Một Thảo luận Ngắn gọn về Việc Cải tạo và Ứng dụng Của Đầu Cố Định trong Cầu Dao Cách Ly Trung Thế Ngoài Trời 220 kV

Cầu dao là loại thiết bị chuyển mạch điện áp cao được sử dụng rộng rãi nhất. Trong hệ thống điện, cầu dao điện áp cao là thiết bị điện áp cao được sử dụng phối hợp với cầu chì điện áp cao để thực hiện các hoạt động chuyển mạch. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành bình thường của hệ thống điện, hoạt động chuyển mạch và bảo dưỡng trạm biến áp. Do tần suất hoạt động cao và yêu cầu độ tin cậy, cầu dao có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế, xây dựng và vận hành an toàn của trạm biến áp và nhà máy điện.

Nguyên lý hoạt động và cấu trúc của cầu dao tương đối đơn giản. Đặc điểm chính của chúng là không có khả năng dập hồ quang; chúng chỉ có thể mở hoặc đóng mạch khi dòng điện tải bằng không hoặc rất thấp (thông thường < 2 A). Cầu dao điện áp cao có thể được phân loại theo môi trường lắp đặt thành loại ngoài trời và trong nhà. Dựa trên cấu trúc của cột cách điện, chúng có thể được phân loại thêm thành cầu dao một cột, hai cột hoặc ba cột.

Trạm biến áp 220 kV tại một nhà máy nhôm là trạm biến áp tự động hoàn toàn đã hoạt động gần 19 năm. Nó chủ yếu cung cấp điện DC cho các tế bào điện phân 200 kA và cung cấp điện sản xuất, phụ trợ và dân dụng cho các nhà máy thứ cấp khác trong công ty. Khu vực chuyển mạch 220 kV ngoài trời sử dụng cầu dao điện áp cao AC ngoài trời GW7-220 loại ba cột, mở ngang, ba pha, 50 Hz.

Kể từ khi đưa vào sử dụng vào năm 1998, các cầu dao điện áp cao AC ngoài trời này đã cho phép chuyển mạch bus dưới điều kiện tải bằng không và cung cấp sự cách ly điện giữa thiết bị không có điện (như busbar và cầu chì đang bảo dưỡng) và đường dây điện áp cao đang hoạt động. Sau 19 năm hoạt động, đã ghi nhận hiện tượng quá nhiệt rộng rãi ở các tiếp điểm của cầu dao (đọc nhiệt độ bằng đồng hồ hồng ngoại đạt tới 150°C), gây ra mối đe dọa an toàn nghiêm trọng. Vấn đề này có thể dẫn đến cháy hỏng cầu dao 220 kV, gây mất pha, hàn tiếp điểm hoặc ngắn mạch do hồ quang - có thể gây ra mất điện hoàn toàn và tê liệt toàn bộ hệ thống trạm biến áp.

Đáp lại, việc thu thập dữ liệu và phân tích nguyên nhân gốc rễ đã được tiến hành, xác định được các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng quá nhiệt ở tiếp điểm. Các biện pháp cải tạo hiệu quả đã được thực hiện và sau đó được quảng bá để áp dụng rộng rãi hơn.

Cấu trúc và Nguyên lý Hoạt động của Cầu Dao Điện Áp Cao AC Ngoài Trời GW7-220

Cầu dao này có cấu trúc ba cột, xoay ngang, bao gồm đế, cột cách điện, hệ thống dẫn điện, công tắc tiếp đất (trừ phiên bản không tiếp đất) và cơ cấu truyền động. Đế được hàn từ thép hình chữ U và thép tấm, có ba giá đỡ: hai cố định ở hai đầu và một có thể xoay ở giữa. Bên trong vỏ thép hình chữ U chứa các liên kết truyền động và bảng liên kết. Dưới đế được hàn các tấm gắn để cố định chắc chắn vào nền móng. Đế có ba cấu hình: không tiếp đất, tiếp đất một bên và tiếp đất hai bên. Đối với phiên bản có tiếp đất, các giá đỡ công tắc tiếp đất được hàn vào một hoặc cả hai đầu đế, với công tắc tiếp đất được gắn theo yêu cầu của mạch.

Hệ thống dẫn điện được cố định trên đỉnh các cột cách điện và bao gồm lưỡi dao di chuyển (dao cắt dẫn điện) và tiếp điểm tĩnh. Dao cắt bao gồm hai ống đồng nối qua hai khối đồng với nắp nhôm, có đầu tiếp xúc hình trụ được hàn ở cuối. Tiếp điểm tĩnh có thiết kế tiếp xúc nhiều điểm dạng ngón tay. Mỗi ngón tay tiếp xúc có lò xo căng độc lập, cung cấp hành trình chèn đủ để duy trì tiếp xúc đáng tin cậy ngay cả dưới lực kéo của busbar. Lò xo hồi vị nghiêng tiếp điểm tĩnh nhẹ để đảm bảo mở và đóng mượt mà, phối hợp.

