Stručná diskuse o modernizaci a aplikaci stacionárních kontaktů v 220 kV venkovních vysokovoltových odpojovacích členech

Odpojovač je nejrozšířenějším typem vysokonapěťového přepínacího zařízení. V elektrických systémech se vysokonapěťové odpojovače používají společně s vysokonapěťovými vypínači k provedení přepínacích operací. Hrají klíčovou roli během normálního provozu elektrických systémů, přepínacích operací a údržby elektráren. Díky častému použití a náročným požadavkům na spolehlivost mají odpojovače zásadní vliv na návrh, stavbu a bezpečné provozování elektráren a elektráren.

Princip fungování a struktura odpojovačů jsou relativně jednoduché. Jejich hlavní charakteristikou je absence schopnosti uhašení oblouku; mohou otevírat nebo zavírat obvody pouze za podmínek bez zátěže nebo velmi nízkého proudu (typicky < 2 A). Vysokonapěťové odpojovače lze dle prostředí instalace rozdělit na venkovní a vnitřní typy. Na základě struktury izolačních nosných sloupků lze dále kategorizovat jako jednosloupcové, dvousloupcové nebo třísloupcové odpojovače.

220 kV elektrárna v hliníkovém podniku je plně automatizovaná snižující elektrárna, která je v provozu již téměř 19 let. Hlavně dodává stejnosměrný proud do elektrolýzových článků o síle 200 kA a poskytuje produkční, pomocnou a bytovou energii jiným sekundárním závodům v rámci společnosti. Venkovní 220 kV přepážková stanice používá venkovní střídavé vysokonapěťové odpojovače typu GW7-220 – třísloupcové, horizontálně otevírací, třífázové, 50 Hz venkovní vysokonapěťové elektrické zařízení.

Od uvedení do provozu v roce 1998 umožňovaly tyto venkovní střídavé vysokonapěťové odpojovače přepínání sběrnic bez zátěže a poskytovaly elektrickou izolaci mezi vyřazeným zařízením (např. sběrnicemi a vypínači ve stavu údržby) a živými vysokonapěťovými linkami. Po 19 letech provozu bylo pozorováno rozsáhlé přehřívání kontaktů odpojovačů (čidlo infračerveného teploměru ukazovalo až 150°C), což představuje vážné bezpečnostní riziko. Tento problém by mohl vést k vyhoření 220 kV odpojovačů, což by mohlo způsobit ztrátu fáze, spojení kontaktů nebo krátké spojení obloukového výboje – což by mohlo způsobit celkový výpadek a ochrnutí celého systému elektrárny.

Jako reakce na to byla provedena shromáždění dat a analýza kořenových příčin, což vedlo k identifikaci hlavních příčin přehřívání kontaktů. Byly implementovány efektivní opatření k modernizaci a následně byly propagovány pro širší uplatnění.

Struktura a princip fungování venkovního střídavého vysokonapěťového odpojovače typu GW7-220

Tento odpojovač má třísloupcovou, horizontálně otáčející se strukturu, skládající se z podložky, izolačních nosných sloupků, vodičového systému, zemnícího vypínače (s výjimkou nezemnících verzí) a pohonu. Podložka je svařena ze skříňového profilu a ocelových plechů, s třemi montážními závěsy: dva pevné na koncích a jeden otáčející se uprostřed. Uvnitř skříňového profilu jsou přenosové spojky a uzamykací desky. Montážní desky jsou svařeny pod podložkou pro bezpečné připevnění základny. Základny jsou dostupné ve třech konfiguracích: nezemnící, jednozemnící a dvouzemnící. Pro zemnící verze jsou závěsy zemnícího vypínače svařeny na jednom nebo obou koncích základny, s odpovídající montáží zemnících vypínačů, vybraných podle potřeb obvodu.

Vodičová soustava je umístěna na vrcholu izolačních sloupků a skládá se z pohyblivé branky (vodičového nože) a pevných kontaktů. Nož je tvořen dvěma mosaznými trubkami spojenými dvěma mosaznými bloky s hliníkovou víčkovou částí, s válcovým kontaktním čepem svařeným na konci. Pevné kontakty mají prstovitý, vícebodový design. Každý prst má nezávislou napínací pružinu, což poskytuje dostatečnou vzdálenost pro vložení a udržení spolehlivého kontaktu i za působení síly napětí sběrnice. Navrácená pružina mírně naklání pevný kontakt, aby zajistila hladké a koordinované otevírání/zavírání.

