Structuur en principe van het werkingsmechanisme van de ABB VD4-stroomonderbreker

De VD4, ABB's befaamde middenspanningsschakelaar, heeft wereldwijd bijna een miljoen exemplaren verkocht. Ondanks de betrouwbaarheid treden er storingen op, met name in het bedieningsmechanisme. Onderhoudspersoneel vertrouwt op de handleiding van ABB, maar gedetailleerde handleidingen zijn schaars. Door een afgedankte VD4 te analyseren, biedt de auteur inzichten die nuttig zijn voor praktisch gebruik.

Het VD4-mechanisme is voorzien van een planaire scrollveer en hoofdas, met meertraps tripping voor positiebehoud en -omzetting, die via een nokkenhefboom wordt uitgevoerd.

1. Energieopslag:

De VD4 maakt gebruik van stabiele planaire scrollveren, waardoor het mechanisme efficiënter is dan bij traditionele veren.

Bewerkte tekst:

Figuur 1: Vlakke scrollveer

Zoals geïllustreerd in figuur 1, is één uiteinde van de vlakke scrollveer bevestigd aan de hoofdas, terwijl het andere uiteinde aan de veerbehuizing is bevestigd. Tijdens energieopslag blijft het uiteinde van de hoofdas van de spiraalveer stilstaan ​​en draait de energieopslagmotor of de energieopslagtuimelaar de veerbehuizing met de klok mee (gezien vanaf de linkerkant van het mechanisme; dezelfde oriëntatie geldt overal) via de ratelpal, ketting en het grote tandwiel, waardoor de scrollveer wordt gespannen.

Bij het openen en sluiten zit het uiteinde van de spiraalveer vast en zodra het activeringsmechanisme wordt losgelaten, draait de hoofdas met de klok mee onder de aandrijving van de spiraalveer, waardoor de opgeslagen energie vrijkomt.

Omdat de VD4 een vlakke schuifveer gebruikt, verschilt de overgang tussen de "onbelaste" en "opgeslagen" toestand van de veer van de meeste veerbediende mechanismen. Het betreft een spleetvaste constructie op de spleetveerbehuizing, die wordt gefaciliteerd door de coördinatie van een schijf, een hulpnok die aan de hoofdas is bevestigd en een rol die op de drijfstang voor energieopslag is gemonteerd. Simpel gezegd: zodra de energieopslag is voltooid, grijpt de rol, aangedreven door de drijfstang voor energieopslag, in een inkeping op de schijf. Hierdoor draait de drijfstang voor energieopslag onder een specifieke hoek, waardoor het bijbehorende hulpcontact voor energieopslag en de mechanische indicator voor energieopslag overschakelen naar de toestand "Energie opgeslagen". Omgekeerd, tijdens het sluiten van de stroomonderbreker, beweegt de maximale straal van de hulpnok door de spleet van de schijf, waardoor de rol terug naar de buitenrand van de schijf wordt geduwd. Door deze actie wordt de verbindingsstang van de energieopslag teruggebracht naar de oorspronkelijke hoek, waardoor het hulpcontact voor de energieopslag en de mechanische indicator voor de energieopslag terugkeren naar de status 'Geen energie opgeslagen'.

Figuur 2: Schematisch diagram van de overgang van de energieopslagstatus

Het is belangrijk om te weten dat bij een traditionele VD4-schakelaar die zich in de open stand bevindt zonder energieopslag, er nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid energie in de planaire scrollveer aanwezig is. Daarom moeten er nog steeds veiligheidsmaatregelen worden genomen.

2. Reismodule

De tripmodule van het VD4-schakelmechanisme heeft een strak en onderscheidend ontwerp. Ondanks de ogenschijnlijke complexiteit kan de gehele tripmodule, na demontage en analyse, worden onderverdeeld in drie fundamentele tripstructuren:

De eerste fase bestaat uit de voorrol en de remschijf van de grote waaiervormige plaat, die fungeert als een gespecialiseerde trippingstructuur met "pal + rol". De tweede fase omvat de grote waaiervormige plaat en de grote halve as, die samen een typische trippingstructuur vormen met "halve as + waaiervormige plaat". De derde fase omvat de openende halve as, de openende waaiervormige plaat, de sluitende halve as en de sluitende waaiervormige plaat, die samen twee sets trippingklemcombinaties van "halve as + waaiervormige plaat" vormen.

Figuur 3: Structuurdiagram van de tripmodule

De tripmodule van het VD4-schakelmechanisme dient zowel als houd- als tripfunctie. Laten we deze functies eens nader bekijken.

Houdfunctie:

Neem bijvoorbeeld de sluitpositie: zodra de sluitactie is voltooid, valt de voorste rol van de grote waaiervormige plaat in de corresponderende gleuf op de remschijf. Op dit punt wordt de grote halve as stevig op zijn plaats gehouden door de tangconstructie die wordt gevormd door de openende en sluitende sectorplaten. Dit voorkomt dat de voorste rollen van de grote sectorplaten worden opgetild, waardoor de remschijf effectief wordt vergrendeld en de hoofdas in de sluitpositie blijft.

Uitschakelfunctie:

Laten we nu de uitschakelfunctie bekijken met de openingsactie als voorbeeld. Wanneer het mechanisme een openingscommando ontvangt, draait de openingsas met de klok mee over een specifieke hoek. Deze beweging zorgt ervoor dat de openende waaierplaat zijn tijdelijke draaipunt verliest en met de klok mee draait, waardoor de tangvormige ondersteuningsstructuur die gevormd wordt door de openende en sluitende waaiervormige platen, uiteenvalt. Hierdoor draait de grote as tegen de klok in onder invloed van de terugstelveer, waardoor de grote waaiervormige plaat loslaat. De grote waaiervormige plaat tilt vervolgens de voorste rol op onder invloed van de terugstelveer, waardoor de remschijf loslaat. De remschijf draait met de klok mee onder invloed van de spiraalveer, waardoor de openingsactie wordt geïnitieerd.

Tijdens het openen duwt de drijfstang op de hulpas van de open- en sluitpositie (zoals weergegeven in Afbeelding 4) de openingssectorplaat terug naar de oorspronkelijke positie en koppelt deze weer aan de openende halve as. Dit herstelt de klemvormige ondersteuningsstructuur die wordt gevormd door de open- en sluitsectorplaten en duwt de grote halve as terug naar de oorspronkelijke hoek. Tegelijkertijd werken de hulpschijven aan beide zijden van de remschijf in op de achterste rollen van de grote waaiervormige plaat terwijl ze met de hoofdas meedraaien. Dit tilt het achterste deel van de grote waaiervormige plaat op en laat het voorste deel zakken, ter voorbereiding op de volgende vergrendeling van de voorste rol aan de remschijf.

Figuur 4: Openings- en sluitpositie van de hulpasverbindingsstang

De drijfstang van de hulpas speelt een cruciale rol in de werking van het VD4-schakelmechanisme. Deze zorgt voor een soepele overgang tussen de openings- en sluitstand door de openings- en sluitsectorplaten met elkaar te verbinden en hun beweging te vergemakkelijken.

3. Uitvoermodule

De uitgangsmodule van het VD4-bedieningsmechanisme is een essentieel onderdeel dat de roterende beweging van de hoofdas omzet in de lineaire beweging die nodig is voor het openen en sluiten van de stroomonderbreker. Deze bestaat uit drie nokkenschijven die op de hoofdas zijn gemonteerd en drie dubbelarmige bewegende schakels aan de onderkant van het mechanisme.

De dubbelarmige verbinding fungeert als hefboom, met het draaipunt in het midden. De voorkant van de hefboom wordt beïnvloed door de nokkenschijf op de hoofdas, terwijl de achterkant verbonden is met de isolerende trekstang van de vacuümbel en de openingsveer.

Tijdens het sluiten draait de nokkenschijf mee met de hoofdas en drukt daarbij op de rollen aan de voorzijde van de dubbelarmige verbinding. Hierdoor wordt de achterzijde van de verbinding opgetild, waardoor de isolerende trekstang omhoog wordt geduwd en de dynamische en statische contacten in de vacuümbel worden gesloten. Tegelijkertijd wordt de openingsveer samengedrukt, waardoor energie wordt opgeslagen voor de volgende openingsbeweging.

