Аналіз короткозамкнених випадкових подій у вимикачі-автоматі на напругу 10 кВ

1. Огляд вади

У червні 2013 року у певному міському районі сталася вада у високовольтному комутаційному пристрої, що призвела до відключення лінії на 10 кВ. На місцевому огляді було з'ясовано, що вадливий комутаційний пристрій був пневматичним кільцевим високовольтним комутаційним пристроєм (тип HXGN2-10), а характеристика вади полягала в трифазному дуговому короткому замиканні. Після ізоляції вади та відновлення електропостачання для споживачів, варто зауважити, що подібні типи комутаційних пристроїв у цьому районі, які були введено в експлуатацію між 1999 і 2000 роками (період експлуатації понад 12 років, проектований номінальний струм 630А, фактичний операційний струм переважно ≤ 300А), неодноразово зустрічалися з подібними вадами, що становить загрозу надійності роботи електромережі.

2. Принцип роботи пневматичних комутаційних пристроїв

Пневматична кільцева шафа отримала свою назву завдяки оснащенню пневматичним комутаційним пристроєм. Його рухомий контактний вал також виконує функцію повітряного циліндру — порожниста конструкція містить герметизований «поршень», який приводиться в рух головною віссю для реалізації лінійного переміщення закриття та відкриття. При відкритті поршень швидко стискає повітря в рухомому контактному валу (повітряний циліндр), а стиснутий повітрозміс подувається через дугостійку пластикову насадку на верху на дугу, що утворюється при розділенні дугогасних контактів, розтягуючи її; швидкий потік повітря швидко відновлює ізоляційну стійкість середовища у точці розриву, запобігаючи повторному запаленню дуги.

Завдяки обмеженій здатності пристрою розривати аварійні струми (тільки для систем нижче 35 кВ) прийнято проектне рішення про «розподіл провідного елемента від елемента розжарювання»:

• Провідний елемент: контактні пальчики з червоної міді + провідний вал, відповідають за передачу струму;

• Елемент розжарювання: сплав міді-вольфраму дугогасний стержень + дугогасне кільце, спеціально для розжарювання та гашення дуги.

При відкритті зовнішня поверхня рухомого контактного вала спочатку розділяється зі статичними контактними пальчиками, а потім дугогасне кільце відокремлюється від дугогасного стержня. Дуга обмежується горінням між компонентами розжарювання, уникнення пошкодження основних контактів; рухомий контактний вал та нижній термінал з'єднуються контактними пальчиками, щоб забезпечити електропровідність.

3. Глибока аналітика причин вад
(1) Первинне дослідження (зовнішні фактори)

Проектований номінальний струм такого типу пристрою становить 630А, але диспетчерські дані показують, що операційний струм вихідного пристрою підстанції становить 283А, а теоретичний струм, що проходить через комутаційний пристрій по шляху, ≤ 283А. Враховуючи місцеве середовище (сонячна погода, відсутність забруднення на корпусі), зовнішні фактори, такі як переповнення струму, перевищення напруги та забруднення, можна безпосередньо виключити, і ваду призначено властивостям самого комутаційного пристрою.

(2) Розборка та перевірка тестуванням

Після розборки вадливого шафи спочатку припускали, що «погана контактність між рухомими та статичними контактами призводить до перегріву та спалювання», але окремого висновку не могли зробити через значні пошкодження шафи. Тому було проведено вибіркове тестування аналогічних комутаційних пристроїв, які знаходяться в експлуатації:

• Стійкість до напруги та опір контуру: рівень стійкості до напруги відповідає вимогам, опір контуру становить 114 мкОм (відповідає технічним регламентам);

• Тест на нагрівання: Дані 30-хвилинного тесту на збільшення струму (таблиця 1) показують, що нагрівання досягає 84.2°C при 400А, а при 630А досягає 133.1°C, що значно перевищує національні стандарти для стабільного визначення «нагрівання ≤ 1K протягом 1 години або ≤ 2K протягом 3 годин».

