En kort diskusjon om oppgradering og bruk av statiske kontakter i 220 kV utendørs høyspenningsavkoplingsventiler

Frånskoplingen er den mest brukte typen høyspenningsvekslingsutstyr. I kraftsystemer brukes høyspenningsfrånskoplinger i samarbeid med høyspenningsbrytere for å utføre vekslingsoperasjoner. De spiller en kritisk rolle under normal drift av kraftsystemet, ved vekslingsoperasjoner og ved vedlikehold av transformatorstasjoner. På grunn av deres hyppige bruk og høye pålitelighetskrav, har frånskoplinger stor betydning for design, konstruksjon og sikker drift av transformatorstasjoner og kraftverk.

Arbeidsprinsippet og strukturen til frånskoplinger er relativt enkle. Deres hovedegenskap er mangel på evne til å kvitte bue; de kan bare åpnes eller lukkes under tomstrømsforhold eller veldig lav strøm (typisk < 2 A). Høyspenningsfrånskoplinger kan deles inn i utendørs- og innendørstyper basert på installasjonsmiljø. Basert på strukturen til isolerende støttekolonner, kan de videre inndelas i enkolonne-, tokolonne- eller trekolonne-frånskoplinger.

220 kV-transformatorstasjonen ved et aluminiumsbedrift er en fullautomatisk nedtransformatorstasjon som har vært i drift i nesten 19 år. Den leverer hovedsakelig DC-strøm til 200 kA-elektrolyseceller og gir produksjons-, hjelpemiddels- og boligstrøm til andre sekundære anlegg i bedriften. Utendørs 220 kV switchyard bruker GW7-220 type utendørs AC-høyspenningsfrånskoplinger—trekolonne, horisontalt åpnende, trefas, 50 Hz utendørs høyspenningsutstyr.

Siden kommisjoneringen i 1998, har disse utendørs AC-høyspenningsfrånskoplingene muliggjort bussoverføring under tomstrømsforhold og gitt elektrisk isolasjon mellom deenergerte enheter (som busser og brytere under vedlikehold) og live høyspenningslinjer. Etter 19 år i tjeneste, har det vært observeret omfattende overoppvarming av kontaktene i frånskoplingen (infrarød termometermålinger opp til 150°C), noe som utgjør en alvorlig sikkerhetsrisiko. Dette problemet kan føre til forbrenning av 220 kV-frånskoplingene, med faseforlust, kontaktløysing eller buelys kortslutning—potensielt med fulle svik og lamlegging av hele transformatorstasjonssystemet.

I respons ble det gjennomført datainnsamling og årsaksanalyse, som førte til identifisering av de primære årsakene til kontaktoveroppvarming. Effektive ombyggingstiltak ble implementert og deretter fremmet for bredere bruk.

Struktur og arbeidsprinsipp for GW7-220 utendørs AC-høyspenningsfrånskopling

Denne frånskoplingen har en trekolonne, horisontalt roterende struktur, bestående av en base, isolerende støttekolonner, en ledningsystem, en jordbryter (unntatt for ikke-jordede versjoner) og en drevemechanisme. Basen er sveiset av kanalstål og stålplater, med tre monteringsbracket: to faste i endene og en roterbar i midten. Innenfor kanalstålhuset er transmissjonslenker og låseplater. Monteringsplater er sveiset under basen for sikker fundamentmontering. Basen er tilgjengelig i tre konfigurasjoner: ikke-jordet, enkeltjordet og dobbeltjordet. For jordede versjoner er jordbryterbracket sveiset til en eller begge ender av basen, med jordbrytere montert etterhvert, valgt basert på kretskrav.

Ledningsammensetningen er fastsatt øverst på isolerende kolonner og består av en bevegelig blad (ledende portkniv) og statiske kontakter. Portkniven består av to kobberrør koblet via to kobberblokker til en aluminiumdeksel, med en sylindrisk kontakttippe sveiset i enden. De statiske kontaktene har en fingerformet, flerpunkt kontaktstruktur. Hver kontaktfinger har en uavhengig spenningfjær, som gir tilstrekkelig settebane for å opprettholde pålitelig kontakt selv under bussetrykk. En returfjær tilter de statiske kontaktene litt for å sikre glatt og koordinert åpning/lukking.

