Aanpak van storingen bij het niet-openen van een hoogspanningsafbreker in een 110 kV onderstation

Volgens de relevante voorschriften is het toegestaan om met hoge-spanningsafschakelaars de volgende operaties uit te voeren:

• Schakelen (openen/ sluiten) van normaal werkende spanningstransformatoren (PTs) en overvoltagebeveiligingen;

• Schakelen van de neutrale aardingsschakelaar van een hoofdtransformator onder normale werkomstandigheden;

• Schakelen van kleine stroomkringen om circulerende stromen te balanceren.

Een hoge-spanningsafschakelaar is een elektrisch component zonder boogdoofvermogen. Daarom mag deze alleen worden bediend wanneer hij in de open stand is. Het bedienen van een afschakelaar onder belasting - d.w.z. terwijl de bijbehorende schakelaar gesloten is of de apparatuur onder spanning staat - kan hevige elektrische bogen veroorzaken. In ernstige gevallen kan dit faseshortages veroorzaken, apparatuur beschadigen en zelfs de veiligheid van personeel in gevaar brengen.

Wanneer de afschakelaar in de open stand is, moet er een duidelijk zichtbare en betrouwbare scheiding zijn tussen de bewegende en vaste contacten, die aan de vereiste isolatieafstand voldoet. Omgekeerd, wanneer gesloten, moet hij zowel de normale belastingsstroom als de kortsluitstroom betrouwbaar kunnen dragen. De primaire functie van een afschakelaar is om een betrouwbaar isolatiepunt te bieden tussen hoge-spanningslevende delen en de energiebron of busbar, waardoor een duidelijke onderbreking wordt verzekerd voor veilig onderhoud van gedemonteerde lijnen.

Hoge-spanningsafschakelaars kunnen ook worden gebruikt in combinatie met onderstationsvoedingslijnen om schakeloperaties uit te voeren, waardoor de operationele configuratie van het onderstation kan worden gewijzigd. Bijvoorbeeld, in een onderstation met dubbele busbar-operatie kan de werkende busbar worden overgebracht naar de reserve-busbar - of elektrische componenten op één busbar kunnen worden overgeschakeld naar een andere - met behulp van de buskoppelingsschakelaar en de hoge-spanningsafschakelaars aan weerszijden van de buskoppelingsschakelaar. Echter, vanwege de frequente schakeloperaties kunnen storingen zoals onmogelijkheid om de afschakelaar te openen of te sluiten optreden. Deze fouten moeten systematisch worden gediagnostiseerd en geanalyseerd. Als er inherente gebreken in de afschakelaar zelf bestaan, zijn ontwerpverbeteringen nodig.

1. Kenmerken van afschakelaars

Meestal wordt er één afschakelaar aan elke kant van een schakelaar geïnstalleerd om een duidelijk zichtbaar onderbrekingspunt te creëren - wat de veiligheid vergroot en het onderhoud vergemakkelijkt. Elektriciteit wordt vanaf de bovenste busbar via een schakelkast naar de uitgaande voeder geleid. De afschakelaar stroomopwaarts van de schakelaar is voornamelijk gericht op het isoleren van de energiebron. Echter, soms kan er energie vanaf de stroomafwaartse kant worden gevoed - bijvoorbeeld door stroom terug te voeren vanuit andere circuits of condensatoren - waardoor een tweede afschakelaar stroomafwaarts van de schakelaar nodig is.

Een bepaald 110 kV-onderstation maakt gebruik van GW16B/17B-252 type hoge-spanningsafschakelaars. Hun technische specificaties staan vermeld in Tabel 1. Deze afschakelaar is een drie-polig buitenapparaat dat is ontworpen voor belastingsloze schakeloperaties in 110 kV-onderstations, waarbij elektrische isolatie wordt geboden tussen apparatuur in onderhoud en onder spanning staande circuits.

De belangrijkste kenmerken van deze schakelaar omvatten een compacte constructie, hoge oxidatiebestendigheid, stabiele werking en sterke seismische prestaties. Het mechanische contact systeem maakt gebruik van een eenvoudig ontwerp met een enkelarmige buiging, waarbij de overbrengingsonderdelen binnen de geleidende buis zijn opgenomen om ze te beschermen tegen externe milieueffecten. Binnen de geleidende buis zijn een paar balansveren en een set klemveren geïnstalleerd: de eerste zorgt voor betrouwbare mechanische balans tijdens open- en sluitbewegingen, terwijl de laatste voldoende contactdruk biedt voor veilig klemmen.

