Krótka dyskusja na temat modernizacji i zastosowania nieruchomych kontaktów w zewnętrznych wysokonapięciowych przłącznikach o napięciu 220 kV

Odłącznik jest najbardziej powszechnie stosowanym typem sprzętu do przełączania wysokiego napięcia. W systemach energetycznych odłączniki wysokiego napięcia to urządzenia elektryczne wysokiego napięcia używane w połączeniu z wyłącznikami wysokiego napięcia do wykonania operacji przełączania. Odgrywają kluczową rolę podczas normalnej pracy systemu energetycznego, operacji przełączania i konserwacji stacji transformatorowych. Ze względu na częste użytkowanie i wysokie wymagania dotyczące niezawodności, odłącznie mają znaczący wpływ na projektowanie, budowę i bezpieczne działanie stacji transformatorowych i elektrowni.

Zasada działania i konstrukcja odłączników są stosunkowo proste. Główną cechą tych urządzeń jest brak możliwości gaszenia łuku elektrycznego; mogą one otwierać lub zamykać obwody jedynie przy prądzie bezobciążeniowym lub bardzo niskim (zazwyczaj < 2 A). Odłączniki wysokiego napięcia można podzielić według środowiska instalacji na zewnętrzne i wewnętrzne. Na podstawie konstrukcji ich izolujących podpór, można je dalej sklasyfikować jako jednopodporowe, dwupodporowe lub trójpodporowe odłączniki.

Stacja transformatorowa o napięciu 220 kV w elektrowni przedsiębiorstwa aluminium to całkowicie automatyzowana stacja transformatorowa obniżająca napięcie, która działa już prawie 19 lat. Głównym zadaniem jest dostarczanie prądu stałego do elektrolizerniczych cel o natężeniu 200 kA oraz zapewnianie prądu produkcyjnego, pomocniczego i mieszkalnego innym zakładom drugiego stopnia w ramach firmy. Zewnętrzna rozdzielniowa stacja 220 kV używa odłączników wysokiego napięcia przemiennego GW7-220 typu zewnętrzny – trójpodporowych, otwieranych poziomo, trójfazowych, 50 Hz urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia zewnętrznych.

Od momentu uruchomienia w 1998 roku, te zewnętrzne odłączniki wysokiego napięcia przemiennego umożliwiły przełączanie linii busów w warunkach bezobciążeniowych oraz zapewniły izolację elektryczną między wyłączonym sprzętem (takim jak linie busów i wyłączniki poddawane konserwacji) a aktywnymi liniami wysokiego napięcia. Po 19 latach eksploatacji zaobserwowano szeroko rozpowszechnione nadgrzewanie kontaktów odłączników (czytniki temperatury podczerwonej osiągały do 150°C), co stanowiło poważne zagrożenie bezpieczeństwa. Ten problem mógł doprowadzić do spalenia się odłączników 220 kV, powodując utratę fazy, spajanie kontaktów lub krótkie złącza łukowe – co mogłoby skutkować całkowitym zaciemnieniem i paraliżem całego systemu stacji transformatorowej.

W odpowiedzi na to, przeprowadzono gromadzenie danych i analizę przyczyn, co doprowadziło do identyfikacji głównych przyczyn nadgrzewania kontaktów. Zostały wprowadzone skuteczne środki modernizacyjne, które następnie zostały promowane do szerszego zastosowania.

Konstrukcja i zasada działania odłącznika wysokiego napięcia przemiennego GW7-220

Ten odłącznik ma trójpodporową, poziomo obrotową konstrukcję, składającą się z podstawy, izolujących podpór, systemu przewodzącego, wyłącznika ziemnego (oprócz wersji bez wyłącznika ziemnego) i mechanizmu napędowego. Podstawa jest spawana z profilu U i blachy stalowej, z trzema uchwytami montażowymi: dwa stałe na końcach i jeden obrotowy w środku. Wewnątrz obudowy profilu U znajdują się linki transmisyjne i płytki blokujące. Płyty montażowe są spawane pod podstawą, aby zapewnić solidne zamocowanie fundamentu. Podstawy dostępne są w trzech konfiguracjach: bez wyłącznika ziemnego, z jednym wyłącznikiem ziemnym i z dwoma wyłącznikami ziemnymi. W przypadku wersji z wyłącznikiem ziemnym, uchwyty montażowe wyłącznika ziemnego są spawane na jednym lub obu końcach podstawy, a wyłączniki ziemne są montowane odpowiednio, wybierane na podstawie wymagań obwodowych.

System przewodzący jest zamontowany na szczycie izolujących podpór i składa się z ruchomego ostrza (przewodzącej bramki nożowej) i nieruchomych kontaktów. Ostrze bramki składa się z dwóch rurek miedzianych połączonych przez dwa bloki miedziane z pokrywą aluminiową, z cylindrycznym końcem kontaktowym spawanym na końcu. Nieruchome kontakty mają konstrukcję palcową, wielopunktową. Każdy palec kontaktowy ma niezależną sprężynę naciągową, zapewniającą wystarczającą drogę włożenia, aby utrzymać niezawodny kontakt nawet pod wpływem sił napinających busów. Sprężyna powrotna nachyla nieruchomy kontakt, aby zapewnić płynne i koordynowane otwieranie/zamykanie.

