Analiza uszkodzeń spowodowanych zwarciem w obwodzie przerzutnika typu pufkowego 10kV

1. Przegląd awarii

W czerwcu 2013 roku w pewnym obszarze miejskim wystąpiła awaria w urządzeniu wysokiego napięcia, powodując odłączenie linii 10kV. Badanie na miejscu wykazało, że uszkodzone urządzenie to pneumatyczne złącz obciążeniowe (typ HXGN2-10), a charakterystyką awarii było trójfazowe krótkie spięcie łukowe. Po izolowaniu awarii i przywróceniu dostaw energii użytkownikom, należy zauważyć, że podobne urządzenia tego typu w tym obszarze, wprowadzone do eksploatacji między 1999 a 2000 rokiem (okres eksploatacji ponad 12 lat, zaprojektowany prąd znamionowy 630A, rzeczywisty prąd pracy głównie ≤ 300A), wielokrotnie doświadczały podobnych awarii, co stanowi zagrożenie dla niezawodnej pracy sieci energetycznej.

2. Zasada działania pneumatycznych złącz obciążeniowych

Szafa pierścieniowa jest tak nazwana, ponieważ wyposażona jest w pneumatyczne złącz obciążeniowe. Ruchomy pręt kontaktowy pełni również funkcję cylindra – jego pusta struktura zawiera szczelnie zamknięty "płynnik", który jest napędzany przez główny wał, realizując liniowy ruch zamykania i otwierania. Podczas otwierania płynnik szybko kompresuje powietrze w ruchomym pręcie kontaktowym (cylindrze), a skompresowane powietrze jest dmuchane w kierunku łuku spalania generowanego przez rozdzielenie kontaktów gaszących łuk, gasząc go poprzez jego rozciągnięcie; szybki strumień powietrza szybko przywraca siłę dielektryczną medium w miejscu rozdzielania, zapobiegając ponownemu zapłonowi łuku.

Ze względu na ograniczoną zdolność przełącznika do przerywania prądów uszkodzeniowych (tylko stosowana do systemów poniżej 35kV), zastosowano projekt "oddzielenia elementu przewodzącego od elementu zapalającego łuk":

• Element przewodzący: kontakty palcowe w kształcie śliwy z czerwonego miedzi + pręt przewodzący, odpowiedzialny za przesył prądu;

• Element zapalający łuk: pręt zapalający z stopu miedź-wolfram + pierścień zapalający, specjalnie przeznaczony do zapalania i gaszenia łuku.

Podczas otwierania, zewnętrzna powierzchnia ruchomego pręta kontaktowego najpierw oddziela się od statycznych kontaktów palcowych, a następnie pierścień zapalający oddziela się od pręta zapalającego. Łuk ograniczony jest do palenia między elementami zapalającymi, unikając uszkodzenia głównych kontaktów; ruchomy pręt kontaktowy i dolny terminal są połączone przez kontakty palcowe w kształcie śliwy, aby zapewnić przewodzenie elektryczne.

3. Głęboka analiza przyczyn awarii
(1) Wstępne badanie (czynniki zewnętrzne)

Zaprojektowany prąd znamionowy tego typu przełącznika wynosi 630A, ale dane dyspozytorskie pokazują, że prąd pracy przełącznika wychodzącego ze stacji wynosi 283A, a teoretyczny prąd przepływający przez szafę drogą jest ≤ 283A. Biorąc pod uwagę warunki lokalne (słoneczna pogoda, brak zanieczyszczeń na korpusie szafy), czynniki zewnętrzne takie jak nadprąd, nadnapięcie i błyskawiczenie mogą być bezpośrednio wykluczone, a awaria jest przypisana do wad samego urządzenia.

(2) Rozmontowanie i weryfikacja testowa

Po rozmontowaniu uszkodzonej szafy początkowo przypuszcza się, że "słabe dotykanie ruchomych i statycznych kontaktów prowadzi do przegrzewania i spalania", ale definitywny wniosek nie może być wyciągnięty ze względu na poważne uszkodzenia szafy. Dlatego przeprowadzono próbkowanie detekcji na tym samym typie urządzeń w eksploatacji:

• Napięcie znośne i opór pętli: poziom napięcia znośnego jest kwalifikowany, a opór pętli wynosi 114μΩ (zgodnie z przepisami technicznymi);

• Test wzrostu temperatury: dane z 30-minutowego testu wzrostu prądu (Tabela 1) pokazują, że wzrost temperatury osiąga 84,2°C przy 400A i aż 133,1°C przy 630A, znacznie przekraczając narodowy standard stabilnego oceniania "wzrost temperatury ≤ 1K w ciągu 1 godziny lub ≤ 2K w ciągu 3 godzin".

