Pagsusuri ng Kamalian sa Maikling Sirkwit ng 10kV Puffer-Type Load Switch

1. Buod ng Sakit

Noong Hunyo 2013, nangyari ang isang sakit sa isang mataas na boltag na switchgear na nasa operasyon sa isang tiyak na lungsod, nagresulta sa pag-trip ng linya ng 10kV. Ang imbestigasyon sa lugar ay nagpakita na ang may sakit na switchgear ay isang pneumatic ring-network high-voltage load switchgear (HXGN2-10 type), at ang katangian ng sakit ay isang three-phase arc short circuit. Matapos mailayo ang sakit at mabigyan muli ng suplay ng kuryente ang mga user, dapat tandaan na ang parehong uri ng switchgear sa rehiyon na ito, na inilunsad sa pagitan ng 1999 at 2000 (na may panahon ng operasyon na higit sa 12 taon, disenyo na rated current na 630A, at aktwal na operating current na kadalasang ≤ 300A), ay nakaranas na ng maraming katulad na mga sakit, na nagbabanta sa maasamang operasyon ng grid ng kuryente.

2. Paggana ng Prinsipyong Pneumatic Load Switches

Ang ring-network cabinet na pneumatic ay pinangalanang dahil ito ay mayroong pneumatic load switch. Ang movable contact rod nito ay may dalawang tungkulin—isa bilang air cylinder—ang hollow na estruktura ay naglalaman ng sealed “piston”, na idinidrive ng main shaft upang maisagawa ang linear na paggalaw ng closing at opening. Kapag binuksan, ang piston ay mabilis na pumipindot sa hangin sa loob ng movable contact rod (air cylinder), at ang compressed air ay ipinapadala patungo sa arc na ginawa ng paghihiwalay ng arc-extinguishing contacts sa pamamagitan ng arc-resistant plastic nozzle sa tuktok, na naliliko ang arc sa pamamagitan ng paghaba nito; ang mabilis na paggalaw ng hangin ay mabilis na nagsasagawa ng insulating strength ng medium sa break, na nagpipigil sa arc na muling bumuhay.

Dahil sa limitado ang kakayahan ng switch na break fault currents (lamang na applicable sa mga sistema na mas mababa sa 35kV), isinasagawa ang disenyo ng “separating the conductive element from the arc-igniting element”:

• Conductive element: Red copper plum-shaped contact fingers + conductive rod, responsable para sa transmisyon ng kuryente;

• Arc-igniting element: Copper-tungsten alloy arc-igniting rod + arc-igniting ring, espesyal para sa pagbuo at pagwasak ng arc.

Kapag binuksan, ang labas na surface ng movable contact rod unang nahihati mula sa static contact fingers, at pagkatapos ay ang arc-igniting ring nahihati mula sa arc-igniting rod. Ang arc ay inirerehistro upang magbunsod sa pagitan ng mga komponente ng arc-igniting, na iniiwasan ang pinsala sa pangunahing mga contact; ang movable contact rod at ang lower terminal ay konektado sa pamamagitan ng plum-shaped contact fingers upang matiyak ang electrical conduction.

3. Mas Malalim na Analisis ng Mga Dahilan ng Sakit
(1) Unang Imbestigasyon (External Factors)

Ang disenyo na rated current ng ganitong uri ng switch ay 630A, ngunit ang data ng dispatch ay nagpapakita na ang operating current ng outgoing switch ng substation ay 283A, at ang teoretikal na current na dadaanan ng switchgear sa daan ay ≤ 283A. Sa kombinasyon ng on-site environment (maaraw na panahon, walang polusyon sa katawan ng cabinet), ang mga external factors tulad ng over-current, over-voltage, at pollution flashover ay maaaring direktang i-exclude, at ang sakit ay itinuturing na dulot ng mga kapansanan ng switchgear mismo.

(2) Pag-disassemble at Test Verification

Matapos ma-disassemble ang may sakit na cabinet, unang tinataya na “poor contact between the movable and static contacts leads to overheating and burning”, ngunit hindi maaaring ibigay ang tiyak na konklusyon dahil sa seryosong pinsala sa cabinet. Kaya, ginagawa ang sampling detection sa parehong uri ng switchgear na nasa operasyon:

• Withstand voltage at loop resistance: Ang lebel ng withstand voltage ay qualified, at ang loop resistance ay 114μΩ (sumasang-ayon sa teknikal na regulasyon);

• Temperature rise test: Ang 30-minute current-rising test data (Table 1) ay nagpapakita na ang temperature rise ay umabot sa 84.2℃ sa 400A at mahigit pa sa 133.1℃ sa 630A, na lubhang lumampas sa pambansang pamantayan para sa stable judgment ng “temperature rise ≤ 1K within 1 hour or ≤ 2K within 3 hours”.

