En kort diskussion om ombyggnad och tillämpning av fasta kontakter i 220 kV utomhus högspänningsbrytare

Avkopplaren är den mest använda typen av högspänningsväxlingsutrustning. I kraftsystem använder man högspänningsavkopplare i samverkan med högspänningsbrytare för att utföra växlingsoperationer. De spelar en viktig roll under normal drift, växlingsoperationer och underhåll av kraftstationer. På grund av deras frekventa användning och höga tillförlitlighetskrav har avkopplare en betydande inverkan på design, konstruktion och säker drift av kraftstationer och kraftverk.

Arbetsprincipen och strukturen hos avkopplare är relativt enkla. Deras huvudsakliga karaktäristika är brist på förmåga att kväva bågar; de kan endast öppna eller stänga kretsar vid tomström eller mycket låg ström (typiskt < 2 A). Höga spänningsavkopplare kan indelas efter installationsmiljö i utomhus- och inomhusmodeller. Baserat på strukturen av deras isolerande stödstolpar kan de ytterligare kategoriseras som ensidiga, tvåsidiga eller tredje sidor avkopplare.

Den 220 kV kraftstationen vid ett aluminiumföretags kraftverk är en fullt automatiserad nedtrappningsstation som har varit i drift i nästan 19 år. Den levererar huvudsakligen DC-ström till 200 kA elektrolysceller samt produktions-, hjälp- och boendeenergi till andra sekundära anläggningar inom företaget. Ute 220 kV växlingsanläggningen använder GW7-220-typens utomhus AC-högspänningsavkopplare—tre-sidiga, horisontellt öppnande, trefasiga, 50 Hz utomhus högspänningsutrustningar.

Sedan kommissioneringen 1998 har dessa utomhus AC-högspänningsavkopplare möjliggjort bussoverföring vid tomström och gett elektrisk isolering mellan avstängd utrustning (som busbarer och brytare under underhåll) och live högspänningslinjer. Efter 19 års drift har det observerats omfattande överhettning av avkopplingskontakter (infraröd termometers mätvärden når upp till 150°C), vilket utgör en allvarlig säkerhetshot. Detta problem kan leda till bränning av 220 kV avkopplarna, vilket resulterar i fasförlust, kontaktlöddring eller bågelektrisk kortslutning—potentiellt orsakar detta en total strömavbrott och lamslagning av hela kraftstationsystemet.

I svar på detta genomfördes datainsamling och rotorsaksanalys, vilket ledde till identifiering av de huvudsakliga orsakerna till kontakternas överhettning. Effektiva åtgärder för ombyggnad genomfördes och sprids sedan för bredare användning.

Struktur och arbetsprincip för GW7-220 utomhus AC-högspänningsavkopplare

Denna avkopplare har en tre-sidig, horisontellt roterande struktur, bestående av en bas, isolerande stödstolpar, en ledningsystem, en jordningsbrytare (förutom icke-jordade versioner) och en drivmekanism. Basen är svetsad från kanalstål och stålplåtar, med tre monteringsbracket: två fasta i ändarna och en roterande i mitten. Inuti kanalstålhuset finns transmissionsledningar och låsningsplattor. Monteringsplattor är svetsade under basen för säker fastighetsmontering. Baser finns i tre konfigurationer: icke-jordade, ensidigt jordade och dubbelt jordade. För jordade versioner är jordningsbrytarebracket svetsade vid ena eller båda ändarna av basen, med jordningsbrytare monterade enligt behov, valda baserat på kretsbehoven.

Ledningsystemet är fastskruvat ovanpå isolerande stolpar och består av en rörlig kniv (ledningskniv) och fasta kontakter. Kniven består av två kopparrör som är anslutna via två kopparblock till en aluminiumlock, med en cylindrisk kontaktspets svetsad vid änden. De fasta kontakterna har en fingerlik, flerpunktig kontaktform. Varje kontaktfinger har en oberoende spänningsspring, vilket ger tillräcklig infogningsresning för att bibehålla tillförlitlig kontakt även under busbarspänning. En returspring lägger till lite lutning på den fasta kontakten för att säkerställa smidig och samordnad öppning/stängning.

