Fejlhåndtering af fejl i åbning af højspændingsafskærmere på et 110 kV understation

I henhold til relevante regler er det tilladt at udføre følgende operationer med højspændingsafbrydere:

• Tilslutning (åbning/lukning) af normalt driftende spændingsoverførere (PTs) og lynnedslagere;

• Tilslutning af hovedtransformatorens neutrale jordafbryder under normale driftsbetingelser;

• Tilslutning af småstrømsløkker for at balancere cirkulerende strømme.

En højspændingsafbryder er en elektrisk komponent uden evne til at slukke bue. Derfor må den kun opereres, når den er i åben position. At operere en afbryder under belastning – altså mens den associerede kredsluksafbryder er lukket eller udstyr er under spænding – kan generere intense elektriske buer. I alvorlige tilfælde kan dette forårsage fase til fase kortslutninger, skade udstyr og endda trænge personales sikkerhed.

Når afbryderen er i åben position, skal der være en tydeligt synlig og pålidelig adskillelse mellem dens bevægelige og stående kontakter, der opfylder den påkrævede isolationsafstand. Omvendt, når den er lukket, skal den pålideligt kunne overføre både normal belastningsstrøm og kortslutningsstrøm. Den primære funktion af en afbryder er at give et pålideligt isoleringspunkt mellem højspændingslevende dele og strømforsyningen eller busbar, der sikrer en klar afbrydelse for sikkert vedligeholdelse af deenergiserede ledninger.

Højspændingsafbrydere kan også bruges i koordination med understations transmissionslinjer til at udføre tilslutningsoperationer, hvilket ændrer understationens driftskonfiguration. For eksempel, i en understation med dobbelt busbar drift, kan den driftende busbar overføres til den reservebusbar – eller elektriske komponenter på en busbar kan skiftes til en anden – ved hjælp af busbar-forbindelseskredsluksafbryderen og højspændingsafbryderne på begge sider af busbar-forbindelseskredsluksafbryderen. Imidlertid, på grund af de hyppige tilslutningsoperationer, kan fejl som f.eks. manglende evne til at åbne eller lukke afbryderen forekomme. Disse fejl skal systematisk diagnosticeres og analyseres. Hvis der findes inbyggede defekter i selve afbryderen, er designforbedringer nødvendige.

1. Karakteristika af afbrydere

Typisk installeres en afbryder på hver side af en kredsluksafbryder for at skabe et tydeligt synligt afbrydningspunkt – der forbedrer sikkerheden og gør vedligeholdelse lettere. Strøm leveres fra den øverste busbar gennem et switchgearkabinet til udgående feeder. Afbryderen oven for kredsluksafbryderen isolerer primært strømforsyningen. Dog kan strøm nogle gange leveres fra den nedre side – f.eks. via revers strøm fra andre kredsløkker eller kondensatorer – hvilket kræver en anden afbryder under kredsluksafbryderen.

En bestemt 110 kV understation anvender GW16B/17B-252 type højspændingsafbrydere. Deres tekniske specifikationer er angivet i tabel 1. Denne afbryder er en trepol outdoor højspændingsenhed, designet til tomstrøms tilslutningsoperationer i 110 kV understationer, der giver elektrisk isolation mellem udstyr under vedligeholdelse og under spænding.

Nogle af de vigtigste funktioner for denne afbryder inkluderer en kompakt struktur, høj oxidationsbestandighed, stabil drift og stærk seismisk ydeevne. Dens mekaniske kontakt-system anvender et simpelt enarmet bøjningsdesign, med overførselskomponenter inden i den ledende rør, der beskytter dem mod eksterne miljøpåvirkninger. Inden i det ledende rør er der installeret et par justeringsfjeder og et sæt klemmefjeder: det første sikrer en pålidelig mekanisk balance under åbnings- og lukningsoperationer, mens det sidste giver tilstrækkelig kontaktpres for sikkert klem.

