Obsługa awarii niepowodzenia otwarcia wysokiego napięcia w rozdzielni 110 kV

Zgodnie z odpowiednimi przepisami, wysokonapiowe przełączniki odłączające są uprawnione do wykonywania następujących operacji:

• Przełączanie (otwieranie/zamykanie) normalnie działających transformatorów napięcia (PT) i zabezpieczeń przeciwprzeciętnych;

• Przełączanie odłącznika ziemnego głównego transformatora w normalnych warunkach pracy;

• Przełączanie małoprądowych pętli w celu zrównoważenia prądów wirujących.

Wysokonapiowy przełącznik odłączający jest elementem elektrycznym bez możliwości gaszenia łuku. Dlatego może być obsługiwany tylko wtedy, gdy znajduje się w pozycji otwartej. Obsługa przełącznika pod obciążeniem — tzn. podczas gdy powiązany wyłącznik jest zamknięty lub urządzenie jest pod napięciem — może spowodować intensywne łuki elektryczne. W skrajnych przypadkach może to prowadzić do krótkich zwarć między fazami, uszkodzeń sprzętu i nawet zagrożeń dla bezpieczeństwa osób.

Gdy przełącznik odłączający jest w stanie otwartym, musi istnieć wyraźnie widoczne i niezawodne rozdzielenie między jego ruchomymi i nieruchomymi kontaktami, spełniające wymagane odległości izolacyjne. Z drugiej strony, gdy jest zamknięty, musi niezawodnie przewodzić zarówno normalny prąd obciążenia, jak i prąd zwarciowy. Główną funkcją przełącznika odłączającego jest zapewnienie niezawodnego punktu izolacji między wysokonapiowymi częściami pod napięciem a źródłem energii lub szyną, zapewniając wyraźny przerwę dla bezpiecznej konserwacji odcinków bez napięcia.

Wysokonapiowe przełączniki odłączające mogą również być używane w połączeniu z linią przesyłową stacji, aby wykonywać operacje przełączania, co zmienia konfigurację działania stacji. Na przykład, w stacji z podwójną szyną matką, pracującą szynę można przenieść na rezerwową szynę — lub elementy elektryczne na jednej szynie przeniesione na drugą — za pomocą wyłącznika łączącego szyny i wysokonapiowych przełączników odłączających po obu stronach wyłącznika łączącego. Jednak ze względu na częste operacje przełączania, mogą wystąpić awarie, takie jak niemożność otwarcia lub zamknięcia przełącznika. Te usterki muszą być systematycznie diagnozowane i analizowane. Jeśli same przełączniki mają wewnętrzne wady, konieczne są poprawki projektowe.

1. Charakterystyka przełączników odłączających

Typowo, jeden przełącznik odłączający jest montowany po każdej stronie wyłącznika, tworząc wyraźnie widoczny punkt przerwy — co zwiększa bezpieczeństwo i ułatwia konserwację. Energię dostarcza się z górnej szyny przez szafę rozdzielczą do linii wyjściowej. Przełącznik odłączający położony przed wyłącznikiem primarily izoluje źródło energii. Jednak energia może czasami być dostarczana z boku dolnego — na przykład poprzez odwrotny przepływ mocy z innych obwodów lub kondensatorów — co wymaga drugiego przełącznika odłączającego położonego za wyłącznikiem.

Pewna stacja 110 kV używa wysokonapiowych przełączników odłączających typu GW16B/17B-252. Ich specyfikacje techniczne są wymienione w Tabeli 1. Ten przełącznik jest trójpolowym zewnętrznym urządzeniem wysokonapiowym zaprojektowanym do operacji przełączania bez obciążenia w stacjach 110 kV, zapewniającym izolację elektryczną między sprzętem podlegającym konserwacji a obwodami pod napięciem.

Główne cechy tego wyłącznika to kompaktowa konstrukcja, wysoka odporność na utlenianie, stabilna praca i dobra odporność sejsmiczna. Jego mechaniczny układ kontaktowy oparty jest na prostym projekcie pojedynczego ramienia giętka, z elementami przekazującymi umieszczonymi wewnątrz rury przewodzącej, aby chronić je przed zewnętrznymi wpływami środowiskowymi. Wewnątrz rury przewodzącej są zamontowane para sprężyn balansujących oraz zestaw sprężyn zaciskających: pierwsze zapewniają niezawodny mechaniczny bilans podczas otwierania i zamykania, podczas gdy drugie zapewniają wystarczającą siłę nacisku dla bezpiecznego zacisku.

