of samengestelde mechanismen—vaak met lange en talrijke koppelingen—niet geschikt voor vacuümschakelaars, omdat ze de bereiking van hoge initiële openingssnelheden hinderen.

Stadium 2: Booguitdoving (3-8 mm)
Wanneer de contacten zich tot 3-4 mm hebben gescheiden, is de overgang van de boog naar de gediffuseerde modus meestal voltooid—dit is het optimale venster voor booguitdoving. Uitgebreide tests hebben bevestigd dat de ideale booggap voor onderbreking 3-4 mm is. Als de stroomnul op dit punt optreedt, neemt de dichtheid van metaalvapor snel af en herstelt de dielektrische sterkte over de gap snel, wat leidt tot succesvolle onderbreking. De drijvende kracht in dit tweede stadium is de openingsveer.

In een driefasesysteem, als de booguitdoving optreedt bij de eerste stroomnul, is de boogduur ongeveer 3 ms (onder de veronderstelling dat de contacten zich halverwege twee stroomnullen scheiden, waarbij de gap voldoende groot is). Om uitdoving bij een 3-4 mm gap te bereiken, zou de gemiddelde openingsnelheid tijdens deze fase 0,8-1,1 m/s moeten zijn. Omgezet naar de algemeen gebruikte 6 mm meting, ligt de equivalente gemiddelde openingsnelheid rond 1,1-1,3 m/s—een bereik dat wereldwijd door vacuümschakelaars wordt geaccepteerd. Echter, deze gegevens zijn verkregen uit mechanische bedrijfsproeven onder belastingsloze omstandigheden. Tijdens de onderbreking van hoge stroom is de daadwerkelijke openingsnelheid aanzienlijk hoger vanwege de extra elektromagnetische afstotende kracht die bijdraagt aan de contactbeweging. Hierdoor kan de bewegende contact binnen dezelfde tijdsperiode 6-8 mm reizen.

Om de boogduur te minimaliseren, moeten in het tweede stadium speciale dempingmaatregelen worden toegepast om de snelheid van de geleidende staaf snel te verminderen. Het tijdstip van de inschakeling van de oliebuffer moet zorgvuldig worden geregeld. Het eerste stadium vereist snelle separatie, maar de openingsveer is nog niet volledig ingeschakeld. In het tweede stadium moet de snelheid worden verminderd—de openingsveer mag niet te sterk zijn, anders zal dit de snelheidsreductie verhinderen, de boogduur verlengen en het derde stadium compliceren.

Stadium 3: Trilling (8-11 mm)
Vanwege de kleine contactgap en de korte openingsduur bij vacuümschakelaars, moeten de snel bewegende contacten binnen een uiterst korte tijd worden gestopt. Ongeacht de gebruikte dempingmethode, blijft de snelheidsverandering hoog, waardoor sterke mechanische schokken onvermijdelijk zijn. Residuele trilling duurt doorgaans ongeveer 30 ms. Momenteel nemen zowel nationale als internationale vacuümschakelaars ongeveer 10-12 ms om de bewegende contacten te scheiden en in het trillingsgebied te brengen, terwijl de boogduur meestal 12-15 ms is. Duidelijk begint het lokaal gesmolten contactoppervlak pas na het binnengaan van het trillingsgebied te koelen en te verharderen. Deze intense trilling veroorzaakt onvermijdelijk spatten van gesmolten metaal, wat scherpe uitsteeksels op het contactoppervlak vormt en metalen deeltjes tussen de contacten achterlaat—belangrijke externe factoren die bijdragen aan heraansteking. Dit soort ontwerpfouten worden vaak niet volledig onthuld in beperkte typeproeven, wat leidt tot een langdurig gebrek aan bewustzijn van dit probleem.

Conclusie
Ontwerpers van vacuümschakelaars moeten nauwlettend opletten op het gehele proces van contactseparatie. Belangrijke strategieën omvatten: het verminderen van het bewegende gewicht, het verhogen van de initiële openingsnelheid, het tijdig verminderen van de snelheid in het tweede stadium en het minimaliseren van de boogduur, zodat de boog uitdooft voordat de contacten het trillingsgebied binnengaan. Dit biedt voldoende koeltijd voor het contactoppervlak en vermindert de intensiteit van de trilling. Een goed ontworpen separatieprofiel—geallieerd aan deze mechanische en elektrische principes—verbetert aanzienlijk zowel de mechanische als de elektrische levensduur, waardoor de algehele betrouwbaarheid en prestaties worden verbeterd.