Da afbrydere typisk installeres udenfor, er de udsat for eksterne påvirkninger som vind og seismisk aktivitet. For at forbedre driftsfiabiliteten er der integreret en låsemekanisme i afbryderens krop for at sikre stabil og sikkert lukning. Både afbryderen og dens jordningskontakt anvender aluminiumlegering ledende rør, med sølv- eller guldplaterede bevægelige og faste kontakter for at garantere slidstyrke, mekanisk robusthed og elektrisk stabilitet ved roterende lejringer.

Jordningskontakten har et enarmet svajningsdesign. Under lukning roterer den bevægelige kontakt først og bevæger sig derefter vertikalt opad for at engagere den faste kontakt, hvilket undgår kontakt hop og tilbagehop. Dette design sikrer en pålidelig lukning og konsekvent dynamisk og termisk stabilitet under betingelser med angivet kortslutningsstrøm.

2. Struktur og driftsprincip for afbryderen

Driftsprocessen for en afbryder består af to hovedhandlinger: bøjningshandling og klemmehandling.

2.1 Bøjningshandling

Ved hjælp af en vandret rotationsmekanisme, driver et par tander monteret på den roterende porcelænsisolator to sæt fire-ledningsledninger til at udføre planbevægelse. Under denne drev, roterer det nedre ledende rør fremad for at lukke (lukningsoperation) eller bagud for at åbne (åbningsoperation). Den ledende skruetrækker på toppen af opereringsvridsen genererer dermed aksial forskydning i forhold til det nedre ledende rør.

Den øverste ende af denne ledende skruetrækker er forbundet til en tandradsammensætning. Når stangen bevæger sig, roterer den kæden, som i sin tur drev tandhjulet. Dette får det øverste ledende rør—fastsatt til tandhjulsskæften—til at bevæge sig i forhold til det nedre ledende rør, enten rettet (lukning) eller bøjet (åbning).

Samtidig, da den ledende skruetrækker udsættes for aksial bevægelse, lagrer og frigiver de justeringsfjeder inden i det ledende rør konstant energi. Dette effektivt modvirker den tunge bremsemoment, og sikrer en blid og stabil drift gennem hele skiftecyklussen.

2.2 Klemmehandling

Når afbryderen bevæger sig fra den åbne position mod den lukkede position og nærmer sig fuld justering (dvs. næsten ret konfiguration), engagerer tandhjulet med en skrå flade på gearkassen og fortsætter med at slide langs den. I dette punkt, under reaktionskraften fra returfjeder, bevæger den ledende skruetrækker— forbundet til tandradskæden—sig fremad.

Denne fremadrettet bevægelse overføres gennem den bevægelige kontakt-sammensætning, hvor en push rod konverterer lineær bevægelse til en klemmehandling af kontaktfingrene. Når den faste kontaktstang er sikkert grebet, glider tandhjulet let opad langs den skrå flade for at opnå fuld mekanisk lukning.

På dette trin er klemme-fjederen inden i det ledende rør yderligere comprimeret og udfolder kraft på push rod, hvilket sikrer en stabil drivkraft, der opretholder konsekvent og pålidelig kontaktpres mellem kontaktfingrene og den faste stang.

Under åbningsoperationen fortsætter tandhjulet med at bevæge sig udadlangs langs den skrå flade, indtil det er totalt løsrivet. Returfjederen trækker derefter push rod, hvilket får kontaktfingrene til at åbne i en "V"-form, dermed knuser den elektriske forbindelse.

3. Case Study

3.1 Fejlobservation og analyse

I et bestemt år, under en skiftningsoperation på 110 kV understation, kunne en højspændingsafbryder ikke åbnes. Der blev straks foretaget en omfattende inspektion af jordningsystemet, hovedledningssystemet, mekanisk interlock, øvre/nedre ledningsrør og den motoriserede opereringsmekanisme. Undersøgelsen afslørede, at overførselsgearhjulet inde i motormekanismekassen var skadet, og komponenter som aksepinde og lejringer var brust. Drifts- og vedligeholdelsespersonale rapporterede fejlen, og korrektive foranstaltninger blev implementeret ifølge årlig vedligeholdelsesplan.

