개폐 장치의 절연 튜브: 재료 선택 및 설계 고려 사항

중전압 진공 회로 차단기를 열고 작동 메커니즘에서 움직이는 접점까지의 힘 경로를 추적합니다. 그 사이에는 대부분의 도면에 '절연 막대'라고 표시된 복합 부재가 있습니다. 부품을 집어 들면 가장 먼저 눈에 띄는 것은 단단하지 않다는 것입니다. 그것은 튜브입니다. 속이 빈 필라멘트로 감긴 에폭시 유리 원통으로, 길이가 수백 밀리미터, 너비가 수십 밀리미터이고 벽 두께가 몇 밀리미터에 불과합니다. 그 공허함은 경제가 아니다. 디자인이다.

그 회원은 다른 일을 하지 않는다. 절연 부품의 역할: 길이에 따라 전체 시스템 전압을 전달하는 동시에 메커니즘의 개방 임펄스를 전달합니다. 트립 코일이 작동하면 튜브는 스프링 힘에 대해 밀리초 단위로 접점을 밀어내고 접점이 분리되는 순간 튜브는 라이브 갭을 가로질러 놓이게 됩니다. 이 기사에서는 속이 빈 구성 요소 뒤에 있는 재료 및 설계 결정을 살펴보고, 이를 단단한 막대로 취급하거나 막대의 사고 과정을 갖춘 튜브로 취급하면 잘못된 부품이 생성되는 이유를 설명합니다.

속이 빈 부분은 모든 후속 결정을 변경하기 때문에 구별이 중요합니다. 솔리드 로드는 축 방향 부재입니다. 장력의 강도, 굽힘의 강성 등 그다지 고려할 사항이 없습니다. 튜브는 막대가 결코 묻지 않는 세 가지를 추가합니다.

• 방사형 전압에 맞게 크기를 조정해야 하는 벽입니다. 절연 거리는 더 이상 단순한 길이가 아닙니다. 전압은 벽의 길이뿐만 아니라 벽 전체에 걸쳐 있을 수 있기 때문에 벽 두께이기도 합니다. 벽 두께와 권선 밀도는 이제 유전체 설계 변수입니다.

• 원주(후프) 방향. 막대에는 축 방향 및 가로 방향 특성이 있습니다. 튜브에는 축방향, 횡방향 및 후프 특성이 있으며 후프 방향에는 실제 하중이 가해집니다. 스프링 스택은 보어 내부에서 바깥쪽으로 압력을 가하고, 금속 끝단 피팅은 외부에 고정되며, 모든 지지대에서 방사형 힘이 작용합니다.

• 살아있는 내부 표면. 보어는 두 번째 전기 인터페이스입니다. 밀봉된 중공 부재는 숨을 쉬고 습기를 응축하며 내부를 추적할 수 있습니다. 내부 표면은 도면의 치수가 거의 없는 연면 경로입니다.

간단히 말해서 막대는 표면의 단일 축 문제입니다. 튜브는 2면, 3축 문제입니다. 그리고 아무도 확인하지 않는 축은 일반적으로 고장나는 축입니다.

절연 튜브가 스위치기어 어셈블리에 위치하는 위치

스위치기어 어셈블리에서 튜브가 수행하는 역할은 매우 다른 부하를 부과하며 전기 방향은 이들 사이에서 반전됩니다.

애플리케이션	기계적 의무	전기적 방향
차단기 절연 풀 튜브(진공 차단기)	이동 접점에 메커니즘 힘을 전달합니다. 충격에 의한 인장/압축; 보어 하우징에는 접촉 압력 스프링 스택이 있습니다.	길이에 따른 전압 - 외부 연면거리가 적용됩니다. 중단 후 회복 전압
작동관(부하개폐기, 접촉기)	인터럽터를 통한 선형 또는 회전 구동; 반복적인 사이클링; 종종 양쪽 끝이 고정됩니다.	길이에 따른 라인 및 부하 전압; 과도 스위칭
부싱 및 납 절연 튜브	가벼운 구조적 의무; 도체 또는 권선 리드를 지원합니다.	벽을 가로지르는 전압 - 벽을 통과하는 유전체 및 벽 두께가 결정됩니다. 도체 주변의 내부 구멍은 활성 표면입니다.
지지대 및 스페이서 튜브(버스, GIS, 변압기 코일 포머)	캔틸레버, 압축 및 클램핑 하중	스탠드오프 절연; 외부로 이동, 때로는 장벽이 있는 벽을 가로질러 이동
성형 또는 접착 창고가 있는 튜브 절연체	압축 및 캔틸레버; 야외 근무	창고 외부를 따라 크리피지; 보어는 유입되지 않도록 밀봉되어야 합니다.

