تحلیل خطای کوتاه مدار در سوئیچ بار نوع بلوف ۱۰کیلوولت

1. مروری بر خطا

در ماه ژوئن سال 2013، خطایی در یک تجهیز کاربردی با ولتاژ بالا در یک منطقه شهری رخ داد که باعث قطع یک خط 10kV شد. بررسی محل نشان داد که تجهیز خراب شده یک جعبه بارساز حلقه‌ای پنوماتیک (نوع HXGN2-10) بود و ویژگی خطا کوتاه‌شدن سه‌فازی با قوس الکتریکی بود. پس از جدا کردن خطا و بازگرداندن تأمین برق به مشترکان، باید توجه داشت که همچنین تجهیزات مشابه در این منطقه که بین سال‌های 1999 و 2000 به کار گرفته شده‌اند (با دوره عملکرد بیش از 12 سال، جریان اسمی طراحی شده 630A و جریان عملیاتی بیشتر از 300A)، چندین بار مشابه این خطا را تجربه کرده‌اند و تهدیدی برای عملکرد قابل اعتماد شبکه برق هستند.

2. اصل کار بارسازهای پنوماتیک

جعبه حلقه‌ای پنوماتیک به دلیل داشتن یک بارساز پنوماتیک نامگذاری شده است. میله تماس‌پذیر متحرک آن همچنین به عنوان سیلندر هوا عمل می‌کند - ساختار توخالی شامل یک "پیستون" محکم است که توسط محور اصلی به حرکت خطی بستن و باز کردن می‌آید. هنگام باز کردن، پیستون سریعاً هوا موجود در میله تماس‌پذیر متحرک (سیلندر) را فشرده می‌کند و هوا فشرده شده از طریق نوک مقاوم به قوس در بالای میله به سمت قوس تولید شده توسط جدایی تماس‌ها تزریق می‌شود و قوس را با کشیدن آن خاموش می‌کند؛ جریان هوا با سرعت بالا سریعاً قدرت عایق بخشی محیط در محل قطع را بازیابی می‌کند و از دوباره روشن شدن قوس جلوگیری می‌کند.

به دلیل محدودیت توانایی بارساز در قطع جریان‌های خطا (فقط برای سیستم‌های زیر 35kV قابل کاربرد)، طرح "جدا کردن المان هدایت‌کننده از المان تولید قوس" اتخاذ شده است:

• المان هدایت‌کننده: انگشتان تماسی شکل گیلاسی از مس + میله هدایت‌کننده، مسئول انتقال جریان؛

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

هنگام باز کردن، ابتدا سطح بیرونی میله تماس‌پذیر متحرک از انگشتان تماسی ثابت جدا می‌شود و سپس حلقه تولید قوس از میله تولید قوس جدا می‌شود. قوس محدود به سوزیدن بین المان‌های تولید قوس می‌شود و از خسارت به تماس‌های اصلی جلوگیری می‌کند؛ میله تماس‌پذیر متحرک و ترمینال پایین از طریق انگشتان تماسی شکل گیلاسی به هم متصل می‌شوند تا اطمینان از هدایت الکتریکی داده شود.

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

جریان اسمی طراحی شده این نوع بارساز 630A است، اما داده‌های تنظیمی نشان می‌دهد که جریان عملیاتی بارساز خروجی زیرстанیون 283A است و جریان نظری عبوری از تجهیزات در مسیر ≤ 283A است. با توجه به محیط محلی (هوای آفتابی، عدم آلودگی بدنه جعبه)، فاکتورهای خارجی مانند جریان بیش از حد، ولتاژ بیش از حد و خاموشی به دلیل آلودگی مستقیماً حذف می‌شوند و خطا به نقص تجهیزات خود نسبت داده می‌شود.

(2) بررسی و آزمایش پس از تجزیه

پس از تجزیه جعبه خراب شده، ابتدا حدس زده می‌شود که "تماس ضعیف بین تماس‌های متحرک و ثابت منجر به گرم شدن و سوختن می‌شود"، اما به دلیل آسیب شدید جعبه، نمی‌توان نتیجه قطعی گرفت. بنابراین، نمونه‌برداری و آزمایش روی تجهیزات مشابه در حال کار گرفته می‌شود:

• مقاومت عایق بخشی و مقاومت حلقه: سطح مقاومت عایق بخشی مجاز است و مقاومت حلقه 114μΩ (مطابق با مقررات فنی) است؛

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

(3) شناسایی علل اساسی

آزمایش‌های جامع و تحلیل ساختاری نشان می‌دهد که خطا از شکست سیستم تماس نشأت می‌گیرد، به طور خاص به صورت زیر ظاهر می‌شود:

• نیروی فنر ناکافی: نمی‌تواند انگشتان تماسی شکل گیلاسی را مؤثر بچسباند، که باعث تبدیل تماس "سطحی" بین انگشتان تماسی و میله تماس‌پذیر متحرک به تماس "خطی" می‌شود و مساحت تماس به طور شدید کاهش می‌یابد؛

• نقص در دقت پردازش: دقت ناکافی در پردازش سطح قوس/صفحه انگشتان تماسی شکل گیلاسی، تماس ضعیف را تشدید می‌کند؛

• چرخه خرابکارانه اکسیداسیون: انگشتان تماسی و میله تماس‌پذیر متحرک در معرض هوا قرار دارند و اکسیداسیون باعث افزایش مقاومت تماس می‌شود → گرم شدن بیشتر → کاهش بیشتر نیروی فنر → تأثیر تماس بدتر، در نهایت منجر به کوتاه‌شدن با قوس الکتریکی و قطع خط می‌شود.

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

با توجه به مشکل اصلی "تماس ضعیف"، بهبود‌هایی از طریق مواد و پردازش انجام می‌شود:

• انتخاب فنر: استفاده از فنرهای مقاوم به خستگی برای اطمینان از نیروی فنر پایدار در طول عمر طراحی (شامل شرایط بستن و باز کردن جریان اسمی)، از مشکلات تماس ناشی از خرابی فنر جلوگیری می‌کند؛

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

(2) بهینه‌سازی طراحی: نظارت بر وضعیت تمام‌مسیر

انتگرال‌سازی عملکرد "نظارت آنلاین" به طراحی ساختار جعبه برای دستیابی به وضعیت تصویری:

• پنجره و سوند اندازه‌گیری دما: ایجاد یک پنجره اندازه‌گیری دما راحت، نصب سوند دما در تماس ثابت و نمایش دما داخل جعبه از طریق دستگاه صفحه نمایش؛

• ذخیره‌سازی داده و هشدار: تجهیزات ذخیره‌سازی برای ضبط داده‌های عملکرد. حتی اگر تجهیزات قدیمی شوند، می‌توان با تحلیل داده‌ها، وضعیت‌های غیرعادی را مقدماتی شناسایی کرد و فرآیند تعویض و نگهداری را فعال کرد، از تعمیر و نگهداری پس از خرابی به عملیات و نگهداری پیشگیرانه تغییر می‌کند.

(3) تقویت عملیات و نگهداری: درمان نقص‌های پویا

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

• تبدیل پنجره مشاهده: تغییر پنجره مشاهده ثابت به متحرک برای تسهیل نظارت بر دما در داخل جعبه؛

<リスティングが途中で切れてしまったようです。続きを翻訳いたします。

• 规范化局部放电测试：在高峰负荷期间对开关柜进行局部放电测试，以提前捕捉绝缘缺陷并避免故障扩大。

5. 应用场景与发展建议

随着用电量的增加，配电网主干线升级为300-400㎡的大截面电缆，变电站容量持续增长。气动开关柜断流能力和接触薄弱的问题日益突出。建议：

• 场景调整：退出线路环网应用，转向终端变压器区域的高压配电（变压器容量≤630kVA），利用其“结构简单、成本低”的优势；

• 技术迭代：对于线路环网场景，优先选择可靠性更高、断流能力更强的开关柜（如真空负荷开关）以满足配电网自动化和高可靠性的要求；

• 价值延续：经过“工艺升级+在线监测”改造后，气动负荷开关柜可以继续服务于终端负荷场景，并发挥其剩余价值。

5. کاربردها و پیشنهادات توسعه

با افزایش مصرف برق، خطوط اصلی شبکه توزیع به کابل‌های بزرگ‌قطعه 300-400 متر مربع به‌روزرسانی شده‌اند و ظرفیت زیراستانیون‌ها به‌طور مداوم در حال افزایش است. کمبود ظرفیت قطع و ضعف تماس در بارسازهای پنوماتیک بیش از پیش آشکار می‌شود. پیشنهادات:

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

• تکامل فناوری: برای سناریوهای حلقه‌ای خط، اولویت به انتخاب بارسازهای با قابلیت اطمینان بالاتر و ظرفیت قطع قوی‌تر (مانند بارسازهای بار پنوماتیک) داده شود تا نیازهای خودکارسازی شبکه توزیع و قابلیت اطمینان بالا را برآورده کند؛

• ادامه ارزش: پس از تغییرات "به‌روزرسانی فرآیند + نظارت آنلاین"، بارسازهای بار پنوماتیک می‌توانند در سناریوهای بار پایانی ادامه خدمت دهند و ارزش باقی‌مانده خود را اعمال کنند.