Behandlung von Fehlern bei der Nicht-Öffnung eines Hochspannungs-Schalters in einer 110 kV-Umspannanlage

Gemäß den relevanten Vorschriften sind Hochspannungsschalter erlaubt, die folgenden Operationen durchzuführen:

• Schalten (Öffnen/Schließen) von normal betriebenen Spannungswandlern (PTs) und Überspannungsbegrenzern;

• Schalten des Neutralleiter-Schalters eines Haupttransformators unter normalen Betriebsbedingungen;

• Schalten von Stromkreisen mit geringem Strom, um Umlaufströme auszugleichen.

Ein Hochspannungsschalter ist ein elektrisches Bauteil ohne Bogenlöschfähigkeit. Daher darf er nur in der offenen Position bedient werden. Das Bedienen eines Schalters unter Last - also wenn der zugehörige Leistungsschalter geschlossen ist oder das Gerät unter Spannung steht - kann intensive elektrische Bögen erzeugen. In schwerwiegenden Fällen kann dies zu Kurzschlüssen zwischen den Phasen, Beschädigungen an Geräten und sogar zur Gefährdung der Personalsicherheit führen.

Wenn der Schalter in der offenen Stellung ist, muss es eine sichtbar und verlässlich getrennte Trennung zwischen seinen beweglichen und festen Kontakten geben, die den erforderlichen Isolationsabstand erfüllt. Umgekehrt muss er, wenn er geschlossen ist, sowohl den normalen Laststrom als auch den Kurzschlussstrom verlässlich leiten können. Die primäre Funktion eines Schalters besteht darin, einen verlässlichen Isolierungspunkt zwischen hochspannungsbehafteten Teilen und der Energiequelle oder dem Busbar zu bieten, um einen klaren Trennpunkt für die sichere Wartung deaktivierter Leitungen zu gewährleisten.

Hochspannungsschalter können auch in Kombination mit Umspannwerksübertragungsleitungen verwendet werden, um Schaltvorgänge durchzuführen, wodurch die Betriebskonfiguration des Umspannwerks geändert wird. Zum Beispiel kann in einem Umspannwerk mit Doppelbusbar-Betrieb der aktive Busbar auf den Standby-Busbar übertragen werden - oder elektrische Komponenten von einem Busbar auf den anderen verschaltet werden - mithilfe des Bus-Tie-Leistungsschalters und den Hochspannungsschaltern auf beiden Seiten des Bus-Tie-Schalters. Aufgrund der häufigen Schaltvorgänge können jedoch Fehler wie das Nichtöffnen oder Nichtschließen des Schalters auftreten. Diese Störungen müssen systematisch diagnostiziert und analysiert werden. Wenn es an dem Schalter selbst Mängel gibt, sind Designverbesserungen notwendig.

1. Merkmale von Schaltern

Typischerweise wird auf jeder Seite eines Leistungsschalters ein Schalter installiert, um einen sichtbaren Trennungspunkt zu schaffen - was die Sicherheit erhöht und die Wartung erleichtert. Die Energieversorgung erfolgt von der oberen Busbar über einen Schaltanlagenkasten zur Ausgangsleitung. Der Schalter stromaufwärts des Leistungsschalters isoliert hauptsächlich die Energiequelle. Allerdings kann die Energie gelegentlich von der stromabwärts liegenden Seite zugeführt werden - zum Beispiel durch Rückfluss von anderen Leitungen oder Kondensatoren - was einen zweiten Schalter stromabwärts des Leistungsschalters erforderlich macht.

Ein bestimmtes 110 kV-Umspannwerk verwendet GW16B/17B-252 Typ Hochspannungsschalter. Ihre technischen Spezifikationen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Dieser Schalter ist ein dreipoliges Freiluft-Hochspannungsgerät, das für Leerlaufschaltvorgänge in 110 kV-Umspannwerken konzipiert ist und eine elektrische Isolation zwischen wartungsbedürftigen Anlagen und unter Spannung stehenden Leitungen bietet.

Zu den wichtigsten Merkmalen dieses Abschalters gehören eine kompakte Struktur, hohe Oxidationsbeständigkeit, stabile Betriebsweise und starke Erdbebenfestigkeit. Sein mechanisches Kontaktsystem verwendet ein einfaches Einarm-Biege-Design, wobei die Übertragungselemente innerhalb des leitenden Rohrs untergebracht sind, um sie vor äußeren Umwelteinflüssen zu schützen. Im leitenden Rohr sind ein Paar Ausgleichsfedern und ein Satz Klemmfedern installiert: Die ersteren gewährleisten eine zuverlässige mechanische Balance während der Öffnungs- und Schließvorgänge, während die letzteren ausreichend Kontaktspannung für sichere Befestigung bereitstellen.