Omgekeerd draait de nokkenschijf tijdens het openen in de tegenovergestelde richting, waardoor de rollen aan de voorzijde van de dubbelarmige bewegende schakel worden losgelaten. Hierdoor kan de openingsveer uitzetten, waardoor de dynamische en statische contacten worden gescheiden en het circuit wordt geopend.

4. Vergrendelingsfunctie

Het VD4-bedieningsmechanisme is voorzien van een uitgebreide vergrendelingsfunctie die de veiligheid en betrouwbaarheid verhoogt. Hieronder vindt u een nadere blik op elk van de vergrendelingsfuncties:

1. Verbod op sluiten wanneer de handkar in de middenpositie staat:
   • Er is een sluitende vergrendelingselektromagneet (Y1) geïnstalleerd.
   • Eindschakelaars (S8 en S9) worden parallel geschakeld aan de sluitvergrendelingselektromagneet om het sluitvergrendelingscircuit te vormen.
   • Wanneer de handkar zich in de teststand of werkstand bevindt, maakt S8 of S9 verbinding met het sluitvergrendelingscircuit, waardoor de sluitvergrendelingselektromagneet wordt opgeladen en de mechanische vergrendeling van de sluitas wordt vrijgegeven.
   • Een hulpschakelaar (S2) in het sluitcircuit van de stroomonderbreker is in serie geschakeld met de bewegende ijzeren kern van de sluitvergrendelingselektromagneet, waardoor het circuit wordt voorbereid op het uitvoeren van het sluitcommando. Zoals hierboven vermeld, combineert de maatregel mechanische vergrendeling en elektrische vergrendeling, wat een uitgebreid vergrendelingsschema is.

De beschrijving beschrijft het belang en de functionaliteit van de hulpschakelaar S2 in het sluitcircuit van een VD4-bedradingsschema voor een handkar-type stroomonderbreker. Hier volgt een beknopte samenvatting en uitleg van de belangrijkste punten:

Hulpschakelaar S2 in het sluitcircuit

1. Verbeterde vergrendelingsbetrouwbaarheid:
   • De hulpschakelaar S2 wordt gebruikt in combinatie met de mechanische vergrendeling door de sluitvergrendelingselektromagneet Y1.
   • Dit dubbele vergrendelingsmechanisme verhoogt de betrouwbaarheid van de vergrendelingsfunctie van de stroomonderbreker.
2. Voorkomen van oververhitting en schade:
   • Als S2 niet in het sluitcircuit is opgenomen en de handwagen met de stroomonderbreker een sluitcommando ontvangt terwijl deze zich in de middelste positie bevindt, wordt het sluitcircuit onder spanning gezet.
   • Door de blokkerende werking van de sluitende vergrendelende elektromagneet Y1 kan de sluitende halve as niet draaien en kan de stroomonderbreker niet sluiten.
   • Dit zou leiden tot een langdurige bekrachtiging van de sluitende elektromagneet, waardoor deze oververhit zou kunnen raken en mogelijk zou kunnen doorbranden.
3. Rol van de hulpschakelaar:
   • Door S2 in het circuit op te nemen, wordt ervoor gezorgd dat de sluit-elektromagneet alleen onder spanning komt te staan ​​als de stroomonderbreker in de juiste sluitstand staat.
   • Hiermee wordt onnodige spanningstoename en mogelijke schade aan de elektromagneet voorkomen.

Sluitmechanisme

1. Mechanische vergrendeling:
   • Het sluitvergrendelingsmechanisme is een puur mechanisch systeem dat gebruikmaakt van een structuur met vier schakels, bestaande uit de vergrendelingsplaat van de stroomonderbreker, de vergrendelingshendel en de vergrendelingshendel.
   • Dit mechanisme wordt gerealiseerd tussen de leidspindel van het chassis en de sluitas van de schakelaar.
2. Functionaliteit:
   • Wanneer de handwagen met de stroomonderbreker zich in de test- of werkpositie bevindt, bevindt de vergrendelingsplaat van de stroomonderbreker in het chassis zich horizontaal, waardoor de sluitas vrij kan draaien.
   • Wanneer de handkar zich in de middenpositie bevindt, wordt de vergrendelingsplaat door de leidspindel opgetild, waardoor de vergrendelingshendel in de kunststof nok van de sluitas grijpt en de rotatie ervan blokkeert.