Ponieważ wyłączniki są zwykle montowane na zewnątrz, są narażone na zewnętrzne wpływy takie jak wiatr i aktywność sejsmiczna. Aby zwiększyć niezawodność pracy, w korpusie wyłącznika zintegrowano mechanizm zasuwki, który zapewnia stabilne i bezpieczne zamykanie. Zarówno wyłącznik, jak i jego przełącznik uziemienia wykorzystują rury przewodzące z aluminium, z kontaktami ruchomymi i nieruchomymi pokrytymi srebrem lub złotem, aby zagwarantować odporność na zużycie, mechaniczną solidność i elektryczną stabilność w obrotowych połączeniach.

Przełącznik uziemienia ma jednoramienny układ wahadłowy. Podczas zamykania kontakt ruchomy najpierw obraca się, a następnie porusza pionowo w górę, aby wejść w kontakt z contactem nieruchomym, co zapobiega odbijaniu się lub odskakiwaniu kontaktu. Ta konstrukcja zapewnia niezawodne zamykanie i spójną dynamiczną i termiczną stabilność w warunkach nominalnej mocy krótkiego zwarcia.

2. Konstrukcja i zasada działania wyłącznika

Proces pracy wyłącznika składa się z dwóch głównych czynności: działania giętkiego i działania zaciskającego.

2.1 Działanie giętkie

Pod kierunkiem poziomego mechanizmu obrotowego, para koł zainstalowanych na obrotowej izolacji ceramicznej napędza dwa zestawy czteroramiennych sprzężeń, które wykonują ruch płaski. W wyniku tego napędu dolna rura przewodząca obraca się do przodu, aby zamknąć (operacja zamykania) lub do tyłu, aby otworzyć (operacja otwierania). Przegubowy tłok napędowy na szczycie śruby napędowej generuje przemieszczenie osiowe względem dolnej rury przewodzącej.

Górny koniec tego przegubowego tłoka napędowego jest połączony z zestawem koła-łańcucha. Gdy tłok się porusza, obraca łańcuch, który z kolei napędza koło. To powoduje, że górna rura przewodząca — zamocowana do wału koła — porusza się względem dolnej rury przewodzącej, prostując (zamykanie) lub giąc (otwieranie).

Jednocześnie, gdy przegubowy tłok napędowy podlega przemieszczeniu osiowemu, sprężyny balansujące wewnątrz rury przewodzącej ciągle gromadzą i uwolnij energię. To efektywnie równoważy silny moment hamujący, zapewniając płynne i stabilne działanie przez cały cykl przełączania.

2.2 Działanie zaciskające

Gdy wyłącznik przechodzi z pozycji otwartej do pozycji zamkniętej i zbliża się do pełnej wyrównanej (tj. niemal prostej) konfiguracji, koło zaczyna współpracować z nachyloną płaszczyzną w skrzyni biegów i kontynuuje ślizganie się po niej. W tym momencie, pod wpływem reakcyjnej siły sprężyny powrotnej, przegubowy tłok napędowy — połączony z kołem-łańcuchem — porusza się do przodu.

To przemieszczenie do przodu jest przekazywane przez zestaw kontaktów ruchomych, gdzie tłok popychający przekształca ruch liniowy w działanie zaciskające palców kontaktowych. Gdy stały pręt kontaktowy zostanie bezpiecznie uchwycony, koło przesuwa się nieco w górę po nachylonej płaszczyźnie, aby osiągnąć pełne mechaniczne zamykanie.

Na tym etapie, sprężyna zaciskająca wewnątrz rury przewodzącej jest dalej sprężana i działa na tłok popychający, zapewniając stabilną siłę napędową, która utrzymuje spójny i niezawodny ciśnienie kontaktu między palcami kontaktowymi a stałym prętem.

Podczas operacji otwierania, koło kontynuuje ruch na zewnątrz po nachylonej płaszczyźnie, aż całkowicie się rozłączy. Sprężyna powrotna pociąga za tłok popychający, powodując, że palce kontaktowe otwierają się w kształcie litery "V", co przerywa połączenie elektryczne.

3. Studium przypadku

3.1 Obserwacja i analiza awarii

W pewnym roku, podczas operacji przełączania w stacji transformatorowej 110 kV, jeden wysokonapięciowy wyłącznik nie mógł się otworzyć. Natychmiast przeprowadzono kompleksową inspekcję systemu uziemienia, głównego systemu przewodzącego, mechanicznego zabezpieczenia, górnych/dolnych rur przewodzących i mechanizmu napędowego z silnikiem. Badanie wykazało, że tryb przekładni w skrzyni napędowej silnika był uszkodzony, a elementy takie jak sztyfty i połączenia były pęknięte. Personel eksploatacyjny zgłosił ustawkę, a środki naprawcze zostały wprowadzone zgodnie z rocznym planem konserwacji.