Da Abschalter in der Regel im Freien installiert werden, sind sie externen Einflüssen wie Wind und Erdbeben ausgesetzt. Um die Betriebssicherheit zu erhöhen, ist ein Verriegelungsmechanismus in den Abschalterkörper integriert, um eine stabile und sichere Schließung zu gewährleisten. Sowohl der Abschalter als auch sein Erdungsschalter verwenden Aluminiumlegierungsleiterrohre, mit silber- oder goldverplatteten beweglichen und festen Kontakten, um Verschleißbeständigkeit, mechanische Festigkeit und elektrische Stabilität an Drehgelenken zu garantieren.

Der Erdungsschalter verfügt über eine Einarm-Schwenkstruktur. Bei der Schließung dreht sich der bewegliche Kontakt zunächst und bewegt sich dann vertikal nach oben, um den festen Kontakt zu erreichen, was einen Kontaktwippen oder -sprung verhindert. Dieses Design gewährleistet eine zuverlässige Schließung und konsistente dynamische und thermische Stabilität unter den Bedingungen des Nennkurzschlussstroms.

2. Struktur und Arbeitsprinzip des Abschalters

Der Betriebsablauf eines Abschalters besteht aus zwei Hauptaktionen: Biegeaktion und Klemmaktion.

2.1 Biegeaktion

Gesteuert durch einen horizontalen Rotationsmechanismus treiben ein Paar Zahnräder, das auf dem drehbaren Porzellanisolator montiert ist, zwei Viergelenksgruppen zur Durchführung einer ebenen Bewegung an. Unter dieser Antriebswirkung dreht sich das untere Leiterrohr nach vorn, um zu schließen (Schließvorgang) oder nach hinten, um zu öffnen (Öffnungsvorgang). Der gekoppelte Antriebsstift an der Spitze des Betriebsgewindes erzeugt so eine axiale Verschiebung relativ zum unteren Leiterrohr.

Das obere Ende dieses gekoppelten Antriebsstifts ist mit einer Zahnrad-Kettenanordnung verbunden. Während der Stift sich bewegt, dreht er die Kette, die wiederum das Zahnrad antreibt. Dies führt dazu, dass das obere Leiterrohr – das am Wellenende des Zahnrads befestigt ist – sich relativ zum unteren Leiterrohr entweder gerade ausrichtet (Schließung) oder biegt (Öffnung).

Gleichzeitig speichern und geben die Ausgleichsfedern im Leiterrohr während der axialen Bewegung des gekoppelten Antriebsstifts kontinuierlich Energie ab. Dies wirkt effektiv gegen das schwere Bremsmoment und gewährleistet einen glatten und stabilen Betrieb über den gesamten Schaltzyklus hinweg.

2.2 Klemmaktion

Während der Abschalter vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand übergeht und sich vollständig ausrichtet (d.h. nahezu gerade Konfiguration), greift das Zahnrad auf eine geneigte Fläche in der Getriebebox und gleitet weiter darauf. In diesem Moment bewegt sich der gekoppelte Antriebsstift – verbunden mit der Zahnrad-Kette – unter der Rückstellkraft der Rückstellfeder nach vorn.

Diese Vorwärtsbewegung wird über die bewegliche Kontaktanordnung übertragen, wobei ein Druckstift die lineare Bewegung in eine Klemmaktion der Kontaktfinger umwandelt. Sobald der feste Kontaktkolben sicher gefasst ist, gleitet das Zahnrad leicht nach oben auf der geneigten Fläche, um eine vollständige mechanische Schließung zu erreichen.

In dieser Phase wird die Klemmfeder im Leiterrohr weiter komprimiert und übt Kraft auf den Druckstift aus, um eine stabile Antriebskraft zu gewährleisten, die eine konstante und zuverlässige Kontaktspannung zwischen den Kontaktfingern und dem festen Kolben aufrechterhält.

Während des Öffnungsvorgangs bewegt sich das Zahnrad weiter nach außen auf der geneigten Fläche, bis es sich vollständig löst. Die Rückstellfeder zieht dann den Druckstift, wodurch die Kontaktfinger in Form eines "V" geöffnet werden und die elektrische Verbindung getrennt wird.

3. Fallstudie

3.1 Beobachtung und Analyse von Fehlern

In einem bestimmten Jahr, während eines Schaltvorgangs in der 110-kV-Umspannstation, gelang es einem Hochspannungsabschalter nicht, sich zu öffnen. Eine umfassende Inspektion des Erdungssystems, des Hauptleitersystems, des mechanischen Verriegelungsmechanismus, der oberen/unteren Leiterrohre und des motorisierten Betriebsmechanismus wurde unverzüglich durchgeführt. Die Untersuchung ergab, dass das Übertragungszahnrad im Gehäuse des Motorbetriebsmechanismus beschädigt war und Komponenten wie Wellen und Gelenke gebrochen waren. Das Betriebspersonal meldete den Defekt, und korrektive Maßnahmen wurden gemäß dem jährlichen Wartungsplan implementiert.

