Анализ короткого замыкания для выключателя нагрузки типа пневматический на 10 кВ

1. Обзор неисправности

В июне 2013 года в одном из городских районов произошла неисправность высоковольтного коммутационного оборудования, что привело к срабатыванию защиты на линии 10 кВ. В ходе осмотра места происшествия было установлено, что неисправное оборудование представляет собой пневматический кольцевой высоковольтный выключатель нагрузки (тип HXGN2-10), и характер неисправности — трехфазное дуговое короткое замыкание. После изоляции неисправности и восстановления подачи электроэнергии потребителям следует отметить, что аналогичное оборудование, введенное в эксплуатацию в период с 1999 по 2000 год (срок службы более 12 лет, номинальный ток 630 А, фактический рабочий ток в основном ≤ 300 А), в этом районе уже неоднократно давало подобные неисправности, что угрожает надежной работе электросети.

2. Принцип работы пневматических выключателей нагрузки

Пневматический кольцевой шкаф получил свое название благодаря использованию пневматического выключателя нагрузки. Его подвижный контактный стержень также выполняет функцию пневмоцилиндра — полая конструкция содержит герметичный «поршень», который приводится в движение главным валом для осуществления линейного движения при закрытии и открытии. При открытии поршень быстро сжимает воздух внутри подвижного контактного стержня (пневмоцилиндра), и сжатый воздух через аркорезистентную пластиковую насадку на верхней части направляется к дуге, возникающей при разъединении контактов, растягивая ее и гася; высокоскоростной поток воздуха быстро восстанавливает диэлектрическую прочность среды в месте разрыва, предотвращая повторное зажигание дуги.

Из-за ограниченной способности выключателя прерывать токи короткого замыкания (применимо только для систем до 35 кВ) используется схема дизайна, которая «разделяет проводящие элементы и элементы зажигания дуги»:

• Проводящие элементы: медные контактные пальцы в виде сливы + проводящий стержень, отвечают за передачу тока;

• Элементы зажигания дуги: медно-вольфрамовый стержень зажигания дуги + кольцо зажигания дуги, специально предназначены для зажигания и гашения дуги.

При открытии внешняя поверхность подвижного контактного стержня сначала отделяется от стационарных контактных пальцев, затем кольцо зажигания дуги отделяется от стержня зажигания дуги. Дуга ограничивается горением между элементами зажигания, предотвращая повреждение основных контактов; подвижный контактный стержень и нижний вывод соединены контактными пальцами в виде сливы, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

3. Глубокий анализ причин неисправности
(1) Предварительное расследование (внешние факторы)

Номинальный ток данного типа выключателя составляет 630 А, но данные диспетчеризации показывают, что рабочий ток выходного выключателя подстанции составляет 283 А, а теоретический ток, проходящий через коммутационное оборудование, ≤ 283 А. Учитывая окружающую среду (ясная погода, отсутствие загрязнений на корпусе шкафа), внешние факторы, такие как перегрузка, перенапряжение и загрязнение, можно исключить напрямую, и неисправность приписывается дефектам самого коммутационного оборудования.

(2) Разборка и проверка

После разборки неисправного шкафа первоначально предполагалось, что «плохой контакт между подвижными и стационарными контактами приводит к перегреву и горению», но определенный вывод сделать невозможно из-за серьезных повреждений шкафа. Поэтому была проведена выборочная проверка на аналогичном оборудовании, находящемся в эксплуатации:

• Выдерживание напряжения и сопротивление цепи: уровень выдерживания напряжения соответствует норме, сопротивление цепи 114 мкОм (соответствует техническим регламентам);

• Тест на нагрев: данные 30-минутного теста на увеличение тока (таблица 1) показывают, что нагрев достигает 84,2°C при 400 А и 133,1°C при 630 А, что значительно превышает государственные стандарты для стабильного определения «нагрев ≤ 1 К в течение 1 часа или ≤ 2 К в течение 3 часов».