3.2 Środki poprawcze

(1) Ulepszone elementy pomocnicze
Sztyfty i połączenia zostały zastąpione wysokiej jakości nierdzewną stalią, aby zapobiec korozji podczas długotrwałej eksploatacji. Zastosowano nasączoną grafitem i kompozytową łożyska, odporną na korozję i o niskim współczynniku tarcia, aby zwiększyć efektywność przekazu. Wszystkie odsłonięte części żelazne były galwanizowane w procesie gorąco-zanurzanym, znacząco poprawiając odporność na korozję. Doświadczenia polowe potwierdzają, że galwanizacja gorąco-zanurzana jest dobrze nadająca się do zastosowań na zewnątrz.

(2) Wzmocniony mechanizm napędowy z silnikiem
Orginalny mechanizm napędowy CJ7A został zastąpiony nowszym modelem CJ11. Zdjęcie ulepszonych mechanizmów CJ11 przedstawiono na Rysunku 1.

(3) Zaawansowany projekt przełącznika pomocniczego
Przełącznik pomocniczy to kluczowy element wtórny, który dostarcza sygnały statusu otwarcia/zamknięcia. Awaria może prowadzić do nieprawidłowych sygnałów i błędów w działaniu. Nowy projekt wykorzystuje zaawansowany międzynarodowo mechanizm mikroprzełącznika napędzanego wałkiem, zapewniający niezawodne przełączanie, płynne obroty i odporność na awarie podczas przełączania otwarcia/zamknięcia.

(4) Ochrona sterowania silnikiem
Po zakończeniu operacji otwarcia lub zamknięcia, zasilanie silnika jest najpierw wyłączone przez przełącznik pomocniczy. Jeśli przełącznik pomocniczy zawiedzie, końcowe przełączniki graniczne po stronie otwarcia i zamknięcia odłączą silnik. Jeżeli te również zawiodą, mechaniczne blokady po obu stronach aktywują termostat, aby wyłączyć zasilanie. Ten trójstopniowy system ochrony niezawodnie zatrzymuje silnik po każdej operacji, zapobiegając niekontrolowanemu ruchowi i potencjalnym uszkodzeniom mechanicznym.

(5) System przekładni mechanicznej
Używany jest system połączeń zębatych typu robak. Przekładnia robakowa, połączenia i inne elementy redukcyjne są precyzyjnie wytwarzane i zamknięte w obudowie z aluminium. Ta konstrukcja zapewnia płynne działanie, niski poziom hałasu i brak uderzeń.

(6) System sterowania drugiego stopnia
Pulpit sterowania ma racjonalny i estetyczny układ z konstrukcją drzwi na zawiasach, co ułatwia kablowanie i serwisowanie na miejscu, jednocześnie zapewniając bezpieczne i niezawodne działanie systemu drugiego stopnia.

(7) Tłoczenie obudowy
Obudowa mechanizmu używa poduszki powietrznej do uszczelnienia drzwi. Drzwi i pokrywa górna są wykonane ze stali nierdzewnej o grubości 2,5 mm, a główna część z 2 mm stali nierdzewnej, co zapewnia doskonałą odporność na wiatr, piasek i korozję.

4. Podsumowanie

Na podstawie wieloletnich doświadczeń operacyjnych i analizy awarii mechanizmów napędowych wyłączników na tej stacji transformatorowej 110 kV, oryginalny mechanizm został zaktualizowany do modelu CJ11 opracowanego przez Grupę Pinggao — nowo zaprojektowanego, samodzielnie opracowanego mechanizmu napędowego typu robakowego. Ta poprawiona konstrukcja przezwycięża wcześniejsze niedociągnięcia zarówno w inżynierii, jak i produkcji, oferując wysoką niezawodność działania, płynny ruch, wysoką efektywność przekładni, brak uderzeń inertycznych, niski poziom hałasu, silną wymienną i atrakcyjny wygląd.

Oprócz lokalnego i zdalnego sterowania elektrycznego, mechanizm CJ11 obsługuje także sterowanie ręczne. Testy praktyczne w warunkach obciążenia nominalnego wykazały jego zdolność do wykonania ponad 10 000 cykli mechanicznych niezawodnie.