En kort diskussion om ombygning og anvendelse af faste kontakter i 220 kV udendørs højspændingsafbrydere

Afbrudere er den mest anvendte type højspændingskoblingsudstyr. I elektriske systemer bruges højspændingsafbrudere i forbindelse med højspændingsbrydere til at udføre koblingsoperationer. De spiller en afgørende rolle under normal drift af elektriske systemer, koblingsoperationer og ved vedligeholdelse af transformatorstationer. På grund af deres hyppige brug og krav om høj pålidelighed har afbrudere en betydelig indflydelse på design, konstruktion og sikker drift af transformatorstationer og kraftværker.

Arbejdsmåde og struktur af afbrudere er relativt simple. Deres hovedegenskab er mangel på evne til at slukke bue; de kan kun åbne eller lukke kredsløb under tomstrøm eller meget lav strøm (typisk < 2 A). Højspændingsafbrudere kan inddeles efter installationsmiljø i udendørs- og indendørstyper. Baseret på strukturen af deres isolerende støttekolonner kan de yderligere inddeles i enkolonnede, tokolonnede eller trekolonnede afbrudere.

Transformatorstationen på 220 kV i et aluminiums virksomhed er en fuldt automatiseret nedtransformator, der har været i drift i næsten 19 år. Den leverer primært DC-strøm til 200 kA elektrolyseceller og forsyner andre sekundære anlæg i virksomheden med produktions-, hjælpe- og beboelsesstrøm. Udendørs 220 kV switchyard anvender GW7-220 type udendørs AC-højspændingsafbrudere - trekolonne, vandret åbning, tre-fase, 50 Hz udendørs højspændingsudstyr.

Siden tjenesten begyndte i 1998, har disse udendørs AC-højspændingsafbrudere muliggjort bus transfer under tomstrøm og givet elektrisk isolation mellem deenergetiseret udstyr (som busbarer og brydere under vedligeholdelse) og live højspændingslinjer. Efter 19 års service er det blevet observeret, at der er bred overophedning af afbruderkontakterne (infrarød termometer læsninger op til 150°C), hvilket udgør en alvorlig sikkerhedsrisiko. Dette problem kunne føre til brændsel af 220 kV afbrudere, hvilket resulterer i faseforsvindelse, kontakt svovling eller buelys kortslutning - potentielt forårsager en total mørklæggelse og lammet hele transformatorstationsystemet.

Som svar blev dataindsamling og rodårsagsanalyse foretaget, hvilket førte til identificering af de primære årsager til kontakt-overophedning. Effektive omlægningsforanstaltninger blev implementeret og derefter fremmet for bredere anvendelse.

Struktur og arbejdsmåde for GW7-220 udendørs AC-højspændingsafbrudere

Denne afbruder har en trekolonne, vandret roterende struktur, bestående af en base, isolerende støttekolonner, en ledringssystem, en jordbryder (undtagen ikke-jordede versioner) og en drevanordning. Basen er sammanlåst fra skjul-stål og stålplader, med tre monteringsbjælke: to faste ved enderne og en roterende i midten. Indeni skjul-stålhus er transmissionsled og låseskiver. Monteringsskiver er sammanlåst under basen for sikker fundamentmontering. Basen findes i tre konfigurationer: ikke-jordet, enkelt-jordet og dobbelt-jordet. For jordede versioner er jordbryder-bjælke sammanlåst til en eller begge ender af basen, med jordbrydere monteret i overensstemmelse hermed, valgt baseret på kredsløbskrav.

Leadringskomponenten er fastgjort øverst på isolerende kolonner og består af en bevægelig blad (ledningskniv) og faste kontakter. Ledningskniven består af to kobberør forbundet via to kobber blokke til en aluminiumskappe, med en cylindrisk kontakttip sammanlåst ved enden. Faste kontakter har en finger-type, flerpunkt kontakt design. Hver kontaktfinger har en selvstændig spænding fjeder, der giver tilstrækkelig indsatshastighed for at opretholde pålidelig kontakt selv under busbar spænding kræfter. En returfjeder laver den faste kontakt let for at sikre en jævn og koordineret åbning/lukning handling.