(3) Визначення кореневих причин

Комплексне тестування та структурний аналіз показали, що вада походить від невдалості контактної системи, конкретно проявляється як:

• Недостатня сила пружини: Не може ефективно стиснути контактні пальчики, що призводить до погіршення «поверхневого контакту» між контактними пальчиками та рухомим контактним валом до «лінійного контакту» та різкого зменшення площі контакту;

• Дефекти точності обробки: Недостатня точність обробки дугової поверхні/площини контактних пальчиків погіршує погану контактність;

• Цикл окислення: Контактні пальчики та рухомий контактний вал виявляються на повітря, і окислення призводить до збільшення опору контакту → збільшення нагрівання → подальше зниження напружень пружини → гірша контактна ефективність, що врешті-решт призводить до іонізації повітря дугового короткого замикання та відключення лінії.

4. Трансформація обладнання та оптимізаційні рішення
(1) Зростання процесу: Точне контролювання якості контакту

З метою вирішення ключової проблеми «поганої контактності» внесені поліпшення з матеріального та технологічного боку:

• Вибір пружин: Використання пружин з високою стійкістю до втоми, щоб забезпечити стабільну силу пружини протягом проектованого строку служби (включаючи умови створення та розриву номінального струму), уникнення проблем контактів, викликаних відмовою пружин;

• Обробка контактних пальчиків: Сувора контроль точності обробки дугової поверхні та площини контактних пальчиків, щоб забезпечити повну посадку з циліндричною дуговою поверхнею рухомого контактного вала, уникнення прихованих небезпек лінійного/точкового контакту, забезпечуючи провідну здатність та відповідність нагрівання контактів.

(2) Оптимізація дизайну: Моніторинг стану всього процесу

Інтеграція функції «онлайн-моніторингу» в дизайн конструкції шафи для візуалізації стану:

• Вікно для вимірювання температури та зонд: Встановлення зручного вікна для вимірювання температури, встановлення зонду температури на статичному контакті та відображення температури контактної частини всередині шафи в реальному часі через панельний прилад;

• Зберігання даних та раннє попередження: Конфігурація обладнання для запису операційних даних. Навіть якщо обладнання постаріє, аномальні ситуації можна вчасно виявити через аналіз даних, що запускає процес заміни та обслуговування, перехід від пасивного ремонту до активного управління та обслуговування.

(3) Підсилення експлуатації та обслуговування: Динамічне виправлення дефектів

Для обладнання, що знаходиться в експлуатації, оптимізовані методи експлуатації та обслуговування:

• Трансформація вікна спостереження: Зміна фіксованого вікна спостереження на рухоме, щоб спростити вимірювання температури всередині шафи;

• Нормалізація часткового випробування на випромінювання: проведення часткового випробування на випромінювання комутаційного пристрою під час пікових навантажень, щоб заблаговременно виявити дефекти ізоляції та уникнути розширення вад.

5. Сценарії застосування та пропозиції щодо розвитку

Зі збільшенням споживання електроенергії, головні лінії розподільної мережі модернізуються до великорозмірних кабелей 300-400 м², а ємність підстанцій продовжує зростати. Недоліки недостатньої здатності розриву та вразливих контактів пневматичних комутаційних пристроїв стають все більш помітними. Рекомендується:

• Зміна сценарію: Виведення з застосування у кільцевих лініях та переход до високовольтного розподілу в кінцевих трансформаторних зонах (з ємністю трансформатора ≤ 630 кВА), використовуючи переваги «простої конструкції та низької вартості»;

• Технологічна ітерація: Для сценаріїв кільцевих ліній, віддача переваги комутаційним пристроям з вищою надійністю та більшою здатністю розриву (наприклад, вакуумним комутаційним пристроям) для задоволення вимог автоматизації розподільної мережі та високої надійності;

• Продовження цінності: Після трансформації «технологічного оновлення + онлайн-моніторингу» пневматичні комутаційні пристрої можуть продовжувати обслуговувати кінцеві навантаження та використовувати своє залишкове значення.