마지막 칼럼을 읽으면 주제가 분명해집니다. 추상적으로 볼 때 튜브는 결코 '절연체'가 아닙니다. 전압은 한 방향 또는 다른 방향으로 교차하며 어느 방향이 전체 형상을 결정하는지에 따라 결정됩니다. 길이에 따른 의무는 연면거리 문제입니다(길이가 답을 설정합니다). 벽 전체 듀티는 유전 문제입니다(벽 두께가 답을 설정합니다). 대부분의 실패는 설계자가 하나를 가정하고 어셈블리가 다른 하나를 전달할 때 발생합니다.

절연 튜브가 실제로 실패하는 방법

등급을 선택하기 전에 실패 경로를 매핑하십시오. 각 경로는 튜브의 다른 부분에 의해 관리됩니다.

외부 표면: 길이에 따른 크리피지

끝에서 끝까지 전압을 전달하는 가느다란 튜브의 경우 외부 표면이 약한 링크입니다. 벽의 수직 유전 강도(G11 감긴 튜브의 경우 14.5kV/mm 이상)는 넉넉하지만 외부를 따라 있는 오염되고 습한 공기 경로는 그렇지 않습니다. 로드 길이(큐비클이 좁은 창고 포함)는 오염 등급에서 파생된 킬로볼트당 연면 거리로 설정됩니다. 이는 모든 절연체 엔지니어가 이미 알고 있는 실패 경로이며 풀 튜브 설계를 지배하는 경로입니다.

보어: 누구도 치수를 정할 수 없는 연면 경로

튜브 디자인과 로드 디자인을 구분하는 방법은 다음과 같습니다. 중공 부재가 공기를 가두어 둡니다. 차단기가 온도 주기를 통해 호흡함에 따라 해당 공기는 습기를 안팎으로 운반합니다. 보어의 양쪽 끝이 밀봉되면 습기가 차갑고 죽은 차단기의 내부 벽에 응결될 수 있습니다. 결과적으로 내부 에 전도성 필름이 형성되어 사진을 찍을 필요 없이 표면을 따라 추적됩니다. 절연체 따라서 보어는 설계된 표면입니다. 건조제 또는 건식 가스 방식으로 확실하게 밀봉되어 압력 차이를 유지할 수 없도록 환기되거나, 고부하 설계에서는 스프링(지면 측)과 맨 끝 사이의 내부 연면 거리가 다른 간격처럼 계산되어 스프링 스택의 의도적인 홈이 됩니다.

벽: 단순한 고장이 아닌 부분 방전

벽 전체에서 결함은 절연 파괴가 발생하기 오래 전에 시작됩니다. 불완전한 함침으로 인해 남겨진 미세 공극 내부의 부분 방전에서 발생합니다. 튜브 벽이 얇기 때문에 밀리미터당 전기적 응력이 높습니다. 섬유/수지 경계면의 일부 공극은 수년에 걸쳐 안쪽으로 침식되는 PD 부위가 됩니다. 이것이 바로 권선 튜브 공급업체가 부분 방전 수준(전기 등급의 경우 한 자릿수 PC)을 인용하고, 공극 없는 함침 및 제어된 경화 물질이 헤드라인 kV/mm 수치보다 더 중요하고, 가공된 튜브 끝을 밀봉해야 하는 이유입니다. 절단 부분에서 노출된 섬유 끝은 라미네이트로 곧장 들어가는 흡수 경로입니다.