Pohon zahrnuje jak elektrickou, tak manuální možnost. Elektrický pohon používá asynchronní motor, který pohání mechanické redukční ozubení k otáčení hlavního hřídele o 180°. Síla je přenesena přes spojovací ocelové trubky na odpojovač a spojovací spojky otáčejí střední izolační sloupek o 71°, což způsobí, že pohyblivé kontakty na obou koncích vodičové tyče se vloží do nebo vytáhnou z pevných kontaktů, dokončí se tak operace zavírání/otevírání. Mechanické smrtvé body v spojkách poskytují samoúzamy na koncových bodech cesty. Manuální ovládání je k dispozici pro komise nebo v případě selhání elektrického pohonu.

Analýza příčin přehřívání kontaktů u venkovních vysokonapěťových odpojovačů

Venkovní 220 kV přepážková stanice hliníkového podniku má 24 sady odpojovačů typu GW7-220, které slouží dvěma 220 kV příchozím linkám, rektilačním jednotkám #1–#4 a transformátorům #1 a #2, celkem 144 pevných kontaktů. Během pravidelných inspekcí bylo přehřívání hodnoceno pozorováním tepelného mihotání, změnou barvy nebo měřením teploty nad 70°C na kontaktech. Statistiky ukazují, že od ledna do prosince 2014 došlo k 13 neočekávaným výpadkům kvůli přehřívání kontaktů odpojovačů – průměrně 1,08 incidentů měsíčně.

Opakované testování a analýza dynamiky kontaktů odhalily následující kořenové příčiny:

• Každý pevný kontakt se skládá ze šesti nezávislých prstovitých kontaktů s bodovým stykem, což vede ke nedostatečné celkové ploše kontaktu a nerovnoměrné distribuci proudu mezi prsty – strukturní vadou.

• Několik pohyblivých kontaktových komponent umožňuje tok proudu skrz kontaktní pružiny, což způsobuje vyhubení, ztrátu pružnosti, snížení kontaktového tlaku a zhoršení kontaktového odporu, což způsobuje zvýšené přehřívání.

• Tvrdé venkovní podmínky (slunce, dešť) kombinované s nedostatečnou výběrem materiálů (standardní ocel pro napínací pružiny a kontaktní hřebíky) vedly k silnému korozi, stárnutí, unavení pružin, degradaci mechanických vlastností, nedostatečnému kontaktovému tlaku a příliš vysokému okruhovému odporu.

• Eroze obloukem způsobila dutiny a závažné oxidace na povrchu kontaktů, což dále zvýšilo odpor.

Modernizace a prevence pro pevné kontakty

• Spojení původně nezávislých prstovitých kontaktů pomocí flexibilních měděných pásků, aby se zvýšila efektivní plocha kontaktu mezi pohyblivými a pevnými kontakty.

• Nahraďte a upgradujte napínací pružiny a piny pro zvýšení síly pružiny a zlepšení těsnosti kontaktu.

• Použijte stříbrnou nátěrovou vrstvu na pohyblivé i nepohyblivé kontaktní plochy.

• Použijte tuhé mazivo na kontaktní plochy pro snížení tření a prevenci oxidace.

• Implementujte monitorování teplot pomocí infračervené technologie, zejména v místech spojení kontaktů, a vytvořte databázi teplot.

• Provádějte pravidelnou údržbu, kontrolu a čištění odpojovacích přepínačů.

Ověření a výsledky aplikace

Monitorování po modernizaci ukázalo:

• Při stejné okolní teplotě (17°C) a provozních podmínkách se teplota kontaktů snížila z ~23°C (neupraveno) na ~19°C (modernizováno).

• Vizuální kontroly během údržby odhalily výrazně méně míst poškození obloukem u modernizovaných kontaktů než u neupravených.

K tomuto datu bylo modernizováno 5 odpojovacích jednotek (30 nepohyblivých kontaktů). Toto technické řešení je postupně rozšiřováno na všechny GW7-220 odpojovače v 220 kV venkovním přepážkovém zařízení společnosti.

Závěr

Díky systematické analýze široce rozšířeného přetopení kontaktů u venkovních AC vysokonapěťových odpojovačů GW7-220 byly úspěšně vyvinuty a implementovány cílené úpravy nepohyblivých kontaktů. Tato iniciativa významně zlepšila bezpečnost dodávky elektrické energie a operační stabilitu, a zároveň poskytla cenné zkušenosti pro budoucí provoz, údržbu a servis GW7-220 odpojovačů.