Eine kurze Diskussion zur Nachrüstung und Anwendung von festen Kontakten in 220 kV Freiluft-Hochspannungsabschalteinrichtungen

Der Abschalter ist die am häufigsten verwendete Art von Hochspannungsschaltgerät. In Stromnetzen werden Hochspannungsabschalter als Hochspannungselektrische Geräte in Kombination mit Hochspannungssicherungen eingesetzt, um Schaltvorgänge durchzuführen. Sie spielen eine entscheidende Rolle während des normalen Betriebs des Stromnetzes, bei Schaltvorgängen und bei der Wartung von Umspannwerken. Aufgrund ihrer häufigen Verwendung und der hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit haben Abschalter einen erheblichen Einfluss auf das Design, die Konstruktion und den sicheren Betrieb von Umspannwerken und Kraftwerken.

Das Arbeitsprinzip und die Struktur von Abschaltern sind relativ einfach. Ihr Hauptmerkmal ist die fehlende Fähigkeit, Bögen zu löschen; sie können nur unter Leerstrom- oder sehr geringem Strom (typischerweise < 2 A) Schaltvorgänge durchführen. Hochspannungsabschalter können nach der Installationsumgebung in Außen- und Innengeräte unterteilt werden. Basierend auf der Struktur ihrer isolierenden Stützsäulen können sie weiter in Ein-, Doppel- oder Dreisäulen-Abschalter eingeteilt werden.

Das 220 kV-Umspannwerk in einem Aluminiumunternehmen ist ein vollautomatisiertes Spannungsreduktionswerk, das seit fast 19 Jahren in Betrieb ist. Es versorgt hauptsächlich 200 kA-Elektrolysezellen mit Gleichstrom und liefert Produktions-, Hilfs- und Wohnstrom für andere sekundäre Werke innerhalb des Unternehmens. Der Außenbereich des 220 kV-Schaltwerks verwendet GW7-220-Typ-Außen-Hochspannungsabschalter—dreisäulige, horizontal schaltende, dreiphasige, 50 Hz-Außenhochspannungsgeräte.

Seit der Inbetriebnahme im Jahr 1998 ermöglichten diese Außen-Hochspannungsabschalter den Leiterwechsel unter Leerstrombedingungen und boten elektrische Trennung zwischen abgeschalteten Geräten (wie Busleitern und Wartungssicherungen) und leitfähigen Hochspannungsleitungen. Nach 19 Jahren im Einsatz wurde weit verbreitete Überhitzung der Abschalterkontakte beobachtet (Infrarotthermometer-Lesungen erreichten bis zu 150°C), was eine ernsthafte Sicherheitsgefahr darstellt. Dieses Problem könnte zur Ausbrennung der 220 kV-Abschalter führen, was Phasenausfall, Kontaktverschweißung oder Bogenkurzschlüsse verursachen könnte—potenziell zu einem vollständigen Stromausfall und der Lähmung des gesamten Umspannwerkssystems.

Als Reaktion darauf wurden Daten erhoben und eine Ursachenermittlung durchgeführt, die die Hauptgründe für die Überhitzung der Kontakte identifizierten. Effektive Umbaumaßnahmen wurden implementiert und anschließend für eine breitere Anwendung gefördert.

Aufbau und Arbeitsprinzip des GW7-220-Außen-Hochspannungsabschalters

Dieser Abschalter verfügt über eine dreisäulige, horizontal rotierende Struktur, bestehend aus einer Basis, isolierenden Stützsäulen, einem Leitungssystem, einem Erdungsschalter (außer bei nicht geerdeten Versionen) und einem Antrieb. Die Basis besteht aus geschweißtem U-Profil und Stahlplatten, mit drei Montagehalterungen: zwei feste Halterungen an den Enden und eine drehbare Halterung in der Mitte. Innerhalb des U-Profilgehäuses befinden sich Übertragungsverbindungen und Verriegelungsplatten. Unterhalb der Basis sind Montageplatten angebracht, um eine sichere Grundlagensicherung zu gewährleisten. Basen sind in drei Konfigurationen verfügbar: nicht geerdet, einmal geerdet und zweimal geerdet. Für geerdete Versionen werden Erdungsschalterhalterungen an einem oder beiden Enden der Basis angebracht, wobei die Erdungsschalter entsprechend montiert werden, basierend auf den Anforderungen des Schaltkreises.

Das Leitungssystem ist oben auf den Isoliersäulen befestigt und besteht aus einem beweglichen Messer (Leitungs-Messerkontakt) und festen Kontakten. Das Messer besteht aus zwei Kupferrohren, die über zwei Kupferblöcke mit einem Aluminiumgehäuse verbunden sind, wobei am Ende ein zylindrischer Kontaktkopf verschweißt ist. Die festen Kontakte haben eine fingerförmige, mehrpunktige Kontaktaufteilung. Jeder Kontaktfinger hat eine unabhängige Spannfeder, die ausreichend Einführweg bietet, um auch unter Zugkräften der Busleiter einen zuverlässigen Kontakt zu gewährleisten. Eine Rückfeder neigt den festen Kontakt leicht, um glatte und koordinierte Öffnungs- und Schließvorgänge zu gewährleisten.

Der Antrieb umfasst sowohl elektrische als auch manuelle Optionen. Der elektrische Antrieb verwendet einen asynchronen Motor, der über ein mechanisches Getriebe die Hauptwelle um 180° dreht. Die Kraft wird über Verbindungsröhren an den Abschalter übertragen, und die Verbindungen drehen die zentrale Isoliersäule um 71°, wodurch die beweglichen Kontakte an beiden Enden des Leitungsstabes in die festen Kontakte eindringen oder sich daraus zurückziehen, um den Schließ- oder Öffnungsvorgang abzuschließen. Mechanische Totpunkte in den Verbindungen bieten Selbstsicherung am Endpunkt der Fahrt. Manuelle Bedienung ist für die Inbetriebnahme oder im Falle eines Versagens des elektrischen Antriebs verfügbar.

Analyse der Ursachen für die Überhitzung der Kontakte in Außen-Hochspannungsabschaltern

Das 220 kV-Außen-Schaltwerk des Aluminiumunternehmens verfügt über 24 Sätze von GW7-220-Abschaltern, die zwei 220 kV-Eingangsleitungen, Rektifiergruppen #1–#4 und Transformator #1 und #2 versorgen, insgesamt 144 feste Kontakte. Bei routinemäßigen Inspektionen wurde die Überhitzung durch Beobachtung von Wärmebildern, Farbveränderungen oder Temperaturmessungen, die 70°C überschreiten, an den Kontaktpunkten bewertet. Statistiken zeigen, dass es von Januar bis Dezember 2014 13 ungeplante Stillstände aufgrund der Überhitzung der Abschalterkontakte gab—durchschnittlich 1,08 Vorfälle pro Monat.

Wiederholte Tests und Analysen der Kontaktbewegungen ergaben die folgenden Hauptursachen:

• Jeder feste Kontakt besteht aus sechs unabhängigen Fingerkontakten mit punktförmiger Geometrie, was zu einer unzureichenden Gesamtfläche und ungleichmäßiger Stromverteilung über die Finger führt—ein struktureller Mangel.

• Mehrere bewegliche Kontaktkomponenten lassen den Strom durch die Federkontakte fließen, was zur Erweichung, zum Verlust der Elastizität, zur Reduzierung des Kontaktdrucks und zur Verschlechterung des Kontaktwiderstands führt, was die Erwärmung verstärkt.

• Harte Außenbedingungen (Sonne, Regen) in Kombination mit suboptimaler Materialauswahl (Standardstahl für Spannfedern und Kontaktstifte) führten zu schwerer Korrosion, Alterung, Federmüdigkeit, Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, unzureichender Kontaktkraft und hoher Schleifwiderstand.

• Bogenabtrag hat Vertiefungen und starke Oxidation auf den Kontaktoberflächen verursacht, was den Widerstand weiter erhöht.

Retrofit- und Präventivmaßnahmen für feste Kontakte

• Verbinden Sie die ursprünglich unabhängigen Fingerkontakte mithilfe flexibler Kupferstreifen, um die effektive Kontaktfläche zwischen beweglichen und festen Kontakten zu erhöhen.

• Ersetzen und Modernisieren der Spannfedern und Stifte, um die Federkraft zu erhöhen und den Kontaktdruck zu verbessern.

• Silberplattierung sowohl der beweglichen als auch der festen Kontaktflächen.

• Anwenden von Festlubrikant auf die Kontaktflächen, um Reibung zu reduzieren und Oxidation zu verhindern.

• Implementierung von Infrarot-Temperaturüberwachung, insbesondere an den Kontaktverbindungsstellen, und Aufbau einer Temperaturdatenbank.

• Durchführung regelmäßiger Wartung, Inspektion und Reinigung der Abschalter.

Überprüfung und Anwendungsergebnisse

Die Nachrüstungsüberwachung zeigt:

• Bei gleicher Umgebungstemperatur (17°C) und Betriebsbedingungen sanken die Kontaktemperaturen von ~23°C (unmodifiziert) auf ~19°C (nachgerüstet).

• Visuelle Inspektionen während der Wartung zeigten erheblich weniger Bogenbeschädigungen an nachgerüsteten Kontakten im Vergleich zu unmodifizierten.

Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurden 5 Abschalter (30 feste Kontakte) nachgerüstet. Diese technische Lösung wird schrittweise bei allen GW7-220-Abschaltern in der 220-kV-Freiluftschaltanlage des Unternehmens implementiert.

Fazit

Durch systematische Analyse des weit verbreiteten Überhitzungsproblems bei den Kontakten der GW7-220-Freiluft-Wechselstrom-Hochspannungsabschalter wurden gezielte Modifikationen an den festen Kontakten erfolgreich entwickelt und umgesetzt. Dieses Vorhaben hat die Versorgungssicherheit und den Betriebsstabilität erheblich verbessert und bietet wertvolle Erfahrungen für zukünftige Betrieb, Wartung und Service der GW7-220-Abschalter.