3.2 Verbesserungsmaßnahmen

(1) Modernisierung der Hilfskomponenten
Wellen und Gelenke wurden durch hochwertiges rostfreies Edelstahlmaterial ersetzt, um Korrosion bei langfristigem Betrieb zu verhindern. Graphit imprägnierte und Verbundbuchsen, die korrosionsbeständig und mit niedrigem Reibungskoeffizient sind, wurden eingesetzt, um die Übertragungseffizienz zu verbessern. Alle freiliegenden Eisenanteile wurden heißverzinkt, was die Korrosionsbeständigkeit signifikant verbesserte. Felderfahrungen bestätigen, dass heißverzinktes Material gut für Außenanwendungen geeignet ist.

(2) Verbesserung des motorisierten Betriebsmechanismus
Der ursprüngliche CJ7A-Motorbetriebsmechanismus wurde durch das neuere CJ11-Modell ersetzt. Ein Foto des modernisierten CJ11-Mechanismus ist in Abbildung 1 zu sehen.

(3) fortschrittliches Design des Hilfsschalters
Der Hilfsschalter ist eine wichtige sekundäre Komponente, die Signale für den Offen-/Geschlossen-Zustand bereitstellt. Ein Ausfall könnte zu falschen Signalen und Betriebsfehlern führen. Das neue Design verwendet einen international fortschrittlichen Cam-getriebenen Mikroschaltermechanismus, der zuverlässiges Schalten, reibungslose Rotation und Unempfindlichkeit gegenüber Fehlern während der Offen-/Geschlossen-Übergänge gewährleistet.

(4) Motorschutzsteuerung
Nach Abschluss eines Offen- oder Geschlossen-Vorgangs wird die Motorkraft zunächst durch den Hilfsschalter abgeschaltet. Falls der Hilfsschalter versagt, trennen Endschalter auf beiden Seiten (Offen- und Geschlossen-Seite) die Motorkraft. Sollten diese ebenfalls versagen, aktivieren mechanische Stopper auf beiden Seiten einen Thermorelay, um die Stromversorgung zu unterbrechen. Dieses dreistufige Schutzsystem stoppt den Motor nach jedem Vorgang zuverlässig, verhindert unbeabsichtigte Bewegungen und potenzielle mechanische Schäden.

(5) Mechanisches Getriebesystem
Es wird ein Wurmgetriebe-Verbindungsmechanismus verwendet. Das Wurmgetriebe, die Verbindungen und andere Reduktionselemente sind präzise gefertigt und in einem Gehäuse aus Aluminiumlegierung abgedichtet. Diese Konstruktion gewährleistet einen reibungslosen Betrieb, geringes Geräuschpegel und keine Stoßbelastungen.

(6) Sekundäres Steuerungssystem
Die Bedienoberfläche verfügt über eine logische und ästhetisch ansprechende Anordnung mit einer Scharnier-Türstruktur, die das Verkabeln und die vor Ort durchgeführte Wartung erleichtert, während sie den sicheren und zuverlässigen Betrieb des sekundären Systems sicherstellt.

(7) Gehäuseabdichtung
Das Gehäuse des Mechanismus verwendet Luftpolsterabdichtung an der Tür. Die Tür und der Deckel bestehen aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 2,5 mm, während der Hauptkörper aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 2 mm hergestellt ist, was eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Wind, Sand und Korrosion bietet.

4. Schlussfolgerung

Basierend auf jahrelanger Betriebserfahrung und Fehlereanalyse der Motorantriebsmechanismen für Abschalter in dieser 110 kV-Umspannstation wurde der ursprüngliche Mechanismus auf das von der Pinggao Group entwickelte CJ11-Modell aktualisiert – ein neu gestalteter, unabhängig entwickelter Wurmgetriebe-Motorantrieb. Dieses verbesserte Design überwindet frühere Mängel sowohl in der Ingenieurwesen als auch in der Fertigung, bietet hohe Betriebssicherheit, flüssige Bewegung, hohe Übertragungseffizienz, keinen Trägheitsstoß, geringes Geräusch, starke Austauschbarkeit und ein ansprechendes Aussehen.

Neben lokaler und ferner elektrischer Bedienung unterstützt der CJ11-Mechanismus auch manuelle Bedienung. Praktische Tests unter Nennlastbedingungen haben seine Fähigkeit gezeigt, mehr als 10.000 mechanische Vorgänge zuverlässig durchzuführen.