Drivmekanismen inkluderar både elektriska och manuella alternativ. Den elektriska mekanismen använder en asynkron motor som driver en mekanisk reduktionsväxel för att rotera huvudaxeln med 180°. Kraft överförs via anslutande stålrör till avkopplaren, och ledningar roterar den centrala isolerande stolpen med 71°, vilket gör att de rörliga kontakterna i båda ändarna av ledningspinnen infogas eller dras ur de fasta kontakterna, slutför stängnings- eller öppningsoperationer. Mekaniska dödpunkter i ledningen ger självlåsning vid slutpunkterna av färdriktningen. Manuell operation är tillgänglig för kommissionering eller i fall av fel i elektrisk mekanism.

Analys av orsaker till överhettning av fasta kontakter i utomhus högspänningsavkopplare

Aluminiumföretagets 220 kV utomhus växlingsanläggning har 24 uppsättningar GW7-220 avkopplare som serverar två 220 kV inkommande linjer, rektifieringsenheter #1–#4 och strömförstärkare #1 och #2, totalt 144 fasta kontakter. Under rutininspektioner bedömdes överhettning genom att observera värmevärkan, färgändring eller temperaturmätningar som överstiger 70°C vid kontaktplatser. Statistik visar att från januari till december 2014 inträffade det 13 oplanerade driftstopp på grund av överhettning av avkopplingskontakter—genomsnittligt 1,08 incidenter per månad.

Repetitiva tester och analys av kontakt-dynamik avslöjade följande grundorsaker:

• Varje fast kontakt består av sex oberoende fingerkontakter med punktkontaktgeometri, vilket ger otillräcklig total kontaktarea och ojämn strömfördelning över fingrar—en strukturell brist.

• Flera rörliga kontaktkomponenter tillåter ström att flöda genom kontaktfjädrar, vilket leder till mjukning, förlust av elasticitet, minskat kontaktryck och förvärrad kontaktmotstånd, vilket förvärrar upphettningen.

• Hårda utomhusförhållanden (sol, regn) kombinerat med underoptimal materialval (standardstål för spänningsfjädrar och kontaktstiften) ledde till allvarlig korrosion, åldring, fjädertrohet, förvärrade mekaniska egenskaper, otillräckligt kontaktryck och för hög loopmotstånd.

• Bågearosion har orsakat hål och allvarlig oxidation på kontaktytorna, vilket ytterligare ökar resistansen.

Omnystning och förebyggande åtgärder för fasta kontakter

• Anslut de ursprungligen oberoende fingerkontakterna med flexibla kopparremmar för att öka den effektiva kontaktarean mellan rörliga och fasta kontakter.

• Ersätt och uppgradera spännfjädrar och stift för att öka fjäderkraften och förbättra kontakttrycket.

• Tillämpa silverplätering på både rörliga och fasta kontaktytor.

• Tillämpa fast smörjmedel på kontaktytor för att minska friktion och förhindra oxidation.

• Inför infraröd temperaturövervakning, särskilt vid kontaktanslutningspunkter, och etablera en temperaturoddatabas.

• Genomför regelbunden underhåll, inspektion och rengöring av kopplingar.

Verifiering och tillämpningsresultat

Övervakning efter ombyggnad visar:

• Vid samma omgivande temperatur (17°C) och driftvillkor sjönk kontaktemperaturen från ~23°C (oändrad) till ~19°C (ombyggd).

• Visuella inspektioner under underhåll visade betydligt färre bågskadade punkter på ombyggda kontakter jämfört med oändrade.

Fem kopplingsenheter (30 fasta kontakter) har hittills ombyggts. Denna tekniska lösning implementeras gradvis för alla GW7-220-kopplingar i företagets 220 kV-utomhusstation.

Slutsats

Genom systematisk analys av utbredda överhettningar i GW7-220-utomhusstationers AC-högspänningsskopplingar har målinriktade ändringar av fasta kontakter framgångsrikt utvecklats och genomförts. Detta initiativ har betydligt förbättrat elavsäkerheten och driftstabiliteten, samtidigt som det ger värdefull erfarenhet för framtida drift, underhåll och service av GW7-220-kopplingar.