기계적 경로: 충격, 피로, 좌굴 및 충돌

기계적으로 튜브는 네 가지 특징적인 방식으로 파손됩니다. 충격 - 개방 충격은 정적 메커니즘 힘을 훨씬 초과할 수 있는 동적 하중입니다. 피로 및 프레팅 - 모든 개방/폐쇄 사이클은 엔드 피팅의 접착 인터페이스에 부담을 줍니다. 수만 번의 사이클 후에는 튜브가 아닌 조인트가 입증되어야 합니다. 버클링(Buckling) - 압축된 길고 가느다란 튜브는 오일러 기둥이지만, 중공 부분이 회전 반경을 높이기 때문에 동일한 무게의 막대보다 더 좋습니다. 으스러짐 및 터짐 - 로드는 결코 실패 모드에 직면하지 않습니다. 얇은 벽 주위에 과도하게 조여진 고정 피팅, 바깥쪽으로 누르는 스프링 스택 또는 내부 압력이 튜브를 축 섬유가 저항을 제공하지 않는 방향을 따라 정확히 세로 방향으로 분할할 수 있습니다.

아키텍처 질문: 구불구불한 것이 등급 이름을 능가합니다

튜브와 시트 또는 솔리드 섹션의 차이점은 다음과 같습니다. 튜브의 특성은 섬유의 각도에 따라 프로그래밍되며 해당 각도는 도면의 NEMA 또는 IEC 문자가 아닌 제조 공정에 따라 설정됩니다. 등급 이름은 동일하지만 권선 구조가 다른 두 개의 튜브는 설계 목적상 서로 다른 재료입니다.

튜브 성형 방법	파이버 아키텍처	강도 프로필	그것이 맞는 곳
필라멘트 와인딩(습식 또는 프리프레그)	제어된 나선 각도로 배치된 연속 로빙; 후프 레이어, 헬리컬 레이어, 로우앵글 레이어 적층 가능	권선 각도에 따라 축 및 후프 강도를 독립적으로 프로그래밍할 수 있습니다. 매끄럽고 보이드 제어됨; 전기 등급 표준	차단기 당김 튜브, GIS 스페이서, 부싱 코어, 퓨즈 튜브 - 방사형 하중, 스프링 스택 또는 벽간 전압이 있는 모든 것
인발성형	전체 길이로만 이어지는 연속 섬유; 후프 강화 없음	매우 높은 축 강도; 최소 원주 강도 - 방사형 또는 파열 하중 하에서 세로 방향으로 분할	튜브가 단단하게 고정되지 않고 내부 압력이 전혀 보이지 않는 축 전용 작업
압연 시트(회선형)	동심원 층으로 감싼 직물	원칙적으로 균형 잡힌 축/후프이지만 레이어 간 인터페이스와 이음매는 PD 및 습기에 취약합니다.	가공 스탠드오프 및 일반 재고; 고전압 풀 듀티에 대한 첫 번째 선택은 거의 없습니다.
성형 복합 끝 부분 + 상처 튜브	하이브리드: 성형된 보스, 플랜지 또는 쉐드가 접착되거나 오버몰딩된 권취형 튜브 본체	상처 튜브 강도와 네트 모양 특징(스레드, 쉐드, 장착면)을 결합합니다.	튜브에 별도의 금속 피팅이 아닌 통합된 끝 부분 형상이 필요한 경우

두 가지 규칙이 따릅니다. 첫째, 와인딩 각도는 디자인 다이얼입니다. 거의 90°에 가까운 후프 레이어는 반경 방향 하중을 전달하고 파열에 저항합니다. 45~55° 나선형 레이어가 축과 후프의 균형을 이룹니다. 낮은 각도(15~30°) 레이어는 캔틸레버 부재에 축 강성을 추가합니다. 차단기용 풀 튜브는 클램핑된 피팅과 스프링 스택을 견딜 수 있을 만큼 충분한 후프 함량을 갖춘 대부분 낮은 각도의 나선형 섬유(축 구동)를 원합니다. 부싱 튜브는 균형 잡힌 후프/축 구조와 벽 간 전압을 위한 조밀한 벽을 원합니다. 둘째, 감긴 튜브가 필요한 곳에 인발 성형 튜브를 대체하지 마십시오 . 내부 압력을 받는 순전히 축 방향 튜브 또는 후프 압착이 길이를 따라 분할되며 그 실패는 즉각적이고 총체적입니다.

재료 선택: 배전반 튜브의 등급표

실패 경로와 아키텍처를 염두에 두고 등급 결정을 쉽게 읽을 수 있습니다.

등급	수지 시스템	연속온도	튜브용으로 선택하는 이유	조심하세요
G10 튜브 (EP GC 201, IEC 61212)	에폭시	~120~155°C(클래스 B~F)	범용 베이스라인 낮은 수분 흡수, 좋은 균형, 밀폐된 작업에 비용 효율적	뜨거운 구획이나 화염 등급이 지정된 곳에는 적합하지 않음
G11 튜브 (EP GC 203, MIL-I-24768)	고온 에폭시, 할로겐 프리	155~180°C(클래스 F~H)	고온에서 실온 굽힘 강도의 ≥50%를 유지합니다. 진공 차단기 당김 튜브 및 고온 구획의 기본값; 밀폐형 배전반의 할로겐 프리 물질	본질적으로 화염 등급이 아님(UL 94 HB 클래스) - 인클로저 방화벽과 결합하거나 코드에서 V-0을 요구하는 경우 FR5로 단계 조정
FR4 / FR5 튜브	브롬화/고온 할로겐 프리 에폭시	~130°C / 최대 180°C	개방형 및 건식 개폐 장치, 실외 구획 및 코드 구동 큐비클을 위한 UL 94 V-0 난연성	고온 과 화염 등급이 함께 필요한 경우 FR5 필요
G7 튜브 (실리콘 유리)	실리콘	200°C+	뜨겁고 아크가 발생하기 쉬운 구획을 위한 탁월한 아크 저항성	비용; 에폭시 등급보다 기계적 강도가 낮음
유리-페놀/면 또는 린넨 페놀 튜브	페놀/멜라민	~120~170°C 등급	경제성, 역사적 배전반 의무, 일부 등급의 아크 저항	에폭시 유리보다 수분 흡수율이 높고 부서지기 쉽습니다. 습한 환경에서는 피하세요

두 가지 등급 결정이 실제 개폐 장치 튜브 사양을 지배합니다. 첫째, 온도 등급 대 화염 등급 : G11과 FR5는 동일한 재료가 아니며 'G11, V-0'을 요구하는 도면에서는 단일 등급이 제공되지 않는 조합을 요청했습니다. 내부에 무할로겐 G11 튜브가 있는 FR5 또는 V-0 인클로저가 필요합니다. 둘째, 밀폐형 기어의 할로겐 함량 : 튜브가 밀폐된 큐비클에 있을 때 할로겐 프리 G11은 화재 시 부식성 부산물을 방지하므로 FR4가 아닌 G11이 진공 차단기 풀 튜브의 기본값입니다.

벽 및 보어 설계: 두 표면 데이터시트 Skip

벽 크기 조정

전압이 벽을 통과하는 경우 벽 두께는 수직 유전체 요구 사항(일반적으로 전기등급 상처형 에폭시의 경우 14.5~20kV/mm 이상)을 따릅니다. 온도, 고도 및 서비스 수명을 고려하여 감소한 다음 단순한 파손이 아닌 부분 방전 성능을 확인합니다. 길이에 따라 전압이 흐르는 경우 벽에는 여전히 기계적 최소값이 필요합니다. 즉, 축 하중을 지탱하기에 충분한 단면적, 찌그러짐 없이 고정된 피팅의 반경 방향 압착에 저항하고 보어의 내부 간격이 절대 닫히지 않도록 튜브를 둥글게 유지해야 합니다.

보어 밀봉 및 환기

보어는 튜브 관련 고장이 숨어 있는 곳입니다. 세 가지 철학이 존재합니다. 밀봉하세요. 엔드 캡이나 접합 피팅을 사용하면 습기가 위험할 수 있는 곳에 건조제를 사용하여 내부를 밀폐된 공간으로 만들 수 있습니다. 밀봉된 보어는 공기를 교환할 수 없으므로 열 사이클에서 수분을 펌핑할 수 없습니다. 환기하십시오. 튜브를 완전히 밀봉할 수 없는 경우 여과된 경로나 미로 경로를 통해 의도적으로 호흡하게 하여 압력 차이가 끝 밀봉을 지나 물이 안쪽으로 유입되지 않도록 하십시오. 스프링 스택이 내부에 있는 설계의 보어 부분을 만들고 스프링에서 끝 부분까지의 내부 간격을 계산된 연면 거리로 처리하고 외부와 마찬가지로 확인합니다. 결코 용납할 수 없는 것은 공기를 가두어 응축시키는 밀봉되지 않고 통풍이 되지 않는 구멍입니다. 이는 첫 번째 추운 밤을 기다리는 내부 연면 경로입니다.

