تجزیه و تحلیل خطای کوتاه مدار در سوئیچ بار پاکن نوع ۱۰kV

1. خلاصه عیب

در ماه ژوئن 2013، عیبی در یک تجهیزات سوئیچگر فشار قوی در عملیات در یک منطقه شهری رخ داد که باعث قطع خط 10kV شد. بررسی محل نشان داد که سوئیچگر عیب‌دار یک سوئیچگر بار فشار قوی شبکه حلقه‌ای پنوماتیک (نوع HXGN2-10) بود و مشخصه عیب قطع کوتاه مدار سه‌فاز با قوس الکتریکی بود. پس از جداسازی عیب و بازگرداندن تامین برق به کاربران، باید توجه داشت که همان نوع سوئیچگر در این منطقه که بین سال‌های 1999 و 2000 به کار گرفته شده بود (با دوره عملکرد بیش از 12 سال، جریان اسمی طراحی شده 630A و جریان عملیاتی عموماً ≤ 300A)، چندین بار عیب‌های مشابه را تجربه کرده است که تهدیدی برای عملکرد قابل اعتماد شبکه برق است.

2. اصول کار سوئیچ‌های بار پنوماتیک

کابینت شبکه حلقه‌ای پنوماتیک به دلیل تجهیز به یک سوئیچ بار پنوماتیک نامگذاری شده است. میله تماس متحرک آن همچنین به عنوان سیلندر هوایی عمل می‌کند - ساختار توخالی شامل یک "پیستون" محکم است که توسط محور اصلی به حرکت خطی بستن و باز کردن می‌رساند. در زمان باز کردن، پیستون به سرعت هوا را در میله تماس متحرک (سیلندر) فشرده می‌کند و هوا فشرده شده از طریق نازل پلاستیک مقاوم به قوس الکتریکی که توسط جدا شدن تماس‌های خاموش کننده قوس ایجاد شده است، به سمت قوس فرستاده می‌شود و قوس را با کشیدن آن خاموش می‌کند؛ جریان هوا با سرعت بالا به سرعت قدرت عایق بندی محیط در محل قطع را بازیابی می‌کند و از دوباره روشن شدن قوس جلوگیری می‌کند.

به دلیل محدودیت توانایی سوئیچ در قطع جریان‌های عیب (فقط برای سیستم‌های زیر 35kV قابل استفاده)، طرح طراحی "جدا کردن المان هدایت کننده از المان القای قوس" به کار گرفته شده است:

• المان هدایت کننده: انگشتان تماس مسی شکل سیب + میله هدایت کننده، مسئول انتقال جریان؛

• المان القای قوس: میله القای قوس آلیاژ مس-تنگستن + حلقه القای قوس، خاص برای القای و خاموش کردن قوس.

در زمان باز کردن، ابتدا سطح بیرونی میله تماس متحرک از انگشتان تماس ثابت جدا می‌شود و سپس حلقه القای قوس از میله القای قوس جدا می‌شود. قوس به سوزاندن بین المان‌های القای قوس محدود می‌شود و از آسیب به تماس‌های اصلی جلوگیری می‌کند؛ میله تماس متحرک و ترمینال پایین از طریق انگشتان تماس شکل سیب به یکدیگر متصل می‌شوند تا هدایت الکتریکی را تضمین کنند.

3. تحلیل عمیق علل عیب
(1) بررسی اولیه (فاکتورهای خارجی)

جریان اسمی طراحی شده این نوع سوئیچ 630A است، اما داده‌های پخش نشان می‌دهد که جریان عملیاتی سوئیچ خروجی زیرстанیون 283A است و جریان نظری که از طریق تجهیزات سوئیچگر در مسیر می‌گذرد ≤ 283A است. با ترکیب شرایط محلی (آب و هوای آفتابی، بدون آلودگی در بدنه کابینت)، فاکتورهای خارجی مانند جریان اضافی، ولتاژ اضافی و قوس الکتریکی ناشی از آلودگی مستقیماً حذف می‌شوند و عیب به نقصان‌های خود سوئیچگر نسبت داده می‌شود.

(2) تجزیه و تحلیل و آزمایش پس از جداسازی

پس از جداسازی کابینت عیب‌دار، ابتدا حدس زده می‌شود که "تماس ضعیف بین تماس‌های متحرک و ثابت منجر به گرم شدن و سوختن" می‌شود، اما یک نتیجه قطعی به دلیل آسیب شدید کابینت به دست نمی‌آید. بنابراین، تست نمونه‌برداری روی همان نوع سوئیچگر در حال عملیات انجام می‌شود:

• مقاومت ولتاژ و مقاومت حلقه: سطح مقاومت ولتاژ معتبر است و مقاومت حلقه 114μΩ (مطابق با مقررات فنی) است؛

• آزمایش گرم شدن: داده‌های آزمایش جریان صعودی 30 دقیقه‌ای (جدول 1) نشان می‌دهد که گرم شدن به 84.2℃ در 400A و به 133.1℃ در 630A می‌رسد، که بسیار بالاتر از استاندارد ملی برای قضاوت پایدار در مورد "گرم شدن ≤ 1K در 1 ساعت یا ≤ 2K در 3 ساعت" است.