(3) Identyfikacja podstawowych przyczyn

Kompleksowe testy i analiza strukturalna wykazały, że awaria ma swoje źródło w awarii systemu kontaktowego, konkretnie manifestując się jako:

• Niewystarczająca siła sprężyny: nie może efektywnie skrócać kontaktów palcowych w kształcie śliwy, co powoduje, że "dotyk powierzchniowy" między kontaktami palcowymi a ruchomym prętem kontaktowym degraduje się do "dotyku liniowego", a powierzchnia kontaktu gwałtownie maleje;

• Defekty precyzji obróbki: niewystarczająca precyzja obróbki powierzchni łukowej/płaskiej kontaktów palcowych w kształcie śliwy nasila słabe dotykanie;

• Pętla utleniania: kontakty palcowe i ruchomy pręt kontaktowy są narażone na powietrze, a utlenianie prowadzi do wzrostu oporu kontaktowego → zwiększonego nagrzewania → dalszego osłabienia napięcia sprężyny → gorszych efektów dotykania, ostatecznie powodując jonizacyjny łuk krótcego spięcia i odłączenie linii.

4. Transformacja sprzętu i optymalne rozwiązania
(1) Modernizacja procesu: precyzyjna kontrola jakości kontaktów

Skupiając się na podstawowym problemie "słabego dotykania", wprowadzono ulepszenia z końców materiałów i obróbki:

• Wybór sprężyn: zastosowanie sprężyn o wysokiej odporności na zmęczenie, aby zapewnić stabilną siłę sprężyny w okresie projektowanego życia (w tym warunkach tworzenia i przerywania prądu znamionowego), unikając problemów kontaktowych spowodowanych awarią sprężyny;

• Obróbka kontaktów palcowych: ścisłe kontrolowanie precyzji obróbki powierzchni łukowej i płaskiej kontaktów palcowych w kształcie śliwy, aby zapewnić pełne dopasowanie do cylindrycznej powierzchni łukowej ruchomego pręta kontaktowego, eliminując ukryte zagrożenia dotykania liniowego/punktowego, zapewniając zdolność nośną prądu i zgodność wzrostu temperatury kontaktów.

(2) Optymalizacja projektu: monitorowanie stanu w czasie rzeczywistym

Integrowanie funkcji "monitorowania online" do projektu struktury szafy, aby umożliwić wizualizację stanu:

• Okno pomiaru temperatury i czujnik: ustawienie wygodnego okna do pomiaru temperatury, zainstalowanie czujnika temperatury na statycznym kontakcie i wyświetlanie temperatury części kontaktowej wewnątrz szafy w czasie rzeczywistym przez instrument panelu;

• Przechowywanie danych i ostrzeganie: konfiguracja sprzętu do przechowywania, aby rejestrować dane operacyjne. Nawet jeśli sprzęt się starzeje, anomalie mogą być zidentyfikowane na wczesnym etapie dzięki analizie danych, inicjując proces wymiany i konserwacji, przechodząc od biernego naprawiania do aktywnego zarządzania i utrzymania.

(3) Wzmocnienie obsługi i konserwacji: dynamiczne leczenie defektów

Dla sprzętu w eksploatacji, zoptymalizować metody obsługi i konserwacji:

• Transformacja okna obserwacyjnego: zmiana stałego okna obserwacyjnego na ruchome, aby ułatwić monitorowanie temperatury wewnątrz szafy;

• Normalizacja testów częściowego rozładowania: przeprowadzanie testów częściowego rozładowania urządzenia podczas okresów szczytowych obciążenia, aby wcześnie wykryć defekty izolacji i uniknąć rozszerzenia awarii.

5. Scenariusze zastosowania i sugestie rozwojowe

Z powodu wzrostu zużycia energii, główne linie sieci dystrybucyjnej są modernizowane do dużych przekrojowych kabli o powierzchni 300-400 m², a pojemność stacji transformatorowych ciągle rośnie. Niewystarczająca zdolność przerywania i wrażliwość kontaktów w pneumatycznych złączach obciążeniowych stają się coraz bardziej widoczne. Zaleca się:

• Dostosowanie scenariusza: wycofanie z zastosowań pierścieniowych linii i przejście do wysokiego napięcia w obszarach końcowych transformatorów (pojemność transformatora ≤ 630kVA), wykorzystując ich zalety "prostej struktury i niskiego kosztu";

• Iteracja technologiczna: dla scenariuszy pierścieniowych linii, priorytetowo wybierać urządzenia o wyższej niezawodności i większej zdolności przerywania (np. złącz obciążeniowych próżniowych), aby spełniać wymagania automatyzacji sieci dystrybucyjnej i wysokiej niezawodności;

• Kontynuacja wartości: po transformacji "modernizacji procesu + monitorowania online" pneumatyczne złącz obciążeniowe mogą nadal służyć scenariuszom obciążeń końcowych i wykorzystywać swoją wartość resztkową.