기계 설계: 튜브보다 수명이 긴 엔드 피팅, 스프링 및 조인트

엔드 피팅 - 튜브를 얻거나 잃어버리는 곳

가장 실패하기 쉬운 지역 절연 튜브 는 복합재가 금속과 만나는 경계면이며 중공 부분은 단단한 막대와 비교하여 접합 디자인을 변경합니다.

• 외부 슬리브 + 내부 마개. 차단기 풀 튜브의 산업 표준입니다. 금속 슬리브가 튜브의 외경 위에 접착되어 있고 마개나 핀이 보어 안으로 연장되므로 피팅이 양쪽에서 벽을 고정합니다. 여기서 보어는 자산입니다. 내부 스피곳은 피팅의 중심을 잡고 방사형 정렬을 수행하며 접착제에 두 번째 접착 표면을 제공합니다. 긴 접착 영역에 걸쳐 하중이 전달되고 섬유는 연속적으로 유지되며 모든 스레드는 전적으로 금속 부분에 존재합니다.

• 압착 방지 기능이 있는 핀 또는 클레비스 조인트. 튜브를 통과하는 가로 핀은 벽이 베어링 응력을 지탱할 만큼 두꺼운 경우에만 작동하며 얇은 벽은 핀 아래에서 타원형으로 뭉개지거나 부서집니다. 표준 완화는 국부적 보강입니다. 즉, 핀 위치의 보어에 금속 삽입물을 삽입하거나 외부 보스를 사용하여 핀이 지지되지 않는 라미네이트가 아닌 금속 위에 지탱되도록 합니다.

• 스레드를 벽에 직접 연결하십시오. 상처나 인발된 튜브에는 사용하지 마십시오. 실을 자르면 하중이 들어가는 정확한 지점에서 하중을 전달하는 섬유가 절단되며, 얇은 벽에는 실 깊이에 맞는 재료가 충분하지 않습니다. 저부하 작업에서 성형 복합 보스 또는 넉넉하게 두꺼워진 부분을 위한 나사산을 남겨두십시오.

선택한 조인트에는 세 가지 인터페이스 규칙이 적용됩니다. 맞물림 길이는 접착제의 강도보다 중요합니다. 긴 접착 라인은 서비스 부하와 열 순환 변형을 모두 분산시킵니다. 수분은 접착 라인이나 절단 끝 부분에 도달해서는 안 됩니다. 끝 면은 조립 시 밀봉됩니다. 섬유/접착제 경계를 따라 또는 노출된 섬유 끝 부분으로 물이 흡수되면 느리고 눈에 보이지 않는 킬러가 됩니다. 그리고 CTE 불일치는 현실입니다. 금속 피팅과 복합재는 작동 범위에 따라 다르게 팽창하므로 접합부는 분리 없이 차등 변형을 견뎌야 합니다. 단단한 접착 시스템이 아닌 유연한 접착 시스템이 이 응용 분야를 지배합니다.

스프링 스택 및 내부 하드웨어

진공 차단기에서 접촉 압력 스프링 스택은 당김 튜브 내부에 있는 경우가 많습니다. 따라서 보어는 기계적 인터페이스이기도 합니다. 스프링은 벽을 무너뜨리지 않는 어깨나 시트를 지탱해야 하고, 내부 연면 간격이 유지되어야 하며, 스프링 끝은 10,000회 작업 이상으로 보어 표면을 손상시키지 않아야 합니다. '단지 구멍일 뿐'이라는 이유로 내부를 무시하는 디자이너는 보호하기 위해 밀봉한 바로 그 부분에 짜증나는 잔해와 추적이 발생하게 됩니다.