(3) شناسایی علل اساسی

آزمایش‌ها و تحلیل‌های ساختاری جامع نشان می‌دهد که عیب از شکست سیستم تماس نشأت گرفته است، به طور خاص به شکل زیر ظاهر می‌شود:

• نیروی فنر ناکافی: قادر به انقباض مؤثر انگشتان تماس شکل سیب نیست، که باعث تبدیل تماس "سطحی" بین انگشتان تماس و میله تماس متحرک به "خطی" می‌شود و کاهش تند مساحت تماس؛

• نقص در دقت پردازش: دقت ناکافی در پردازش سطح قوس/صفحه انگشتان تماس شکل سیب عدم تماس را تشدید می‌کند؛

• چرخه خرابکاری اکسیداسیون: انگشتان تماس و میله تماس متحرک به هوا مواجه هستند و اکسیداسیون باعث افزایش مقاومت تماس → گرم شدن بیشتر → کاهش بیشتر تنش فنر → وضعیت تماس ضعیف‌تر می‌شود و در نهایت منجر به قطع کوتاه مدار با قوس الکتریکی و قطع خط می‌شود.

4. تغییرات و راه‌حل‌های بهینه‌سازی تجهیزات
(1) به‌روزرسانی فرآیند: کنترل دقیق کیفیت تماس

با تمرکز بر مشکل اصلی "تماس ضعیف"، بهبود‌ها از سمت مواد و پردازش انجام می‌شود:

• انتخاب فنر: استفاده از فنرهای مقاوم به خستگی برای تضمین نیروی فنر پایدار در طول عمر طراحی (شامل شرایط ساخت و قطع جریان اسمی)، جلوگیری از مشکلات تماس ناشی از شکست فنر؛

• پردازش انگشتان تماس: کنترل دقیق دقت پردازش سطح قوس و صفحه انگشتان تماس شکل سیب برای تضمین تناسب کامل با سطح قوس استوانه‌ای میله تماس متحرک، حذف خطرات تماس خطی/نقطه‌ای و تضمین ظرفیت حمل جریان و مطابقت گرم شدن تماس‌ها.

(2) بهینه‌سازی طراحی: نظارت شرایط تمام‌فلزی

درج عملکرد "نظارت آنلاین" در طراحی ساختار کابینت برای تحقق وضعیت بصری:

• پنجره و سوند اندازه‌گیری دما: تنظیم پنجره اندازه‌گیری دما راحت، نصب سوند دما در تماس ثابت و نمایش دما تماس بخش داخل کابینت به طور واقعی از طریق دستگاه پنل؛

• ذخیره‌سازی داده و هشدار: تجهیز به تجهیزات ذخیره‌سازی برای ضبط داده‌های عملیاتی. حتی اگر تجهیزات قدیمی شوند، وضعیت‌های غیرمعمول می‌توانند از طریق تحلیل داده‌ها قبل از زمان شناسایی شوند و فرآیند تعویض و نگهداری را فعال کنند، از تعمیرات غیرفعال به عملیات و نگهداری فعال تغییر می‌کند.

(3) تقویت عملیات و نگهداری: درمان دینامیکی نقصان‌ها

برای تجهیزات در حال عملیات، روش‌های عملیات و نگهداری بهینه می‌شوند:

• تبدیل پنجره مشاهده: تغییر پنجره مشاهده ثابت به متحرک برای تسهیل نظارت بر دما درون کابینت؛

• نرمال‌سازی آزمایش تخلیه جزئی: انجام آزمایش تخلیه جزئی تجهیزات سوئیچگر در دوره‌های بار بالا برای ضبط مقدماتی نقصان‌های عایق بندی و جلوگیری از گسترش عیب‌ها.

5. سناریوهای کاربردی و پیشنهادات توسعه

با افزایش مصرف برق، خطوط اصلی شبکه توزیع به کابل‌های بزرگ‌مساحت 300-400 متر مربع به‌روزرسانی می‌شوند و ظرفیت زیرستانیون‌ها به طور مداوم افزایش می‌یابد. نقصان‌های کمبود ظرفیت قطع و تماس‌های آسیب‌پذیر سوئیچگر پنوماتیک بیش از پیش برجسته می‌شوند. پیشنهاد می‌شود:

• تغییر سناریو: خروج از کاربردهای شبکه حلقه‌ای خط و تغییر به توزیع فشار قوی در مناطق ترانسفورماتور پایانه (با ظرفیت ترانسفورماتور ≤ 630kVA)، استفاده از مزایای "ساختار ساده و هزینه کم"؛

• ایتراسیون فناوری: برای سناریوهای شبکه حلقه‌ای خط، اولویت به انتخاب تجهیزات سوئیچگر با قابلیت اطمینان بیشتر و ظرفیت قطع قوی‌تر (مانند سوئیچ‌های بار خلاء) داده شود تا نیازهای اتوماسیون شبکه توزیع و قابلیت اطمینان بالا را برآورده کند؛

• ادامه ارزش: پس از تغییر "به‌روزرسانی فرآیند + نظارت آنلاین"، سوئیچگر بار پنوماتیک می‌تواند در سناریوهای بار پایانه ادامه خدمت دهد و ارزش باقی‌مانده خود را بیان کند.