Короткий огляд модернізації та застосування стаціонарних контактів у 220 кВ зовнішніх високовольтних вимикачів
Відокремлювач є найширше використовуваним типом високовольтного комутаційного обладнання. У електроенергетичних системах високовольтові відокремлювачі — це високовольтові електричні пристрої, які використовуються разом з високовольтовими автоматами для проведення комутаційних операцій. Вони грають ключову роль під час нормальної роботи електроенергетичної системи, комутаційних операцій та обслуговування підстанцій. Завдяки частоті використання та високим вимогам до надійності, відокремлювачі значно впливають на проектування, будівництво та безпечну експлуатацію підстанцій та електростанцій.
Принцип дії та конструкція відокремлювачів відносно прості. Їх основна характеристика полягає у відсутності здатності гасити дугу; вони можуть відкривати або закривати контури лише при відсутності навантаження або при дуже низькому струмі (зазвичай < 2 А). Високовольтові відокремлювачі можна класифікувати за середовищем встановлення на зовнішні та внутрішні. Відповідно до конструкції ізоляційних підтримок, вони можуть бути поділені на одностовпні, двостовпні або тристовпні відокремлювачі.
Підстанція 220 кВ на електростанції алюмінієвого підприємства — це повністю автоматизована понижувальна підстанція, яка працює майже 19 років. Вона головним чином забезпечує постійний струм для електролізних ванн 200 кА та надає енергію для виробництва, допоміжних потреб та житлових приміщень іншим вторинним підприємствам компанії. На зовнішньому 220-кВ перетворювальному пункту використовуються зовнішні AC високовольтові відокремлювачі типу GW7-220 — тристовпні, горизонтально відкриваючіся, трифазні, 50 Гц зовнішні високовольтові електричні пристрої.
З моменту введення в експлуатацію у 1998 році ці зовнішні AC високовольтові відокремлювачі дозволяли переключення шин без навантаження та забезпечували електричну ізоляцію між відключенним обладнанням (наприклад, шинами та автоматами, які знаходяться на обслуговуванні) та живими високовольтовими лініями. Після 19 років експлуатації було спостерігати масове перегрівання контактів відокремлювачів (показання інфрачервоного термометра досягали 150°C), що становить серйозне загрозу безпеці. Ця проблема може призвести до випалення відокремлювачів 220 кВ, що призведе до втрати фази, зварювання контактів або коротке замикання через дугу — що, у свою чергу, може призвести до повного відключення та паралічу всієї системи підстанції.
На відповідь було проведено збирання даних та аналіз первинних причин перегріву контактів, що призвело до виявлення основних причин. Були впроваджені ефективні міри модернізації, які потім були продовжені для ширшого застосування.
Конструкція та принцип дії зовнішнього AC високовольтового відокремлювача GW7-220
Цей відокремлювач має тристовпну, горизонтально обертаючу конструкцію, що складається з основи, ізоляційних підтримок, провідної системи, заземлювача (окрім версій без заземлення) та механізму приводу. Основа зварена з каналової сталі та сталевих пластин, з трьома монтажними кронштейнами: два фіксовані на кінцях та один обертаючийся посередині. Всередині каналової сталевої оболонки розташовані передавальні зв'язки та блоки взаємного запобігання. Під основою зварені монтажні плити для надійного прикріплення до фундаменту. Основи доступні в трьох конфігураціях: без заземлення, з однією точкою заземлення та з двома точками заземлення. Для версій з заземленням кронштейни заземлювача зварені до одного або обох кінців основи, з відповідно встановленими заземлювачами, вибраними відповідно до вимог схеми.
Провідна система розташована на вершині ізоляційних стовпів і складається з рухомого клинка (провідного ножа) та стаціонарних контактів. Клинок складається з двох медних труб, з'єднаних через дві медні деталі з алюмінієвою накриттям, з циліндричним контактним кінчиком, звареним на кінці. Стаціонарні контакти мають пальцевидну, багатоточкову контактну конструкцію. Кожен контактний палець має незалежну пружину напруження, що забезпечує достатній хід вставляння, щоб підтримувати надійний контакт навіть при дії сил напруження шин. Пружина повернення трохи нахиляє стаціонарний контакт, забезпечуючи плавні та координовані операції відкривання/закривання.