Aangezien schakelaars meestal buiten worden geïnstalleerd, zijn ze blootgesteld aan externe invloeden zoals wind en seismische activiteit. Om de operationele betrouwbaarheid te verhogen, is er een vergrendelingsmechanisme in het schakelaarkastje geïntegreerd om stabiele en veilige sluiting te garanderen. Zowel de schakelaar als de aardingschakelaar gebruiken aluminiumlegering geleidende buizen, met zilver- of goudgeplaatste bewegende en vaste contacten om slijtbestendigheid, mechanische robuustheid en elektrische stabiliteit in roterende verbindingen te garanderen.

De aardingschakelaar heeft een ontwerp met een enkelarmige zwaai. Tijdens het sluiten roteert het bewegende contact eerst en beweegt dan verticaal omhoog om het vaste contact te verbinden, waardoor contactbouncing of -veer wordt voorkomen. Dit ontwerp zorgt voor betrouwbare sluiting en constante dynamische en thermische stabiliteit onder de nominale kortsluitstroomomstandigheden.

2. Structuur en werkingsprincipe van de schakelaar

Het bedieningsproces van een schakelaar bestaat uit twee hoofdacties: buigactie en klemactie.

2.1 Buigactie

Onder leiding van een horizontaal rotatiemechanisme drijven een paar tandwielen die op de draaiende porseleinen isolator zijn gemonteerd, twee sets vierkoppelmechanismen om planaire beweging uit te voeren. Onder deze aandrijving roteert de onderste geleidende buis naar voren om te sluiten (sluitoperatie) of naar achteren om te openen (openoperatie). De gekoppelde bedieningsstang bovenaan de bedieningschroef genereert hierdoor een axiale verschuiving ten opzichte van de onderste geleidende buis.

De bovenkant van deze gekoppelde bedieningsstang is verbonden met een tandwiel-kettingassemblage. Wanneer de stang beweegt, roteert de ketting, wat op zijn beurt het tandwiel aandrijft. Dit veroorzaakt dat de bovenste geleidende buis, die aan de tandwielas is bevestigd, zich ten opzichte van de onderste geleidende buis beweegt, ofwel recht trekt (sluiting) ofwel buigt (opening).

Tegelijkertijd, wanneer de gekoppelde bedieningsstang axiale beweging ondergaat, slaan de balansveren binnen de geleidende buis continu energie op en af. Dit compenseert effectief de zware remmende koppel, waardoor een soepele en stabiele werking wordt gegarandeerd gedurende de volledige schakelcyclus.

2.2 Klemactie

Terwijl de schakelaar van de open naar de gesloten stand beweegt en volledige uitlijning nadert (d.w.z. bijna-rechte configuratie), gaat het tandwiel in een hellend vlak in de versnellingsbak en blijft daaroverheen glijden. Op dit moment, onder de reactiekracht van de terugkeerspring, beweegt de gekoppelde bedieningsstang, die aan de tandwiel-ketting is verbonden, naar voren.

Deze voorwaartse beweging wordt doorgegeven via de bewegende contactassemblage, waar een duwstang de lineaire beweging omzet in een klemactie van de contactvingers. Zodra de vaste contactstang stevig vastzit, glijdt het tandwiel lichtjes omhoog langs het hellend vlak om volledige mechanische sluiting te bereiken.

Op dit punt wordt de klemveer binnen de geleidende buis verder samengedrukt en uitoefent kracht op de duwstang, waardoor een stabiele aandrijfkracht wordt gewaarborgd die een constante en betrouwbare contactdruk tussen de contactvingers en de vaste stang onderhoudt.

Tijdens de openoperatie blijft het tandwiel doorgaan met bewegen langs het hellend vlak totdat het volledig loslaat. De terugkeerspring trekt dan de duwstang, waardoor de contactvingers in een "V"-vorm openen, waardoor de elektrische verbinding wordt verbroken.

