10 kV puffer típusú terhelési kapcsoló rövidzárlat hibájának elemzése

1. Hiba áttekintése

2013. júniusban egy városi területen működő magasfeszültségi kapcsolóállomásban bekövetkezett hiba okozta, hogy egy 10 kV vonal lekapcsolódott. A helyszíni felmérés megmutatta, hogy a hibás eszköz egy légkamion alapuló gyűrűhálós magasfeszültségi terhelés-átváltó (HXGN2-10 típus), és a hiba jellemzője háromfázisú ív rövidzárs. A hiba elszakítása után, amikor a villamosenergiaellátást visszaállították, érdemes megjegyezni, hogy ugyanilyen típusú eszközök, amelyek 1999 és 2000 között kerültek üzembe (12 évnél hosszabb üzemidővel, 630 A tervezett jellegzetes árammal, valamint az tényleges üzemeltetési áram legtöbbször ≤ 300A), számos hasonló hibát tapasztaltak, ami fenyegetést jelent a hálózat megbízható működésére.

2. Légkamion alapuló terhelés-átváltók működési elve

A légkamion alapuló gyűrűhálós szekrény léggömbös terhelés-átváltóval van felszerelve. Az állapottól függő kontaktvégző hajtótyúkában található zárt “pisztoly”, amely a fő tengely által hajtott, lineáris mozgást valósítja meg a bezárás és nyitás során. Nyitás közben a pisztoly gyorsan összefogja a hajtótyúkban (léggömbben) lévő levegőt, és a komprimált levegőt az ívkitörlő műanyag cső keresztül irányítja a leváló ívkitörlő kontaktok által generált ívre, így a nyújtás révén kitörlve; a nagy sebességű levegőáram gyorsan visszaállítja a közeg izolációs erejét a szakadási ponton, megelőzve az ív újraszületését.

Mivel a kapcsoló hibajellegzetes áramok kitörlésének képessége korlátozott (csak 35 kV-nál alacsonyabb rendszerekre alkalmazható), ezért olyan tervezési elvet alkalmaznak, amelyben “elválasztják a vezető elemet az ívkitörlő elemtől”:

• Vezető elem: Vörös réz cseresznyefa alakú kontaktujj + vezető tyúk, amely felelős az áramátvitelért;

• Ívkitörlő elem: Réz-bizmut szövetszerű ívkitörlő tyúk + ívkitörlő gyűrű, kifejezetten az ívkitörléshez.

Nyitás közben a hajtótyúk külső felülete először szétválik a statikus kontaktujjakktól, majd az ívkitörlő gyűrű szétválik az ívkitörlő tyúktól. Az ív korlátozottan ég csak az ívkitörlő elemek között, így elkerülve a fő kontaktok károsodását; a hajtótyúk és az alsó végpontot cseresznyefa alakú kontaktujjak kötik össze, biztosítva az elektrikai vezetést.

3. A hiba okainak mélyebb elemzése
(1) Első lépések (külső tényezők)

Ez a típusú kapcsoló 630 A tervezett jellegzetes árrammal rendelkezik, de az üzemtervezési adatok szerint a kiszolgálóállomás kiinduló kapcsolójának működési árama 283 A, és a szekrény által az úton átmenő elméleti áram ≤ 283 A. Ezen felül a helyszíni környezettel (napos idő, nincs szennyezés a szekrény testén) kombinálva, a túlmelegedés, túlfeszültség és a szennyezés miatti fénytörik kizárhatók, és a hiba a szekrény saját hiányosságaihoz köthető.

(2) Szétdarabolás és vizsgálat igazolása

A hibás szekrény szétdarabolása után kezdetben azt feltételezték, hogy “a hajtó és statikus kontaktok rossz kapcsolata vezetett a túlmelegedéshez és égéshez”, de a szekrény súlyos károsodása miatt nem lehet pontos következtetést levonni. Ezért azonos típusú, üzemben lévő szekrények mintavételi ellenőrzése történt:

• Feszültségkiállítás és körzetellenállás: A feszültségkiállítási szint megfelelő, a körzetellenállás 114μΩ (megfelel a technikai előírásoknak);

• Hőemelkedési teszt: A 30 perces áram-emelkedési teszt adatok (Táblázat 1) szerint 400 A-nál a hőemelkedés 84,2 ℃, 630 A-nál pedig 133,1 ℃, ami messze haladja a nemzeti szabvány “1 órán belül ≤ 1 K vagy 3 órán belül ≤ 2 K” stabilitási határértékét.