Mechanizm napędowy obejmuje zarówno opcję elektryczną, jak i manualną. Mechanizm elektryczny używa asynchronicznego silnika elektrycznego napędzającego mechaniczny reduktor, który obraca główną oś o 180°. Siła jest przekazywana poprzez łączące rury stalowe do odłącznika, a linki obracają centralną izolującą podporę o 71°, powodując, że ruchome kontakty na obu końcach przewodzącej szyny wchodzą lub wychodzą z nieruchomych kontaktów, ukończone zamknięciem lub otwarciem. Miejsca martwe w linkach zapewniają samozakłócanie na końcach drogi. Dostępna jest obsługa ręczna do uruchomienia lub w przypadku awarii mechanizmu elektrycznego.

Analiza przyczyn nadgrzewania kontaktów w odłącznikach wysokiego napięcia zewnętrznych

Zewnętrzna rozdzielniowa stacja 220 kV przedsiębiorstwa aluminium ma 24 zestawy odłączników GW7-220 obsługujących dwie linie wejściowe 220 kV, jednostki prostownicze #1–#4 i transformatory mocy #1 i #2, razem 144 nieruchome kontakty. Podczas rutynowych inspekcji nadgrzewanie było oceniane przez obserwację migotania ciepła, zmiany koloru lub pomiarów temperatury przekraczających 70°C w punktach kontaktowych. Statystyki pokazują, że od stycznia do grudnia 2014 roku miało miejsce 13 nieplanowanych awarii spowodowanych nadgrzewaniem kontaktów odłączników – średnio 1,08 incydentów miesięcznie.

Powtarzalne testy i analiza dynamiki kontaktów wykazały następujące podstawowe przyczyny:

• Każdy nieruchomy kontakt składa się z sześciu niezależnych palców kontaktowych z geometrią punktową, co powoduje niewystarczającą łączną powierzchnię kontaktu i nierównomierny rozkład prądu między palcami – błąd konstrukcyjny.

• Wiele ruchomych elementów kontaktowych umożliwia przepływ prądu przez sprężyny kontaktowe, powodując wytopienie, utratę sprężystości, zmniejszenie ciśnienia kontaktowego i pogorszenie oporu kontaktowego, co nasila nagrzewanie.

• Trudne warunki zewnętrzne (słoneczne, deszczowe) w połączeniu z podzielnym wyborem materiałów (standardowa stal dla sprężyn naciągowych i pinów kontaktowych) prowadzi do silnej korozji, starzenia, zmęczenia sprężyn, degradacji właściwości mechanicznych, niewystarczającego ciśnienia kontaktowego i zbyt dużego oporu pętli.

• Erozja łuku spowodowała wypaczenia i silne utlenienie powierzchni kontaktowych, co jeszcze bardziej zwiększa opór.

Modernizacja i środki zapobiegawcze dla nieruchomych kontaktów

• Połącz oryginalnie niezależne palce kontaktowe elastycznymi taśmami miedzianymi, aby zwiększyć skuteczną powierzchnię kontaktu między ruchomymi i nieruchomymi kontaktami.

• Zastąp i zaktualizuj sprężyny napięcia oraz sztyfty, aby wzmocnić siłę sprężynową i poprawić szczelność kontaktu.

• Nałóż powłokę srebrną na powierzchnie kontaktów ruchomych i nieruchomych.

• Nałóż stałą smarę do powierzchni kontaktowych, aby zmniejszyć tarcie i zapobiec utlenianiu.

• Wprowadź monitorowanie temperatury podczerwienią, szczególnie w punktach połączeń kontaktowych, i utwórz bazę danych temperatury.

• Przeprowadzaj regularne konserwację, inspekcje i czyszczenie rozłączników.

Weryfikacja i wyniki zastosowania

Monitorowanie po modernizacji pokazuje:

• Przy takiej samej temperaturze otoczenia (17°C) i warunkach pracy, temperatura kontaktów spadła z ~23°C (niewymodyfikowane) do ~19°C (po modernizacji).

• Wizualne kontrole podczas konserwacji wykazały znacznie mniej miejsc uszkodzeń spowodowanych łukiem elektrycznym na wymodyfikowanych kontaktach w porównaniu do niewymodyfikowanych.

Na moment pisania tego tekstu, 5 jednostek rozłączników (30 nieruchomych kontaktów) zostało wymodyfikowanych. Ta techniczna rozwiązanie jest stopniowo wprowadzane we wszystkich rozłącznikach GW7-220 w zewnętrznej stacji przekształtniczej 220 kV firmy.

Podsumowanie

Poprzez systematyczną analizę szeroko rozpowszechnionego przegrzewania się kontaktów w zewnętrznych wysokonapięciowych rozłącznikach GW7-220, udało się opracować i zaimplementować skierowane modyfikacje nieruchomych kontaktów. Inicjatywa ta znacznie poprawiła bezpieczeństwo dostaw energii i stabilność operacyjną, a także dostarczyła cennych doświadczeń dla przyszłej eksploatacji, konserwacji i obsługi rozłączników GW7-220.