Drevemekanismen inkluderer både elektriske og manuelle alternativer. Den elektriske mekanismen bruker en asynkron motor som driver en mekanisk reduksjonsgir for å rotere hovedaksen 180°. Kraften overføres via kobbelstålror til frånskoplingen, og lenker roterer den sentrale isolerende kolonnen 71°, som får de bevegelige kontaktene på begge ender av ledningspinnen til å sette seg inn i eller trekke seg ut av de statiske kontaktene, og fullfører lukking eller åpning. Mekaniske dødvinkelposisjoner i lenkene gir selvlåsing ved sluttpunktene for banen. Manuell operasjon er tilgjengelig for kommisjonering eller i tilfelle feil i elektrisk mekanisme.

Analyse av årsaker til kontaktoveroppvarming i utendørs høyspenningsfrånskoplinger

Aluminiumsbedriftens 220 kV utendørs switchyard har 24 sett GW7-220-frånskoplinger som serverer to 220 kV-innkommende linjer, rektifierenheter #1–#4, og krafttransformatorer #1 og #2, totalt 144 statiske kontakter. Under rutineinspeksjoner vurderes overoppvarming ved å observere varmevridninger, fargeendringer, eller temperaturmålinger over 70°C ved kontaktene. Statistikk viser at fra januar til desember 2014, var det 13 uforutsette nedstillinger på grunn av kontaktoveroppvarming i frånskoplinger—i gjennomsnitt 1,08 hendelser per måned.

Gjentatte tester og analyse av kontaktmekanismer avdekket følgende hovedårsaker:

• Hver statisk kontakt består av seks uavhengige fingerkontakter med punktkontaktgeometri, noe som resulterer i utilstrekkelig total kontaktflate og ujevn strømfordeling over fingrene—en strukturell feil.

• Flere bevegelige kontaktkomponenter tillater strøm til å gå gjennom kontaktfjærer, noe som fører til annealing, tap av elastisitet, redusert kontakttrykk, og forverring av kontaktmotstand, som forsterker varming.

• Tøffe utendørsforhold (sol, regn) kombinert med suboptimal materialevalg (standardstål for spenningfjærer og kontaktpiler) førte til alvorlig korrosjon, aldring, fjærmødiget, forringet mekaniske egenskaper, utilstrekkelig kontakttrykk, og for høy løkke motstand.

• Bueerosjon har ført til hull og alvorlig oksidasjon på kontaktflater, noe som ytterligere øker motstanden.

Ombygging og forebyggende tiltak for statiske kontakter

• Koble sammen de opprinnelige uavhengige fingerkontaktene ved hjelp av fleksible kobberremmer for å øke effektiv kontaktflate mellom bevegelige og statiske kontakter.

• Erstatt og oppgrader spenningfjærer og pinner for å forbedre fjærekraften og kontakttrykket.

• Anvend sølvbelag på både bevegelige og statiske kontaktflater.

• Anvend fast smøremiddele på kontaktflater for å redusere friksjon og forhindre oksidasjon.

• Implementer infrarødt temperaturmonitorering, spesielt ved kontakttilkoblingspunkter, og etablér en temperaturdatabase.

• Før ut regelmessig vedlikehold, inspeksjon og rengjøring av skilleforbindelser.

Verifisering og anvendelsesresultater

Overvåking etter ombygging viser:

• Ved identisk omgivelsistemperatur (17°C) og driftsforhold, sank kontaktemperaturen fra ~23°C (uombygd) til ~19°C (ombygd).

• Visuelle inspeksjoner under vedlikehold viste betydelig færre buebeskadigede punkter på ombygde kontakter sammenlignet med uombygde.

På det nåværende tidspunkt er 5 skilleforbindelser (30 statiske kontakter) ombygd. Denne tekniske løsningen implementeres gradvis på alle GW7-220 skilleforbindelser i selskapets 220 kV utendørs switchyard.

Konklusjon

Gjennom systematisk analyse av alminnelig kontaktoveroppvarming i GW7-220 utendørs AC høyspændings-skilleforbindelser, ble målrettede modifikasjoner av statiske kontakter vellykket utviklet og implementert. Dette initiativet har betydelig forbedret strømforsyningsikkerhet og driftsstabilitet, samt gitt verdifulle erfaringer for fremtidig drift, vedlikehold og service av GW7-220 skilleforbindelser.