Механізм управління включає як електричний, так і механічний варіанти. Електричний механізм використовує асинхронний двигун, який приводить механічний редуктор, що обертає головний вал на 180°. Сила передається через з'єднуючі сталеві труби до відокремлювача, і зв'язки обертають центральний ізоляційний стовп на 71°, що призводить до вставляння або виводу рухомих контактів на обох кінцях провідного стержня в стаціонарні контакти, завершуючи операції закривання або відкривання. Механічні положення "мертвої точки" в зв'язках забезпечують самозакріплення на кінцевих точках ходу. Механічне управління доступне для введення в експлуатацію або у випадку відмови електричного механізму.
Аналіз причин перегріву контактів зовнішніх високовольтових відокремлювачів
У зовнішньому перетворювальному пункті 220 кВ алюмінієвого підприємства є 24 комплекта відокремлювачів типу GW7-220, які обслуговують дві лінії 220 кВ, прямоприводні агрегати №1–№4 та трансформатори мощності №1 та №2, загалом 144 стаціонарних контакти. Під час планових перевірок перегрів оцінювали, спостерігаючи теплові коливання, зміну кольору або показання температури, що перевищують 70°C на контактних точках. Статистика показує, що з січня по грудень 2014 року було 13 непланових відключень через перегрів контактів відокремлювачів — у середньому 1,08 випадків на місяць.
Повторні тестування та аналіз динаміки контактів виявили наступні первинні причини:
Кожен стаціонарний контакт складається з шести незалежних пальцевих контактів з точковою геометрією, що призводить до недостатньої загальної площі контакту та нерівномірного розподілу струму по пальцях — це конструктивна недолік.
Багато рухомих контактних компонентів дозволяють струму проходити через пружини контактів, що призводить до отеплення, втрати пружності, зменшення контактного тиску та погіршення контактного опору, що підріум'янює нагрівання.
Суворі зовнішні умови (сонячне світло, дощ) разом з підхідним вибором матеріалів (стандартна сталь для пружин напруження та контактних штифтів) призвели до сильного корозії, старіння, втоми пружин, виродження механічних властивостей, недостатнього контактного тиску та надмірного опору контуру.
Дугова ерозія призвела до ямок та сильного окислення поверхонь контактів, що ще більше збільшує опір.
Модернізація та профілактичні заходи для стаціонарних контактів
З'єднати оригінальні незалежні пальцеві контакти за допомогою гнучких медних стрічок, щоб збільшити ефективну площу контакту між рухомими та стаціонарними контактами.
Замініть та оновіть пружини натягу та штифти для підвищення сили пружини та покращення стиснення контакту.
Застосуйте срібне покриття до рухомих та нерухомих контактних поверхонь.
Застосуйте твердий змащувач до контактних поверхонь для зменшення тертя та запобігання окисленню.
Впровадьте інфрачервоне моніторинг температури, особливо в точках з'єднання контактів, та створіть базу даних температур.
Проводьте регулярне обслуговування, перевірку та очистку відключаючих пристроїв.
Перевірка та результати застосування
Моніторинг після модернізації показав:
При однаковій температурі оточуючого середовища (17°C) та умовах експлуатації, температура контактів знизилася з ~23°C (немодифіковані) до ~19°C (після модернізації).
Візуальний осмотр під час обслуговування виявив значно менше місць пошкоджень від дуги на модифікованих контактах порівняно з немодифікованими.
На момент написання цього тексту 5 відключаючих пристроїв (30 нерухомих контактів) було модернізовано. Це технічне рішення поступово впроваджується на всіх GW7-220 відключаючих пристроях на відкритому повітряному комутаційному пункті компанії напругою 220 кВ.
Висновок
Шляхом системного аналізу широко поширеної перегріваності контактів у відключаючих пристроях GW7-220 для відкритого повітряного альтернативного струму високої напруги, успішно розроблені та реалізовані цільові модифікації нерухомих контактів. Ініціатива значно підвищила безпеку надходження електроенергії та операційну стабільність, а також надала цінний досвід для майбутньої експлуатації, обслуговування та ремонту відключаючих пристроїв GW7-220.
