Σύντομη Συζήτηση για την Επανεξέταση και την Εφαρμογή Σταθερών Επαφών σε 220 kV Εξωτερικούς Υψηλής Τάσης Διαχωριστικούς

Ο αποζεύκτης είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος εξοπλισμού υψηλής τάσης για διακοπτικές λειτουργίες. Στα ηλεκτρικά συστήματα, οι αποζεύκτες υψηλής τάσης είναι ηλεκτρικές συσκευές υψηλής τάσης που χρησιμοποιούνται σε συνεργασία με διακόπτες κυκλώματος υψηλής τάσης για να εκτελέσουν διακοπτικές λειτουργίες. Διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο κατά τη φυσιολογική λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος, τις διακοπτικές λειτουργίες και τη συντήρηση των υποσταθμών. Λόγω της συχνής λειτουργίας τους και των υψηλών απαιτήσεων αξιοπιστίας, οι αποζεύκτες επηρεάζουν σημαντικά το σχεδιασμό, την κατασκευή και την ασφαλή λειτουργία των υποσταθμών και των ηλεκτρικών σταθμών.

Η αρχή λειτουργίας και η δομή των αποζευκτών είναι σχετικά απλές. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η έλλειψη δυνατότητας σβέσης τόξου· μπορούν να ανοίγουν ή να κλείνουν κυκλώματα μόνο υπό συνθήκες μηδενικού ρεύματος φορτίου ή πολύ χαμηλού ρεύματος (συνήθως < 2 A). Οι αποζεύκτες υψηλής τάσης μπορούν να ταξινομηθούν βάσει του περιβάλλοντος εγκατάστασης σε εξωτερικούς και εσωτερικούς τύπους. Με βάση τη δομή των μονωτικών στηριγμάτων τους, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν περαιτέρω ως μονοστήλοι, διπλοστήλοι ή τριστήλοι αποζεύκτες.

Ο υποσταθμός 220 kV σε έναν ηλεκτρικό σταθμό μιας επιχείρησης αλουμινίου είναι ένας πλήρως αυτοματοποιημένος υποβιβαστικός υποσταθμός που βρίσκεται σε λειτουργία για περίπου 19 χρόνια. Παρέχει κυρίως DC ρεύμα σε ηλεκτρολυτικά κελιά 200 kA και παρέχει παραγωγική, βοηθητική και οικιακή ηλεκτρική ενέργεια σε άλλα δευτερεύοντα εργοστάσια της εταιρείας. Το εξωτερικό ηλεκτρικό διανομέας 220 kV χρησιμοποιεί αποζεύκτες GW7-220 τύπου εξωτερικού χώρου AC υψηλής τάσης — τριστήλους, οριζόντια ανοιγόμενους, τριφασικούς, 50 Hz ηλεκτρικές συσκευές υψηλής τάσης για εξωτερικό χώρο.

Από την έναρξη λειτουργίας τους το 1998, αυτοί οι αποζεύκτες AC υψηλής τάσης εξωτερικού χώρου έχουν επιτρέψει τη μεταφορά διαμέσου της λειτουργίας χωρίς φορτίο και έχουν παρέχει ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ των εξοπλισμών χωρίς ρεύμα (όπως ζεύξεις και διακόπτες κυκλώματος υπό συντήρηση) και των γραμμών υψηλής τάσης με ρεύμα. Μετά από 19 χρόνια λειτουργίας, έχει παρατηρηθεί ευρεία υπερθέρμανση των επαφών των αποζευκτών (μετρήσεις θερμομέτρου υπέρυθρης ακτινοβολίας που φτάνουν έως 150°C), δημιουργώντας σοβαρό κίνδυνο ασφαλείας. Αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να οδηγήσει στην καύση των αποζευκτών 220 kV, με αποτέλεσμα απώλεια φάσης, συγκόλληση επαφών ή βραχυκυκλώματα από ηλεκτρικό τόξο — που θα μπορούσε να προκαλέσει πλήρη διακοπή ρεύματος και αδράνεια ολόκληρου του συστήματος του υποσταθμού.

Ως απάντηση, πραγματοποιήθηκαν συλλογή δεδομένων και ανάλυση της ριζικής αιτίας, με αποτέλεσμα τον εντοπισμό των κύριων αιτιών της υπερθέρμανσης των επαφών. Εφαρμόστηκαν αποτελεσματικά μέτρα αναβάθμισης και στη συνέχεια προωθήθηκαν για ευρύτερη εφαρμογή.

Δομή και Αρχή Λειτουργίας του Αποζεύκτη AC Υψηλής Τάσης Εξωτερικού Χώρου GW7-220

Αυτός ο αποζεύκτης διαθέτει τριστήλη δομή με οριζόντια περιστροφή και αποτελείται από βάση, μονωτικά στηρίγματα, αγώγιμο σύστημα, διακόπτη γείωσης (εκτός από τις εκδόσεις χωρίς γείωση) και μηχανισμό οδήγησης. Η βάση είναι συγκολλημένη από χαλύβδινα προφίλ και πλάκες, με τρεις στηρίγματα στήριξης: δύο σταθερά στα άκρα και ένα περιστρεφόμενο στη μέση. Μέσα στο περίβλημα από χαλύβδινο προφίλ βρίσκονται οι ενώσεις μετάδοσης και οι πλάκες ασφάλισης. Κάτω από τη βάση είναι συγκολλημένες πλάκες στήριξης για ασφαλή προσάρτηση στο θεμέλιο. Οι βάσεις διατίθενται σε τρεις διαμορφώσεις: χωρίς γείωση, με μονή γείωση και με διπλή γείωση. Για τις εκδόσεις με γείωση, στηρίγματα διακόπτη γείωσης συγκολλούνται σε ένα ή και στα δύο άκρα της βάσης, με τους διακόπτες γείωσης να τοποθετούνται αντίστοιχα, επιλεγμένους βάσει των απαιτήσεων του κυκλώματος.

Η αγώγιμη μονάδα είναι στερεωμένη στην κορυφή των μονωτικών στηλών και αποτελείται από κινούμενη λεπίδα (αγώγιμο μαχαίρι πύλης) και σταθερές επαφές. Το μαχαίρι πύλης αποτελείται από δύο χάλκινους σωλήνες που συνδέονται μέσω δύο χάλκινων μπλοκ σε ένα αλουμινένιο κάλυμμα, με κυλινδρική άκρη επαφής συγκολλημένη στο τέλος. Οι σταθερές επαφές έχουν σχεδιασμό δακτυλίδιου με πολλαπλές σημειακές επαφές. Κάθε δάκτυλο επαφής διαθέτει ανεξάρτητο ελατήριο τάσης, παρέχοντας επαρκή διαδρομή εισαγωγής για να διατηρείται αξιόπιστη επαφή ακόμη και υπό δυνάμεις τάσης της ζεύξης. Ένα ελατήριο επαναφοράς κλίνει ελαφρά τη σταθερή επαφή για να διασφαλιστεί ομαλή και συντονισμένη λειτουργία ανοίγματος/κλεισίματος.

Ο μηχανισμός λειτουργίας περιλαμβάνει ηλεκτρικές και χειροκίνητες επιλογές. Ο ηλεκτρικός μηχανισμός χρησιμοποιεί έναν ασύγχρονο κινητήρα που οδηγεί ένα μηχανικό μειωτήρα για να περιστρέψει τον κύριο άξονα κατά 180°. Η δύναμη μεταδίδεται μέσω συνδετικών χάλκινων σωλήνων στον αποζεύκτη, και οι μοχλικοί συνδέσμοι περιστρέφουν την κεντρική μονωτική στήλη κατά 71°, προκαλώντας τις κινούμενες επαφές στα δύο άκρα της αγώγιμης ράβδου να εισέλθουν ή να αποσυρθούν από τις σταθερές επαφές, ολοκληρώνοντας τις λειτουργίες κλεισίματος ή ανοίγματος. Οι μηχανικές θέσεις νεκρού σημείου στον μοχλισμό παρέχουν αυτοασφάλιση στα άκρα της διαδρομής. Η χειροκίνητη λειτουργία είναι διαθέσιμη για εκκίνηση ή σε περίπτωση βλάβης του ηλεκτρικού μηχανισμού.

Ανάλυση των Αιτιών Υπερθέρμανσης Επαφών σε Αποζεύκτες Υψηλής Τάσης Εξωτερικού Χώρου

Ο εξωτερικός διανομέας 220 kV της επιχείρησης αλουμινίου διαθέτει 24 σύνολα GW7-220 αποζευκτών που εξυπηρετούν δύο εισερχόμενες γραμμές 220 kV, μονάδες ευθυντή #1–#4 και μετασχηματιστές ισχύος #1 και #2, με σύνολο 144 σταθερές επαφές. Κατά τις ρουτίνα επιθεωρήσεις, η υπερθέρμανση αξιολογήθηκε παρατηρώντας την ανάδυση θερμότητας, την αλλαγή χρώματος ή μετρήσεις θερμοκρασίας που υπερέβαιναν τους 70°C στα σημεία επαφής. Στατιστικά δείχνουν ότι από τον Ιανουάριο έως τον Δεκέμβριο του 2014, σημειώθηκαν 13 απρόβλεπτες διακοπές λόγω υπερθέρμανσης επαφών αποζεύκτη — κατά μέσο όρο 1,08 περιστατικά ανά μήνα.

Επανειλημμένες δοκιμές και αναλύσεις της δυναμικής των επαφών αποκάλυψαν τα ακόλουθα βασικά αίτια:

• Κάθε σταθερή επαφή αποτελείται από έξι ανεξάρτητες δακτυλίδιες επαφές με γεωμετρία σημειακής επαφής, με αποτέλεσμα ανεπαρκή συνολική επιφάνεια επαφής και ανομοιόμορφη κατανομή ρεύματος στα δάκτυλα — ένα δομικό ελάττωμα.

• Πολλαπλά κινούμενα εξαρτήματα επαφής επιτρέπουν στο ρεύμα να διέρχεται μέσω των ελατηρίων επαφής, προκαλώντας ανελαστικότητα, απώλεια ελαστικότητας, μείωση της πίεσης επαφής, αύξηση της αντίστασης επαφής και επιδείνωση της θέρμανσης.

• Δύσκολες συνθήκες εξωτερικού χώρου (ηλιακή ακτινοβολία, βροχή) σε συνδυασμό με μη βέλτιστη επιλογή υλικών (τυπικός χάλυβας για ελατήρια τάσης και πείρους επαφής) οδήγησαν σε σοβαρή διάβρωση, γήρανση, κόπωση ελατηρίων, υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, ανεπαρκή δύναμη επαφής και υπερβολική αντίσταση βρόχου.

• Η διάβρωση από ηλεκτρικό τόξο έχει προκαλέσει τρυπώματα και σοβαρή οξείδωση στις επιφάνειες επαφής, αυξάνοντας περαιτέρω την αντίσταση.

Μέτρα Αναβάθμισης και Πρόληψης για τις Σταθερές Επαφές

• Σύνδεση των προηγουμένως ανεξάρτητων δακτυλίδιων επαφών με εύκαμπτες χάλκινες ταινίες για αύξηση της αποτελεσματικής επιφάνειας επαφής μεταξύ κινούμενων και σταθερών επαφών.

• Αντικαταστήστε και ενημερώστε τους ελατηρίους και τα κοντάκια για να ενισχύσετε τη δύναμη των ελατηρίων και να βελτιώσετε τη στενότητα του επαφής.

• Εφαρμόστε πλατίνισμα στις επαφές και στιγμές κίνησης και στασικές.

• Εφαρμόστε στερεό λιπαντικό στις επαφές για μείωση της τριβής και πρόληψη της οξείδωσης.

• Εφαρμόστε την παρακολούθηση της θερμοκρασίας με υπέρυθρα, ειδικά στα σημεία σύνδεσης των επαφών, και δημιουργήστε μια βάση δεδομένων θερμοκρασίας.

• Διεξάγετε συστηματική συντήρηση, ελέγχους και καθαρισμό των αποσυνεκτικών.

Επαλήθευση και Αποτελέσματα Εφαρμογής

Η παρακολούθηση μετά την ενημέρωση δείχνει:

• Σε ίδιες θερμοκρασίες περιβάλλοντος (17°C) και συνθήκες λειτουργίας, οι θερμοκρασίες επαφής μειώθηκαν από ~23°C (ανεπεξεργασμένες) σε ~19°C (ενημερωμένες).

• Οι οπτικοί ελέγχοι κατά τη συντήρηση αποκάλυψαν σημαντικά λιγότερες ζώνες ζημιών από τόξο στις ενημερωμένες επαφές σε σύγκριση με τις ανεπεξεργασμένες.

Στην ημερομηνία συγγραφής, 5 μονάδες αποσυνεκτικών (30 στατικές επαφές) έχουν ενημερωθεί. Αυτή η τεχνική λύση εφαρμόζεται σταδιακά σε όλους τους GW7-220 αποσυνεκτικούς 220 kV στο εξωτερικό σταθμό συνεργείων της εταιρείας.

Συμπέρασμα

Μέσω συστηματικής ανάλυσης της ευρέως διαδεδομένης υπερθέρμανσης επαφών σε GW7-220 εξωτερικούς αποσυνεκτικούς υψηλής τάσης AC, αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν επικεντρωμένες τροποποιήσεις στις στατικές επαφές. Αυτό το πρόγραμμα έχει ενισχύσει σημαντικά την ασφάλεια της παροχής ρεύματος και τη σταθερότητα λειτουργίας, παρέχοντας επίσης πολύτιμη εμπειρία για μελλοντική λειτουργία, συντήρηση και συντήρηση των GW7-220 αποσυνεκτικών.