Concluderend zijn de hulpschakelaar S2 in het sluitcircuit en het sluitvergrendelingsmechanisme beide cruciale componenten die de veilige en betrouwbare werking van de handwagen met stroomonderbreker garanderen. Ze werken samen om ongeoorloofde of onveilige sluitbewegingen te voorkomen en de apparatuur te beschermen tegen mogelijke schade.

Figuur 6 Sluitmechanisme

De beschrijving geeft een gedetailleerd overzicht van de chassiscomponenten van de VD4-handkar en hun functies, met bijzondere aandacht voor veiligheidsmechanismen en operationele beperkingen. Hieronder vindt u een samenvatting en uitleg van de belangrijkste punten:

1. Chassisvervorming en onderhoud:
   • Uit het onderzoek is gebleken dat vervorming of vastlopen van het chassis ertoe kan leiden dat de mechanische vergrendeling niet goed wordt ontgrendeld, waardoor de sluitspoel kan verbranden.
   • Om dit te voorkomen, moeten de betreffende componenten regelmatig worden geïnspecteerd en onderhouden om ervoor te zorgen dat het chassis in goede staat verkeert.
2. Blokkering van de beweging van een handkar wanneer de stroomonderbreker gesloten is:
   • De VD4-schakelaar maakt gebruik van een mechanisch vergrendelingsmechanisme om te voorkomen dat de handkar naar binnen of naar buiten kan worden bewogen wanneer de stroomonderbreker gesloten is.
   • Dit wordt bereikt door de samenwerking tussen het vergrendelingsframe op de vergrendelingsplaat en de voorste rollen van de B-fase dubbelarmige bewegende verbinding.
   • Wanneer de stroomonderbreker gesloten is, worden de voorste rollen naar beneden gedrukt, waardoor er een kleine opening in het vergrendelingsframe ontstaat. Pogingen om de handkar te verplaatsen, zorgen ervoor dat de leidspindel tegen de vergrendelingsplaat drukt, wat op zijn beurt reageert op de leidspindel en de beweging blokkeert.
3. Blokkerende sluitschakelaar zonder energieopslag:
   • Het is van cruciaal belang dat de stroomonderbreker voldoende energie heeft opgeslagen voordat deze kan worden gesloten.
   • Zonder energieopslag of onvolledige energieopslag zullen de sluitsnelheid en -kracht afnemen, wat mogelijk tot sluitingsfalen kan leiden.
   • De VD4-schakelaar maakt gebruik van een samenwerking tussen de vergrendelingsplaat voor energieopslag en de verlengplaat van de sluitende waaiervormige plaat om sluiten te blokkeren wanneer er geen energieopslag is.
   • Zodra de energieopslag is voltooid, grijpt de rol op de verbindingsstang voor de energieopslag in de schijf, waardoor de stroomonderbreker normaal kan sluiten.

Kortom, de chassiscomponenten van de VD4-handkar zijn voorzien van veiligheidsmechanismen om onjuiste werking te voorkomen, zoals het blokkeren van de beweging wanneer de stroomonderbreker gesloten is en het voorkomen van sluiten zonder voldoende energieopslag. Regelmatig onderhoud en inspectie van deze componenten zijn essentieel om de veilige en betrouwbare werking van de apparatuur te garanderen.

Figuur 8a Positie van de vergrendelingsplaat voor energieopslag wanneer energie is opgeslagen

Herziene tekst:

Figuur 8(b) illustreert de positie van de vergrendelingsplaat voor energieopslag wanneer er geen energie is opgeslagen.

Ter aanvulling op het bovengenoemde mechanische vergrendelingsmechanisme is de VD4-schakelaar ook in serie geschakeld met de energieopslag-hulpschakelaar S1 (zoals afgebeeld in figuur 5) binnen het sluitcircuit. Deze opstelling verbetert de elektrische vergrendelingsfunctie en beschermt tegen mogelijke doorbranding van de sluit-elektromagneet.