(3) Pagtukoy ng Mga Totoong Dahilan

Ang comprehensive testing at structural analysis ay nagpapakita na ang sakit ay nanggaling sa pagkakasira ng contact system, na partikular na ipinapakita bilang:

• Insufficient spring force: Hindi ito maepektibong nagkokontrata ng plum-shaped contact fingers, na nagresulta sa pagdeteriorate ng “surface contact” sa pagitan ng contact fingers at movable contact rod sa “line contact”, at malubhang pagbawas ng contact area;

• Defects sa processing precision: Insufficient precision sa arc surface/planar processing ng plum-shaped contact fingers ay nagpapagrabe ng poor contact;

• Oxidation vicious cycle: Ang contact fingers at movable contact rod ay nakalantad sa hangin, at ang oxidation ay nagdudulot ng pagtaas ng contact resistance → pagtaas ng init → mas malubhang pagbawas ng spring tension → mas masama ang contact effect, na sa huli ay nagdudulot ng air ionization arc short circuit at line tripping.

4. Transformasyon ng Equipment at Optimization Solutions
(1) Process Upgrade: Precise Control of Contact Quality

Tinutugunan ang core problem ng “poor contact”, ang mga pagbabago ay ginagawa mula sa material at processing ends:

• Spring selection: Ginagamit ang mga spring na may mataas na fatigue resistance upang matiyak ang stable spring force sa loob ng disenyo ng buhay (kasama ang kondisyon ng paggawa at pag-break ng rated current), na nag-iwas ng mga problema sa contact na dulot ng pagkakasira ng spring;

• Contact finger processing: Mahigpit na kontrolin ang processing precision ng arc surface at plane ng plum-shaped contact fingers upang matiyak ang complete fitting sa cylindrical arc surface ng movable contact rod, na nag-iwas ng mga hidden dangers ng line contact/point contact, at matiyak ang carrying capacity at temperature rise compliance ng mga contact.

(2) Design Optimization: Full-process Condition Monitoring

I-integrate ang “online monitoring” function sa disenyo ng cabinet structure upang maisagawa ang visual status:

• Temperature measurement window at probe: Itatakda ang convenient temperature measurement window, ilagay ang temperature probe sa static contact, at ipakita ang temperature ng contact part sa loob ng cabinet sa real-time sa pamamagitan ng panel instrument;

• Data storage at early warning: I-configure ang storage equipment upang irecord ang operating data. Kahit na ang equipment ay lumangoy, ang abnormal situations ay maaaring ma-identify sa advance sa pamamagitan ng data analysis, na nag-trigger ng proseso ng replacement at maintenance, na nag-shift mula sa passive repair sa active operation at maintenance.

(3) Operation at Maintenance Strengthening: Dynamic Defect Treatment

Para sa equipment na nasa operasyon, i-optimize ang mga paraan ng operation at maintenance:

• Observation window transformation: Baguhin ang fixed observation window sa movable upang mapadali ang temperature monitoring sa loob ng cabinet;

• Normalization ng partial discharge testing: Gawan ng partial discharge testing ng switchgear sa panahon ng peak load periods upang ma-capture ang insulation defects sa advance at iwasan ang paglaki ng mga sakit.

5. Application Scenarios at Development Suggestions

Sa pagtaas ng pagkonsumo ng kuryente, ang mga pangunahing linya ng distribution network ay in-upgrade sa malalaking cross-section cables ng 300-400㎡, at ang kapasidad ng mga substation ay patuloy na tumataas. Ang kakaunti ng breaking capacity at vulnerable contacts ng pneumatic switchgear ay naging mas prominent. Inirerekumenda na:

• Scenario adjustment: Ilisan mula sa line ring-network applications at ilipat sa high-voltage power distribution sa terminal transformer areas (na may transformer capacity ≤ 630kVA), gamit ang mga adhika ng “simple structure at low cost”;

• Technology iteration: Para sa line ring-network scenarios, bigyang-priority ang pagpili ng switchgear na may mas mataas na reliability at mas malakas na breaking capacity (tulad ng vacuum load switches) upang tugunan ang mga requirement ng distribution network automation at mataas na reliability;

• Value continuation: Matapos ang transformation ng “process upgrade + online monitoring”, ang pneumatic load switchgear ay maaari pa ring maglingkod sa mga terminal load scenarios at ipaglaban ang residual value nito.