3.2 Forbedringsforanstaltninger

(1) Opgraderede hjælpekomponenter
Aksepinde og lejringer blev erstattet med høj kvalitet rustfrit stål for at forhindre korrosion under langtidsdrift. Grafitimprægnerte og kompositbusser—modstandsdygtige over for korrosion og med lav friktionskoefficient—blev anvendt for at forbedre transmissionseffektiviteten. Alle udsatte jernhold varme-dip galvaniseret, hvilket betydeligt forbedrede anti-korrosionsydeevnen. Feltoplevelser bekræfter, at varme-dip galvanisering er velegnet til udendørs anvendelse.

(2) Forbedret motoriseret opereringsmekanisme
Den originale CJ7A motormekanisme blev erstattet med den nyere CJ11 model. En fotografie af den opgraderede CJ11-mekanisme vises i figur 1.

(3) Avanceret hjælpekontakt design
Hjælpekontakten er en vigtig sekundær komponent, der leverer åben/lukket statussignaler. Hvis den mislykkes, kan det føre til forkerte signaler og driftsfejl. Det nye design anvender en internationalt avanceret kamdrevet mikroswitch-mekanisme, der sikrer pålidelig skiftning, blid rotation og immun mod fejl under åben/lukket overgang.

(4) Motor kontrolbeskyttelse
Efter udførelse af en åben eller lukket operation, afbrydes motorkraft først af hjælpekontakten. Hvis hjælpekontakten mislykkes, afbryder terminal stopper på både åben og lukket side motoren. Hvis disse også mislykkes, aktiverer mekaniske stopper på begge sider en termisk relæ for at afbryde strømmen. Dette tretrins beskyttelsessystem stopper pålideligt motoren efter hver operation, prævenirer ukontrolleret bevægelse og potentielle mekaniske skader.

(5) Mekanisk transmissionsystem
Der anvendes et trinvredesystem. Trinvredet, koblingerne og andre reduktionskomponenter er præcisionsturnede og sigtede ind i en aluminiumslegningskasse. Dette design sikrer jævn drift, lav støj og ingen påvirkning fra stød.

(6) Sekundært styresystem
Kontrolpanelet har en rationel og æstetisk tilfredsstillende opstilling med en hingedørstruktur, der gør det nemt at forbindelseledninger og vedligeholde på stedet, samtidig med at det sikrer sikkert og pålideligt sekundært systemdrift.

(7) Kasse sigtede
Mekanismens kasse anvender luftpolstring på døren. Både døren og toppladen er lavet af rustfrit stål med en tykkelse på 2,5 mm, mens hovedkroppen anvender rustfrit stål med en tykkelse på 2 mm, hvilket giver fremragende modstandskraft mod vind, sand og korrosion.

4. Konklusion

Baseret på års erfaring med drift og fejlanalyse af afbrydermotormekanismer på denne 110 kV understation blev den originale mekanisme opgraderet til CJ11-modellen, som er udviklet af Pinggao Group - en nyt designet, selvstændigt udviklet trinvredemotoriseret operativ mekanisme. Dette forbedrede design overvinder tidligere svagheder i både ingeniørarbejde og produktion, og byder på høj driftsikkerhed, jævn bevægelse, høj transmissionshastighed, ingen inertiel påvirkning, lav støj, stærk udskiftbarhed og et attraktivt udseende.

Udover lokal og fjern elektrisk drift understøtter CJ11-mekanismen også manuel drift. Praktiske tests under nominal belastning har vist, at den kan udføre mere end 10.000 mekaniske operationer pålideligt.