(3) Определение коренных причин

Комплексное тестирование и структурный анализ показали, что неисправность возникла из-за отказа контактной системы, что проявилось следующим образом:

• Недостаточная сила пружины: она не может эффективно сжимать контактные пальцы в виде сливы, что приводит к ухудшению «поверхностного контакта» между контактными пальцами и подвижным контактным стержнем до «линейного контакта» и резкому уменьшению площади контакта;

• Дефекты точности обработки: недостаточная точность обработки дуговой поверхности/плоскости контактных пальцев в виде сливы усугубляет плохой контакт;

• Злокачественный цикл окисления: контактные пальцы и подвижный контактный стержень подвергаются воздействию воздуха, что приводит к окислению, увеличению контактного сопротивления → увеличению нагрева → дальнейшему ослаблению силы пружины → ухудшению контакта, в конечном итоге вызывая ионизацию воздуха, дуговое короткое замыкание и срабатывание защиты на линии.

4. Модернизация и оптимизация оборудования
(1) Обновление процесса: точный контроль качества контакта

С целью решения основной проблемы «плохого контакта» были внесены улучшения с точки зрения материала и обработки:

• Выбор пружин: использование пружин с высокой усталостной прочностью, чтобы обеспечить стабильную силу пружины в течение всего срока службы (включая условия включения и отключения номинального тока), предотвращая проблемы контакта, вызванные отказом пружины;

• Обработка контактных пальцев: строгий контроль точности обработки дуговой поверхности и плоскости контактных пальцев в виде сливы, чтобы обеспечить полное соответствие цилиндрической дуговой поверхности подвижного контактного стержня, устраняя скрытые опасности линейного/точечного контакта и обеспечивая соответствие требованиям по пропускной способности и нагреву контактов.

(2) Оптимизация дизайна: мониторинг состояния в реальном времени

Интеграция функции «онлайн-мониторинга» в конструкцию шкафа для реализации визуального контроля состояния:

• Окно для измерения температуры и зонд: установка удобного окна для измерения температуры, установка зонда температуры на стационарном контакте, отображение температуры контактной части внутри шкафа в режиме реального времени через панельный индикатор;

• Хранение данных и раннее предупреждение: конфигурация оборудования для записи эксплуатационных данных. Даже если оборудование стареет, через анализ данных можно заранее выявить аномальные ситуации, запустить процесс замены и обслуживания, переходя от пассивного ремонта к активному управлению и обслуживанию.

(3) Усиление эксплуатации и обслуживания: динамическое устранение дефектов

Для оборудования, находящегося в эксплуатации, оптимизированы методы эксплуатации и обслуживания:

• Трансформация окна наблюдения: изменение фиксированного окна наблюдения на подвижное, чтобы облегчить мониторинг температуры внутри шкафа;

• Нормализация частичных испытаний на разряд: проведение частичных испытаний на разряд коммутационного оборудования в периоды максимальной нагрузки, чтобы заранее выявить дефекты изоляции и предотвратить расширение неисправностей.

5. Сценарии применения и рекомендации по развитию

С ростом потребления электроэнергии основные линии распределительной сети модернизируются до кабелей с большим сечением (300-400 мм²), а мощность подстанций продолжает расти. Недостатки пневматического коммутационного оборудования, такие как недостаточная пропускная способность и уязвимые контакты, становятся все более очевидными. Рекомендуется:

• Адаптация сценария: вывод из применения в кольцевых сетях и переход к высоковольтному распределению в терминальных трансформаторных районах (мощность трансформатора ≤ 630 кВА), используя преимущества «простоты конструкции и низкой стоимости»;

• Технологическая итерация: для сценариев кольцевых сетей рекомендуется выбирать коммутационное оборудование с более высокой надежностью и большей пропускной способностью (например, вакуумные выключатели нагрузки) для удовлетворения требований автоматизации распределительной сети и высокой надежности;

• Продолжение ценности: после модернизации «процесса + онлайн-мониторинга» пневматическое коммутационное оборудование может продолжать служить в терминальных сценариях нагрузки, сохраняя свою остаточную стоимость.