3. Casestudy

3.1 Foutobservatie en analyse

In een bepaald jaar, tijdens een schakeloperatie in een 110 kV substation, kon een hoogspanningschakelaar niet worden geopend. Er werd onmiddellijk een grondige inspectie uitgevoerd van het aardingsysteem, het hoofdgeleidende systeem, het mechanische interlocksysteem, de boven- en ondergeleidende buizen, en het gemotoriseerde bedieningsmechanisme. Het onderzoek onthulde dat het overbrengingstandwiel binnen het motormechaniekdoos was beschadigd, en dat onderdelen zoals aspen en verbindingen waren gebroken. Operationeel en onderhoudspersoneel rapporteerde het defect, en correctieve maatregelen werden genomen volgens het jaarlijkse onderhoudsprogramma.

3.2 Verbeteringsmaatregelen

(1) Bijgewerkte hulpcomponenten
Aspen en verbindingen werden vervangen door hoogwaardig roestvrij staal om corrosie tijdens langdurige operaties te voorkomen. Grafitgedrenkte en composiet lagers, resistent tegen corrosie en met een lage wrijvingscoëfficiënt, werden toegepast om de overbrengingsefficiëntie te verbeteren. Alle blootgestelde ijzeren delen werden heetverzinkt, wat de corrosiebestendigheid aanzienlijk verbeterde. Veldervaring bevestigt dat heetverzinken goed geschikt is voor buitenapplicaties.

(2) Verbeterd gemotoriseerd bedieningsmechanisme
Het oorspronkelijke CJ7A-motormechanisme werd vervangen door het nieuwere CJ11-model. Een foto van het bijgewerkte CJ11-mechanisme is weergegeven in figuur 1.

(3) Geavanceerd ontwerp van hulpcontacten
Hulpcontacten zijn cruciale secundaire componenten die open- en sluitstatussignalen leveren. Storing kan leiden tot foute signalering en functionele storingen. Het nieuwe ontwerp maakt gebruik van een internationaal geavanceerd cam-aangedreven microschakelaar mechanisme, dat betrouwbare schakeling, soepele rotatie en immuniteit tegen storingen tijdens open- en sluittransities garandeert.

(4) Motorcontrolebescherming
Na voltooiing van een open- of sluitoperatie wordt de motorkracht eerst afgesneden door de hulpcontacten. Als de hulpcontacten falen, ontkoppelen de eindstopschakelaars aan beide kanten de motor. Indien deze ook falen, activeren mechanische stoppers aan beide kanten een thermisch relais om de stroom af te snijden. Dit driedelige beschermingssysteem stopt de motor betrouwbaar na elke operatie, waardoor ongecontroleerde beweging en potentiële mechanische schade worden voorkomen.

(5) Mechanische overbrengingssysteem
Er wordt een wormwielsysteem gebruikt. Het wormwiel, de verbindingen en andere reductiecomponenten zijn nauwkeurig gemaakt en verzegeld in een aluminium legering behuizing. Dit ontwerp zorgt voor soepele werking, lage geluidsniveaus en geen schokken.

(6) Secundair besturingssysteem
Het bedieningspaneel heeft een logische en esthetisch aangename indeling met een scharnierdeurconstructie, waardoor het aanleggen van kabels en ter plaatse onderhoud worden vereenvoudigd, terwijl veilige en betrouwbare werking van het secundaire systeem wordt gewaarborgd.

(7) Behuizing afsluiting
De deur van de mechanische behuizing is voorzien van een luchtgeleidende afsluiting. Zowel de deur als het bovenblad zijn gemaakt van roestvrij staal met een dikte van 2,5 mm, terwijl het hoofdlichaam uit 2 mm roestvrij staal bestaat, wat uitstekende weerstand biedt tegen wind, zand en corrosie.

4. Conclusie

Op basis van jarenlange operationele ervaring en foutanalyse van de motorische mechanismen van de disconnector in dit 110 kV-knooppunt, werd het oorspronkelijke mechanisme geüpgraded naar het CJ11-model, ontwikkeld door Pinggao Group—een nieuw ontworpen, onafhankelijk ontwikkelde wormwielschakelaar. Dit verbeterde ontwerp overwint eerdere tekortkomingen in zowel de ingenieurskunst als de productie, met hoge operationele betrouwbaarheid, vloeiende beweging, hoge overdrachtsefficiëntie, geen inertie-impact, lage geluidsniveaus, sterke interopereerbaarheid en een aantrekkelijk uiterlijk.

Naast lokale en afstandsbediening ondersteunt het CJ11-mechanisme ook handmatige bediening. Praktijktesten onder nominale belasting hebben aangetoond dat het meer dan 10.000 mechanische operaties betrouwbaar kan uitvoeren.