Anvendelsen af indendørs højspændings-vakuumkredsløbsbrydere

I første halvdel af 2007, som projektdeltagere fra Elektromekaniske Udstyrsvirksomheden i Huaibei Mining Group, gennemførte vi en teknisk transformation af 10kV understationen i Østfabrikken. Vores primære opgave var at erstatte de originale 10kV skærmere - olieindtrukne kredsløbsbrydere med ZN20 indendørs højspændings vakuumkredsløbsbrydere.

Tidligere havde SN10-10 olieindtrukne kredsløbsbrydere været i drift i lang tid, hvilket førte til alvorlige olielekkager i deres mekanismer. Dette nødvendiggjorde tankning hvert halve år, hvilket resulterede i en betydelig vedligeholdelsesbelastning. Desuden blev deres driftsmekanismer manuelt opereret, og beskyttelsesenhederne bestod af traditionelle relæer, som havde dårlig pålidelighed og høj fejlrate. Yderligere skulle relæbeskyttelsen kalibreres én gang om året, en opgave, der var både arbejdskrævende og klodsagtig.

For at sikre sikker produktion trak vi den konklusion, at vi skulle opgradere disse kredsløbsbrydere til vakuumkredsløbsbrydere. Denne transformation løste ikke blot de eksisterende driftsproblemer, men lagde også en solid grund for den stabile og effektive drift af understationen i fremtiden.

Strukturelle karakteristika af vakuumkredsløbsbrydere

Under den tekniske transformation af 10kV understationen i Østfabrikken fik vi en dybdegående indsigt i de strukturelle egenskaber af ZN20 typen vakuumkredsløbsbryder. Denne bryder består hovedsageligt af en driftsmechanisme, et kassekrop, vakuumrør, isolationsrammer og isolatorer. Den har en tredimensionel layout, hvor driftsmechanismen er installeret foran.

Indeni kassekroppen lavet af tynde stålplader er højspændingskomponenterne fastgjort bagved. Mekanismen forbinder til hovedakslen via forbindelsesplader. Når hovedakslen roterer, peger kravlerarmene, der er fastgjort på den, på isolatorerne, der driver den bevægelige ledningsstang i vakuumrøret til at udføre skiftninger. Både lukning og åbning kan styres manuelt eller elektrisk gennem driftsmechanismen. Desuden er den udstyret med en AC/DC dobbeltformål energilagringsmotor, hjælpekontaktmekanismer og en driftstæller. Klare "TIL" og "FRA" statusindikatorer på panelet gør det let at overvåge brydernes driftsstatus直观地监控断路器的操作状态。

该断路器依靠真空管来中断高压电路。如图1所示，真空管由动导电杆、静导电杆、动静触头、屏蔽罩、波纹管和陶瓷外壳组成。陶瓷外壳内密封的高真空度通常在10⁻⁴到10⁻⁷托（注：原文中的“104 - 10⁻⁷ Torr”可能是个错字；正确的范围应该是10⁻⁴到10⁻⁷托）。波纹管一端焊接在动导电杆上，另一端焊接在动端盖上。这个柔性组件使外部操作触点时保持完全密封。触点周围的屏蔽罩吸收真空电弧在电流中断过程中产生的金属蒸汽，防止绝缘外壳被污染。

通过改造项目中的实际经验，我们深刻体会到真空断路器相对于传统油浸式断路器的优势：

• 触头间隙小，所需操作能量少，动作迅速。

• 熄灭故障电流时电弧时间短，触头磨损小。

• 体积小，重量轻，维护要求大大减少。

• 防火防爆，运行噪音低。

• 这些优点对于提高变电站运行的可靠性和降低维护成本至关重要。

应用效果

作为项目参与者，我们深知真空断路器的操作机构通过储能弹簧的弹性能量来闭合真空管触头，这与手动储能速度无关，确保了快速闭合性能。该机构有三种运动状态：储能、闭合和分闸。

真空断路器通过在电流降至零时熄灭真空电弧来中断电流。当真空电弧熄灭时，触头之间的电子、正离子和其他粒子密度迅速下降。在几微秒内，触头间隙基本上恢复到原来的高真空度，并表现出高耐压能力，能够承受恢复电压而不发生击穿，从而完成中断过程。因此，即使在电流过零后短时间内施加高电压，触头间隙也不会再次击穿——这意味着真空电弧可以在第一次电流过零时完全熄灭。

应用效果

自2007年6月改造完成后投入运行以来，ZN20 10kV高压真空断路器表现出色。这些断路器具有快速的开合速度、低运行噪音和准确可靠的性能。

与之前的油浸式断路器相比，后者需要频繁加油且维护工作量大，而真空断路器显著减少了维护任务和成本，带来了实实在在的经济效益。在改造前的20多年运行中，变电站发生了几次误操作事故（例如在油浸式断路器处于闭合位置时强行拉开隔离开关），导致不同程度的设备损坏。