전기 및 환경 설계

• 먼저 오리엔테이션. 숫자를 선택하기 전에 전압이 튜브의 길이를 따라, 벽을 가로질러 또는 서로 다른 섹션에서 교차하는 위치를 결정합니다. 길이에 따라: 크리피지는 길이를 유도합니다. 벽 전체: 벽 두께와 PD 성능이 단면을 좌우합니다.

• 크리피지 드라이브 길이; 보어는 두 번째 크리피지 표면입니다. 오염 등급에 대해 kV당 연면 거리의 외부 길이를 설정합니다. 큐비클이 좁은 곳에 창고를 추가하세요. 보어의 내부 경로도 동일한 규율로 처리합니다.

• 표면 마감은 유전 특성입니다. 거칠거나 섬유가 노출된 가공된 튜브 표면은 오염 물질을 수집하고 조기에 추적합니다. 부드럽고 잘 밀봉된 표면(필요한 경우 소수성 코팅 또는 실리콘 쉐드 포함)으로 젖은 연면 경로를 극적으로 확장합니다.

• 양쪽 표면 모두에서 수분 공격이 발생합니다. 에폭시 유리는 거의 흡수하지 않지만(전기등급 상처 튜브는 일반적으로 24시간 침수 후 0.1~0.5% 이하) 흡수된 수분은 표면 저항을 낮추고 밀봉되지 않은 끝과 절단을 통해 내부 인터페이스에 도달합니다. 끝면, 접착 라인 및 모든 기계 가공 표면을 밀봉하십시오.

• 재료가 아닌 완성된 튜브를 테스트하십시오. 차단기 서비스의 튜브는 전원 주파수 및 낙뢰 충격 내성, 부분 방전 측정 및 기계적 내구성(일반적으로 클래스 M2 메커니즘의 경우 10,000회 작동) 등 어셈블리에 대한 일상적인 테스트를 통해 검증됩니다. 성적은 하나의 입력입니다. 와인딩 아키텍처, 조인트 및 밀봉된 보어가 결과를 지배합니다.

결정이 만나는 곳: 뒤로 지정된 풀 튜브

자주 작동하도록 정격된 24kV 패널용 진공 회로 차단기 풀 튜브를 고려하십시오. 고장 경로에서 거꾸로 작업: 전압은 길이를 따라 흐르므로 튜브의 절연 길이는 오염된 실내 간격을 가로지르는 연면 거리에 의해 설정되고 큐비클이 빡빡한 경우 창고가 있습니다. 부재는 10,000주기 동안 이동 접점을 밀고 당겨야 하므로 끝 부분 피팅은 밀봉된 인터페이스가 있는 접착 슬리브-마개 조인트이며 보어는 밀봉되어 내부 표면에 응결이 발생하지 않도록 합니다. 접촉 압력 스프링 스택이 내부에 있기 때문에 벽에는 방사상 압박을 전달하기 위한 후프 섬유가 필요하고 내부 연면 간격은 실외 여유 공간과 같은 크기로 지정됩니다. 격실은 따뜻하기 때문에 등급은 G10이 아닌 G11(클래스 F-H, 할로겐 프리)입니다. 온도에서 유지되는 강도는 메커니즘의 수명 동안 접착 라인을 보호합니다. 패널이 밀폐되어 있고 화재에 민감하기 때문에 인클로저는 V-0 장벽을 제공하는 동시에 튜브 자체는 할로겐이 없는 상태를 유지합니다. 모든 선택은 실패 경로나 표면으로 거슬러 올라가며, 그 중 어느 것도 유전체 강도 컬럼을 비교하여 이루어진 것이 아닙니다.

자주 묻는 질문

결론

그만큼 스위치기어 메커니즘의 절연 부재는 하드웨어처럼 보이기 때문에 과소평가하기 쉽고, 막대로 그려지고, 막대로 설명되고, 막대로 생각되기 때문에 잘못 지정하기가 더 쉽습니다. 그렇지 않습니다. 속이 빈 튜브이며 속이 빈 것이 디자인입니다. 통과하는 전압에 맞는 크기의 벽, 밀봉되거나 의도적으로 사용되는 보어, 내부에서 무엇이든 압착하거나 밀어내는 후프 섬유, 단단한 벽이 아닌 얇은 벽 주위에 설계된 엔드 피팅입니다.