Kurzschlussfehleranalyse eines 10kV-Pufferlastschalters
1. Fehlerübersicht
Im Juni 2013 trat ein Fehler in einer Hochspannungsschaltanlage in einem städtischen Gebiet auf, der zu einem Ausfall einer 10kV-Leitung führte. Die vor Ort durchgeführte Untersuchung ergab, dass die defekte Schaltanlage eine pneumatische Ringnetz-Hochspannungs-Lastschaltanlage (Typ HXGN2-10) war und das Fehlereigenschaften eines Dreiphasenbogenkurzschlusses aufwies. Nach Isolierung des Fehlers und Wiederherstellung der Stromversorgung für die Nutzer ist zu beachten, dass die gleiche Art von Schaltanlagen in diesem Gebiet, die zwischen 1999 und 2000 in Betrieb genommen wurden (mit einem Betriebszeitraum von mehr als 12 Jahren, einem Nennstrom von 630A und einem tatsächlichen Betriebsstrom, der meist ≤ 300A betrug), ähnliche Fehler mehrfach erlebt hat, was eine Bedrohung für den zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes darstellt.
2. Arbeitsprinzip der pneumatischen Lastschalter
Die pneumatische Ringnetz-Schaltanlage wird so benannt, da sie mit einem pneumatischen Lastschalter ausgestattet ist. Der bewegliche Kontaktstab dient auch als Zylinder, dessen hohle Struktur einen versiegelten “Kolben” enthält, der durch die Hauptwelle angetrieben wird, um die lineare Bewegung des Schließens und Öffnens zu realisieren. Beim Öffnen komprimiert der Kolben schnell die Luft im beweglichen Kontaktstab (Zylinder), und die komprimierte Luft wird durch die bogenfeste Kunststoffdüse am oberen Ende auf den durch die Trennung der Bögenlöschkontakte erzeugten Bogen geblasen, um den Bogen durch Dehnung zu löschen; der schnelle Luftstrom stellt schnell die Isolationsstärke des Mediums an der Unterbrechungsstelle wieder her, um ein erneutes Entzünden des Bogens zu verhindern.
Aufgrund der begrenzten Fähigkeit des Schalters, Fehlerströme abzuschalten (nur für Systeme unter 35kV geeignet), wird ein Entwurfskonzept angewendet, bei dem “das leitende Element vom Bögen entzündenden Element getrennt” wird:
Beim Öffnen trennt sich zunächst die äußere Oberfläche des beweglichen Kontaktstabs von den statischen Kontaktfingern, und dann trennt sich der Bögenentzündungsring vom Bögenentzündungsstab. Der Bogen wird eingeschränkt, zwischen den Bögenentzündungskomponenten zu brennen, um Schäden an den Hauptkontakten zu vermeiden; der bewegliche Kontaktstab und der untere Anschluss sind über Zapfenkontaktfinger verbunden, um die elektrische Leitung sicherzustellen.
3. Vertiefte Analyse der Fehlerursachen
(1) Vorläufige Untersuchung (externe Faktoren)
Der Nennstrom dieser Art von Schalter beträgt 630A, aber die Versorgungsdaten zeigen, dass der Betriebsstrom des Ausgangsschalters der Umspannanlage 283A beträgt, und der theoretische Strom, der durch die Schaltanlage fließt, ≤ 283A beträgt. In Verbindung mit der Umgebung vor Ort (sonniges Wetter, keine Verschmutzung am Gehäuse) können externe Faktoren wie Überstrom, Überspannung und Verschmutzungsausbrüche direkt ausgeschlossen werden, und der Fehler wird auf Mängel der Schaltanlage selbst zurückgeführt.
(2) Demontage und Testverifizierung
Nach der Demontage der defekten Schaltanlage wird zunächst vermutet, dass “ein schlechter Kontakt zwischen den beweglichen und statischen Kontakten zu Überhitzung und Verbrennung führt”, aber aufgrund schwerer Schäden an der Schaltanlage kann kein definitiver Schluss gezogen werden. Daher wird eine Probenahme und Prüfung an der gleichen Art von Schaltanlagen im Betrieb durchgeführt:
(3) Identifikation der Grundursachen
Umfangreiche Prüfungen und strukturelle Analysen zeigen, dass der Fehler aus dem Versagen des Kontaktsystems resultiert, insbesondere manifestiert sich dies als:
4. Ausrüstungsumbau und Optimierungslösungen
(1) Prozessverbesserung: Präzise Kontrollierung der Kontaktkualität
Gezielt auf das Kernproblem des “mangelhaften Kontakts” werden Verbesserungen an Material und Verarbeitung vorgenommen:
Federauswahl: Federn mit hoher Ermüdungsfestigkeit werden verwendet, um eine stabile Federkraft während der geplanten Lebensdauer (einschließlich der Bedingungen des Schließens und Öffnens des Nennstroms) sicherzustellen, um Kontaktprobleme aufgrund von Federfehlern zu vermeiden;
Kontaktfinger-Verarbeitung: Die Verarbeitungsgenauigkeit der Bogenfläche und Ebene der Zapfenkontaktfinger wird streng kontrolliert, um eine vollständige Passform mit der zylindrischen Bogenfläche des beweglichen Kontaktstabs sicherzustellen, um die Gefahren des Linienkontakts/Punkt-Kontakts zu beseitigen und die Stromtragfähigkeit und Temperaturanstiegskonformität der Kontakte zu gewährleisten.
(2) Designoptimierung: Vollständige Prozessbedingungsüberwachung
Integrieren Sie die Funktion “Online-Überwachung” in das Gehäusedesign, um eine visuelle Statusanzeige zu ermöglichen:
Temperaturmessfenster und -sonde: Ein bequemes Temperaturmessfenster wird eingerichtet, eine Temperatursonde am statischen Kontakt installiert, und die Temperatur des Kontaktbereichs im Gehäuse wird in Echtzeit über das Frontpaneelinstrument angezeigt;
Datenarchivierung und Frühwarnsystem: Speichergeräte werden konfiguriert, um Betriebsdaten aufzuzeichnen. Selbst wenn die Ausrüstung altert, können durch Datenanalyse frühzeitig ungewöhnliche Situationen identifiziert werden, um den Ersatz- und Wartungsprozess auszulösen, wodurch von passiver Reparatur zu aktiver Betriebs- und Wartung übergegangen wird.
(3) Betriebs- und Wartungsstärkung: Dynamische Behandlung von Fehlern
Für die im Betrieb befindliche Ausrüstung werden die Betriebs- und Wartungsmethoden optimiert:
5. Anwendungsszenarien und Entwicklungsanregungen
Mit dem Anstieg des Stromverbrauchs werden die Hauptleitungen des Verteilnetzes auf große Querschnittskabel von 300-400 m² aktualisiert, und die Kapazität der Umspannanlagen wächst weiter. Die Mängel der unzureichenden Schaltkapazität und der anfälligen Kontakte der pneumatischen Schaltanlagen treten immer deutlicher hervor. Es wird empfohlen:
