Een Korte Bespreking over de Retrofit en Toepassing van Statische Contacten in 220 kV Buitenkast Hoogspanningsafbrekers

De schakelaar is het meest gebruikte type hoogspanningschakelapparaat. In elektriciteitsnetwerken worden hoogspanningsschakelaars gebruikt in combinatie met hoogspanningsonderbrekers om schakeloperaties uit te voeren. Ze spelen een cruciale rol tijdens normale netwerkbedrijfsvoering, schakeloperaties en onderhoud van elektriciteitscentrales. Door hun frequente gebruik en hoge betrouwbaarheidsvereisten hebben schakelaars een significante invloed op het ontwerp, de bouw en veilige bedrijfsvoering van elektriciteitscentrales en krachtcentrales.

Het werkingprincipe en de structuur van schakelaars zijn relatief eenvoudig. Hun belangrijkste kenmerk is het ontbreken van een boogdempingvermogen; ze kunnen alleen circuits openen of sluiten onder stroomloze of zeer lage stroomomstandigheden (typisch < 2 A). Hoogspanningsschakelaars kunnen worden ingedeeld naar installatieomgeving in outdoor- en indoor-types. Op basis van de structuur van hun isolerende steunkolommen kunnen ze verder worden geclassificeerd als enkele-, dubbele- of driekolomschakelaars.

De 220 kV transformatiepost bij een aluminiumonderneming is een volledig geautomatiseerde stapeltransformatiepost die al bijna 19 jaar in bedrijf is. Het voorziet voornamelijk DC-stroom aan 200 kA elektrolysecellen en levert productie-, hulp- en woonstroom aan andere secundaire installaties binnen het bedrijf. De outdoor 220 kV schakelpost maakt gebruik van GW7-220 type outdoor AC hoogspanningsschakelaars—driekolom, horizontaal openend, driefase, 50 Hz outdoor hoogspanningsapparatuur.

Sinds de inbedrijfstelling in 1998 hebben deze outdoor AC hoogspanningsschakelaars busoverdracht onder stroomloze omstandigheden mogelijk gemaakt en elektrische isolatie geboden tussen gedemonteerd apparaat (zoals busbars en onderhoudsbehoefte onderbrekers) en live hoogspanningslijnen. Na 19 jaar dienst zijn er algemene oververhittingen van de schakelaarklemmen waargenomen (infrarood thermometer metingen tot wel 150°C), wat een ernstig veiligheidsrisico vormt. Dit probleem kan leiden tot de brandstichting van de 220 kV schakelaars, resulterend in faseverlies, klemcontactversmelting of boogflits kortsluiting—potentieel veroorzakend een volledige stroomuitval en verlamming van het hele transformatiepostsysteem.

Als reactie hierop werden gegevens verzameld en oorzaakanalyses uitgevoerd, wat leidde tot de identificatie van de primaire oorzaken van klemoververhitting. Effectieve verbouwmaatregelen werden geïmplementeerd en vervolgens bevorderd voor bredere toepassing.

Structuur en werkingsprincipe van de GW7-220 Outdoor AC Hoogspanningsschakelaar

Deze schakelaar heeft een driekolom, horizontaal draaiende constructie, bestaande uit een basis, isolerende steunkolommen, een geleidingsysteem, een aardingsschakelaar (behalve voor niet-geaarde versies) en een aandrijfmechanisme. De basis is samengeweld uit U-profiel en staalplaten, met drie bevestigingsbeugels: twee vast aan de uiteinden en één draaibaar in het midden. Binnen de U-profiel behuizing zitten overbrengingsverbindingen en interlockplaten. Bevestigingsplaten zijn samengeweld onder de basis voor een veilige fundering. Bases zijn verkrijgbaar in drie configuraties: niet-geaard, enkel geaard en dubbel geaard. Voor geaarde versies zijn aardingsschakelaar beugels samengeweld aan een of beide uiteinden van de basis, met aardingsschakelaars gemonteerd overeenkomstig, geselecteerd op basis van circuitvereisten.

Het geleidingsysteem is vastgezet boven op de isolerende kolommen en bestaat uit een bewegende lemmet (geleidende poortmes) en stationaire contacten. Het poortmes bestaat uit twee koperbuizen verbonden via twee koperblokken aan een aluminium kap, met een cilindrische contacttip gelast aan het einde. De stationaire contacten hebben een vinger-type, multi-point contactontwerp. Elk contactvinger heeft een onafhankelijke spanningsspiraal, waardoor voldoende inschuifreis wordt geboden om zelfs onder busbar spanningkrachten betrouwbare contacten te handhaven. Een terugtreksprong tilt de stationaire contacten iets om soepel en coördineerde open/gesloten acties te garanderen.

Het bedieningsmechanisme biedt zowel elektrische als handmatige opties. Het elektrische mechanisme gebruikt een asynchrone motor die een mechanische reductie-overbrenging aandrijft om de hoofdas met 180° te laten draaien. Kracht wordt door middel van verbindingsstaalbuizen overgebracht naar de schakelaar, en de overbrengingen draaien de centrale isolerende kolom met 71°, waardoor de bewegende contacten aan beide einden van de geleidingsbuis in of uit de stationaire contacten worden gestoken, waarmee de sluit- of openbewegingen worden voltooid. Mechanische doodhoeken in de overbrenging bieden zelf-vergrendeling aan de eindpunten van de baan. Handmatige bediening is beschikbaar voor inbedrijfstelling of in geval van falen van het elektrische mechanisme.

Analyse van de oorzaken van klemoververhitting bij outdoor hoogspanningsschakelaars

De 220 kV outdoor schakelpost van het aluminiumbedrijf heeft 24 sets GW7-220 schakelaars die twee 220 kV inkomende lijnen, rectifieer-eenheden #1–#4, en transformators #1 en #2 bedienen, in totaal 144 stationaire contacten. Tijdens routine-inspecties werd oververhitting beoordeeld door warmteglinstering, verkleuring of temperatuurmetingen die 70°C overschreden op contactpunten. Statistieken tonen aan dat van januari tot december 2014 er 13 ongeplande storingen waren door oververhitting van schakelaarklemmen—gemiddeld 1,08 incidenten per maand.

Herhaalde testen en analyse van contactdynamiek onthulden de volgende hoofdoorzaken:

• Elk stationair contact bestaat uit zes onafhankelijke vingercontacten met puntcontactgeometrie, wat resulteert in een ontoereikend totaal contactoppervlak en oneven stroomverdeling over de vingers—een structureel gebrek.

• Meerdere bewegende contactcomponenten laten stroom toe door contactveren, wat annealing, verlies van veerkracht, verminderde contactdruk en verslechterde contactweerstand veroorzaakt, wat de verhitting verergert.

• Harde outdoor omstandigheden (zonlicht, regen) in combinatie met suboptimale materiaalkeuze (standaard staal voor spanningsspanen en contactpennen) leidden tot ernstige corrosie, veroudering, veerkrachtvermoeidheid, vermindering van mechanische eigenschappen, ontoereikende contactkracht en te hoge lusweerstand.

• Boogerosie heeft putjes en ernstige oxidatie op contactoppervlakken veroorzaakt, wat de weerstand verder verhoogt.

Retrofit en preventieve maatregelen voor stationaire contacten

• Verbind de oorspronkelijk onafhankelijke vingercontacten met flexibele koperbanden om het effectieve contactoppervlak tussen bewegende en stationaire contacten te vergroten.

• Vervang en upgrade de spanningveren en pinnen om de veerkracht te versterken en de contactdruk te verbeteren.

• Breng zilververdunning aan op zowel de bewegende als de stilstaande contactoppervlakken.

• Breng een vaste smeermiddel aan op de contactoppervlakken om wrijving te verminderen en oxidatie te voorkomen.

• Voer infrarood temperatuurmonitoring uit, vooral bij contactverbindingen, en stel een temperatuurdatabank op.

• Voer regelmatig onderhoud, inspectie en reiniging van de afkoppelapparaten uit.

Verificatie en toepassingsresultaten

Post-retrofit monitoring toont aan:

• Bij identieke omgevingstemperatuur (17°C) en werkomstandigheden, daalden de contacttemperaturen van ~23°C (ongewijzigd) naar ~19°C (geretrofittet).

• Visuele inspecties tijdens het onderhoud lieten zien dat er aanzienlijk minder boogschadeplekken waren op de geretrofittete contacten vergeleken met de ongewijzigde contacten.

Op het moment van schrijven zijn 5 afkoppelapparaten (30 stilstaande contacten) geretrofittet. Deze technische oplossing wordt geleidelijk uitgerold over alle GW7-220 afkoppelapparaten in de 220 kV buitenste schakelstations van het bedrijf.

Conclusie

Door systematische analyse van de wijdverspreide overheating van contacten in GW7-220 buitenste AC-hoogspanningsafkoppelapparaten, werden gerichte modificaties van de stilstaande contacten succesvol ontwikkeld en geïmplementeerd. Dit initiatief heeft de veiligheid van de elektriciteitsvoorziening en de operationele stabiliteit aanzienlijk verbeterd, terwijl het ook waardevolle ervaringen biedt voor toekomstige operaties, onderhoud en dienstverlening van GW7-220 afkoppelapparaten.