(3) Gyökér okok azonosítása

Az átfogó tesztelés és strukturális elemzés alapján a hiba a kontaktrendszer hibájából ered, konkrétan:

• Gyenge rugóerő: Nem tudja hatékonyan összehúzni a cseresznyefa alakú kontaktujjakat, ami a “felületi kapcsolat” romlását eredményezi, ahol a kontaktujjak és a hajtótyúk “vonalkapcsolatra” változnak, és a kapcsolati felület drasztikusan csökken;

• Feldolgozási pontosság hiánya: A cseresznyefa alakú kontaktujjak íves/sík feldolgozásának hiánya tovább súlyosbítja a rossz kapcsolatot;

• Oxidáció viszont is: A kontaktujjak és a hajtótyúk a levegőben vannak, és az oxidáció a kapcsolati ellenállás emelkedését okozza → növekvő hőmérséklet → további rugóerő enyhülés → rosszabb kapcsolat, végül légi ionizáció és ív rövidzárs, ami a vonal lekapcsolódását okozza.

4. Berendezések átalakítása és optimalizálása
(1) Folyamatfrissítés: A kontaktminőség pontos ellenőrzése

A “rossz kapcsolat” alapvető problémájának orvoslása érdekében a anyag és a feldolgozás szintjén történnek javítások:

• Rugó kiválasztása: Rugók alkalmazása, amelyek magas fáradhatósággal bírnak, garantálva a rugóerő stabil maradását a tervezési élettartam alatt (beleértve a jellegzetes áram be- és kikapcsolását), elkerülve a rugóhibák miatti kapcsolati problémákat;

• Kontaktujj feldolgozása: Szigorúan ellenőrizni kell a cseresznyefa alakú kontaktujjak íves és sík feldolgozásának pontosságát, hogy teljes illeszkedést biztosítsa a hajtótyúk hengeres íves felületéhez, kiküszöbölve a vonal- és pontkapcsolat veszélyforrásait, és garantálva a kapcsolatok áramviszonylagos és hőemelkedési megfelelőségét.

(2) Tervezési optimalizálás: Teljes folyamat figyelése

Integráljuk a “online figyelés” funkciót a szekrény szerkezeti tervezésébe, hogy látványos állapotfigyelést valósítsunk meg:

• Hőmérő ablak és szonda: Egyszerű hőmérő ablak beállítása, statikus kontakt szonda telepítése, és a szekrény belsejében lévő kontakt rész hőmérsékletének valós idejű megjelenítése a panelen lévő műszeren keresztül;

• Adattárolás és riasztás: Tárolási berendezés beállítása az üzemadatok naplózására. Még akkor is, ha a berendezés öregszik, az adatelemzés segítségével előre fel lehet ismerni a rendellenességeket, indítva a cserére és karbantartásra vonatkozó folyamatot, áttérve a passzív javításról aktív üzemeltetésre és karbantartásra.

(3) Üzemeltetés és karbantartás megerősítése: Dinamikus hiba kezelés

Az üzemben lévő berendezések esetében optimalizáljuk az üzemeltetési és karbantartási módszereket:

• Megfigyelőablak transzformációja: A rögzített megfigyelőablakot mozgóvá alakítjuk, hogy megkönnyítse a szekrény belsejének hőmérsékleti ellenőrzését;

• Részleges töltés ellenőrzésének normalizálása: A szekrény részleges töltés ellenőrzése a csúcsterhelés időszakban, hogy előre fel lehessen ismerni az izolációs hibákat, és elkerülje a hibák kiterjedését.

5. Alkalmazási forgatókönyvek és fejlesztési javaslatok

A villamosenergia-fogyasztás növekedésével a hálózat fővonalai 300-400 m² nagy keretszakaszú kábelekre frissülnek, és a kiszolgálóállomások kapacitása folyamatosan növekszik. A légkamion alapuló szekrények kevésbé elégséges kitörlő képessége és sebezhető kontaktjai egyre inkább kiemelkednek. Javasoljuk, hogy:

• Forgatókönyv módosítása: Vonalgyűrű alkalmazásból vonuljanak vissza, és térjenek át magasfeszültségi távolságra a végponti transzformátor területekre (transzformátor kapacitása ≤ 630 kVA), kihasználva a “egyszerű szerkezet és alacsony költség” előnyeit;

• Technológiai iteráció: Vonalgyűrű forgatókönyvek esetén elsődlegesen válasszák a “magasabb megbízhatóságú és erősebb kitörlő képességű” szekrényeket (mint például a vakuum terhelés-átváltók) a hálózatautomatizáció és a magas megbízhatóság követelményeinek teljesítésére;

• Érték folytatása: A “folyamatfrissítés + online figyelés” átalakítása után a légkamion alapuló terhelés-átváltó szekrények továbbra is szolgálhatják a végponti terhelési forgatókönyveket, és kihasználhatják a reziduális értéküket.