改造后，高压开关柜取消了隔离开关，每条回路由一个真空断路器控制。当断路器分闸时，断路器手车可以拉出，起到高压隔离开关的作用。此外，开关柜配备了符合“五防”要求的机械和电气联锁，有效避免了误操作事故，降低了事故发生率，确保了安全运行。

Bryderen bruger vakuumrør til at afbryde højspændingskredsløb. Som vist på figur 1, består et vakuumrør af en bevægelig ledningsstang, en statisk ledningsstang, bevægelige og statiske kontakter, en skjold, en bølgemembran og en keramisk omslutning. Inde i keramikhuset, der er sigillet med en høj vakuumgrad, normalt mellem 10⁻⁴ og 10⁻⁷ Torr (Bemærk: Originalteksten "104 - 10⁻⁷ Torr" kan være en fejl; den korrekte rækkevidde er 10⁻⁴ til 10⁻⁷ Torr), er bølgemembranen svaret til den bevægelige ledningsstang på den ene ende og den bevægelige endecappe på den anden. Denne fleksible komponent gør det muligt at operere kontakterne eksternt, mens den bibeholder fuld hermetisk sikring. Skjoldet omkring kontakterne absorberer metalvaporer, der dannes af vakuumbue under strømafbrydelse, og forhindrer forurening af isoleringsomslaget.

Gennem praktisk erfaring under transformationsprojektet har vi dybt forstået fordelene ved vakuumkredsløbsbrydere i forhold til traditionelle olieindtrukne:

• Kontaktforskel er lille, kræver mindre driftsenergi og muliggør hurtig handling.

• Kort buetid og minimal kontakt erosion under afbrydelse af fejlstrøm.

• Kompakt størrelse, let vægt og betydeligt reducerede vedligeholdelseskrav.

• Brand- og eksplosionsbestandighed samt lav driftslyd.

• Disse fordele er afgørende for at forbedre substationens driftsfiabilitet og reducere vedligeholdelsesomkostninger.

Anvendelseseffekter

Som projektdeltagere forstår vi dybt, at driftsmechanismen for vakuumkredsløbsbryderen lukker vakuumrørkontakterne gennem elastisk energi fra energilagringsfjederen, uafhængigt af manuel energilagringshastighed, og sikrer hurtig lukningsegenskab. Mechanismen har tre bevægelsesstater: energilagring, lukning og åbning.

Vakuumkredsløbsbryderen afbryder strømmen ved at slukke vakuumbuen, når strømmen falder til nul. I øjeblikket, hvor vakuumbuen slukkes, falder densiteten af elektroner, positive ioner og andre partikler mellem kontakterne hurtigt. Inden for mikrosekunder genopretter kontaktforskel næsten sin oprindelige høje vakuumgrad og viser høj udholdenhed mod spænding, der kan modstå genoprettelsesspændingen uden nedbrydning for at fuldføre afbrydelsesprocessen. Derfor vil kontaktforskel ikke bryde ned igen, selv hvis en høj spænding anvendes kort efter strømmens nulpassage – hvilket betyder, at vakuumbuen kan blive helt slukket ved den første nulpassage.

Anvendelseseffekter

Efter transformationsarbejdet og indførelsen af ZN20 10kV højspændings vakuumkredsløbsbrydere i juni 2007, har de vist fremragende ydeevne. Bryderne har hurtige luknings/åbningshastigheder, lav driftslyd og præcise og pålidelige handlinger.

Sammenlignet med de tidligere olieindtrukne kredsløbsbrydere, som krævede hyppig tankning og en stor vedligeholdelsesbelastning, har vakuumkredsløbsbryderne betydeligt reduceret vedligeholdelsesopgaver og -omkostninger, hvilket har bragt mærkbare økonomiske fordele. Under de over 20 år med drift inden transformationen oplevede understationen flere misshandlinger (som tvungen åbning af skærmere, mens olieindtrukne kredsløbsbryderen var i lukket position), hvilket forårsagede forskellig grad af udstyrsskade.

Efter transformationen blev højspændingsafbrydere forsynt med en enkelt vakuumkredsløbsbryder til hver kreds. Når kredsløbsbryderen åbnes, kan bryderkarret trækkes ud, hvilket fungerer som en højspændingsskærmere. Desuden er afbryderudstyr udstyret med mekaniske og elektriske låse i overensstemmelse med "Fem Prevention" krav, hvilket effektivt undgår misshandlinger, reducerer uheldsfrækvensen og sikrer sikker drift.