Drevanordningen inkluderer både elektrisk og manuelt alternativer. Den elektriske mekanisme bruger en asynkron motor, der driver en mekanisk reduktionsgear til at rotere hovedakslen 180°. Kraft overføres via forbundne stål rør til afbruderen, og ledninger roterer den centrale isolerende kolonne 71°, hvilket får de bevægelige kontakter på begge ender af ledningsstangen at sætte sig ind i eller trække sig ud af de faste kontakter, som færdiggør lukning eller åbning operationer. Mekaniske dødpunkter i ledningen giver selvlåsning ved slutpunkterne af rejse. Manuelle operationer er tilgængelige til kommissionering eller i tilfælde af fejl i den elektriske mekanisme.

Analyse af årsager til kontakt-overophedning i udendørs højspændingsafbrudere

Aluminiumsvirksomhedens 220 kV udendørs switchyard har 24 sæt GW7-220 afbrudere, der serverer to 220 kV indgående linjer, rektifierenheder #1–#4 og strømtransformatorer #1 og #2, i alt 144 faste kontakter. Under rutineinspektioner blev overophedning vurderet ved at observere varmeblus, farveændring eller temperaturmålinger, der overstiger 70°C ved kontaktsteder. Statistikker viser, at fra januar til december 2014 var der 13 uforudsete stop på grund af afbruder-kontakt-overophedning - gennemsnitligt 1,08 hændelser pr. måned.

Gentagne test og analyse af kontakt-dynamikken afslørede følgende rodårsager:

• Hver fast kontakt består af seks selvstændige fingerkontakter med punktkontakt geometri, hvilket resulterer i utilstrækkelig total kontaktareal og ulige strømfordeling over fingrene - en strukturel fejl.

• Flere bevægelige kontaktkomponenter tillader, at strøm passerer gennem kontaktfjedre, hvilket forårsager annealing, tab af elasticitet, reduceret kontakttryk og forværrede kontaktmodstand, hvilket forværerer opvarmning.

• Hårde udendørs forhold (sol, regn) kombineret med underoptimalt materialevalg (standard stål til spændingsfjedre og kontakt pinner) førte til alvorlig korrosion, forældring, fjedertræthed, forringede mekaniske egenskaber, utilstrækkelig kontakt kraft og for høj løkke modstand.

• Bueerosion har forårsaget huller og alvorlig oxidation på kontaktflader, hvilket yderligere øger modstanden.

Omlægning og forebyggende foranstaltninger for faste kontakter

• Forbinde de oprindelige selvstændige fingerkontakter ved hjælp af fleksible kobberremme for at øge effektiv kontaktareal mellem bevægelige og faste kontakter.

• Erstat og opgrader spændingsfjeder og pinner for at forbedre fjederkraften og kontakttæthed.

• Anvend sølvbelægning på både de bevæglige og stillestående kontaktflader.

• Anvend fast smøremiddel på kontaktflader for at reducere friktion og forebygge oksidation.

• Implementer infrarød temperaturmonitoring, især ved kontaktforbindelsespunkter, og etabler en temperaturovervågningsdatabase.

• Udfør regelmæssig vedligeholdelse, inspektion og rengøring af afbrydere.

Verifikation og anvendelsesresultater

Overvågning efter ombygningen viser:

• Ved samme omgivende temperatur (17°C) og driftsbetingelser faldt kontaktemperaturen fra ~23°C (uændret) til ~19°C (ombygget).

• Visuelle inspektioner under vedligeholdelse viste markant færre buebeskadigede steder på ombyggede kontakter sammenlignet med uændrede.

På nuværende tidspunkt er 5 afbryderenheder (30 stillestående kontakter) blevet ombygget. Denne tekniske løsning implementeres gradvis på alle GW7-220 afbrydere i virksomhedens 220 kV udendørs skifterute.

Konklusion

Gennem systematisk analyse af udbredt overophedning af kontakter i GW7-220 udendørs AC højspændingsafbrydere blev målrettet ændringer af stillestående kontakter succesfuldt udviklet og implementeret. Dette initiativ har betydeligt forbedret strømforsynings sikkerhed og driftsstabilitet, og det har også givet værdifuld erfaring for fremtidig drift, vedligeholdelse og service af GW7-220 afbrydere.