Cơ cấu truyền động bao gồm cả tùy chọn điện và thủ công. Cơ cấu điện sử dụng động cơ không đồng bộ truyền qua hộp giảm tốc cơ khí để xoay trục chính 180°. Lực được truyền qua ống thép nối đến cầu dao, và liên kết xoay cột cách điện trung tâm 71°, khiến các tiếp điểm di chuyển ở cả hai đầu thanh dẫn điện chèn vào hoặc rút ra khỏi tiếp điểm tĩnh, hoàn thành các hoạt động đóng hoặc mở. Vị trí chết cơ học trong liên kết cung cấp khóa tự động ở các điểm cuối hành trình. Việc vận hành thủ công có sẵn cho việc khởi chạy hoặc trong trường hợp cơ cấu điện bị hỏng.

Phân Tích Nguyên Nhân Gây Quá Nhiệt ở Tiếp Điểm Của Cầu Dao Điện Áp Cao Ngoài Trời

Khu vực chuyển mạch 220 kV ngoài trời của doanh nghiệp nhôm có 24 bộ cầu dao GW7-220 phục vụ cho hai đường dây 220 kV đến, các đơn vị chỉnh lưu #1–#4 và các biến áp điện #1 và #2, tổng cộng 144 tiếp điểm tĩnh. Trong quá trình kiểm tra định kỳ, hiện tượng quá nhiệt được đánh giá bằng cách quan sát hiện tượng rung nhiệt, đổi màu hoặc đo nhiệt độ vượt quá 70°C tại các điểm tiếp xúc. Thống kê cho thấy từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2014, đã có 13 lần ngừng hoạt động không dự kiến do quá nhiệt ở tiếp điểm cầu dao - trung bình 1,08 lần mỗi tháng.

Qua nhiều lần thử nghiệm và phân tích động học tiếp điểm, các nguyên nhân gốc rễ sau đây đã được xác định:

• Mỗi tiếp điểm tĩnh bao gồm sáu tiếp điểm ngón tay độc lập với hình học tiếp xúc điểm, dẫn đến diện tích tiếp xúc tổng cộng không đủ và phân bố dòng điện không đều trên các ngón tay - một khuyết điểm về cấu trúc.

• Nhiều thành phần tiếp điểm di chuyển cho phép dòng điện chảy qua các lò xo tiếp xúc, gây nên quá nhiệt, mất đàn hồi, giảm áp lực tiếp xúc và làm xấu đi trở kháng tiếp xúc, làm tăng nhiệt độ.

• Điều kiện ngoài trời khắc nghiệt (ánh nắng, mưa) kết hợp với việc lựa chọn vật liệu không tối ưu (thép tiêu chuẩn cho lò xo căng và chốt tiếp xúc) đã dẫn đến ăn mòn nghiêm trọng, lão hóa, mệt mỏi lò xo, suy giảm tính chất cơ học, lực tiếp xúc không đủ và trở kháng vòng lớn.

• Sự xói mòn do hồ quang đã gây ra các lỗ và oxi hóa nghiêm trọng trên bề mặt tiếp xúc, làm tăng thêm trở kháng.

Biện Pháp Cải Tạo và Phòng Ngừa cho Tiếp Điểm Tĩnh

• Liên kết các tiếp điểm ngón tay độc lập ban đầu bằng các dải đồng mềm để tăng diện tích tiếp xúc hiệu quả giữa tiếp điểm di chuyển và tĩnh.

• Thay thế và nâng cấp lò xo căng và chốt để tăng lực lò xo và cải thiện độ kín của tiếp xúc.

• Áp dụng mạ bạc cho cả bề mặt tiếp xúc di động và tĩnh.

• Áp dụng chất bôi trơn rắn lên bề mặt tiếp xúc để giảm ma sát và ngăn chặn oxi hóa.

• Triển khai giám sát nhiệt độ hồng ngoại, đặc biệt tại các điểm kết nối tiếp xúc, và thiết lập cơ sở dữ liệu nhiệt độ.

• Tiến hành bảo dưỡng, kiểm tra và vệ sinh định kỳ các công tắc cách ly.

Xác minh và Kết quả Áp dụng

Quan sát sau khi cải tạo cho thấy:

• Tại nhiệt độ môi trường xung quanh (17°C) và điều kiện hoạt động giống nhau, nhiệt độ tiếp xúc giảm từ ~23°C (chưa cải tạo) xuống ~19°C (đã cải tạo).

• Kiểm tra trực quan trong quá trình bảo dưỡng cho thấy số lượng điểm hỏng do hồ quang trên tiếp xúc đã cải tạo ít hơn đáng kể so với tiếp xúc chưa cải tạo.

Tính đến thời điểm này, 5 đơn vị công tắc cách ly (30 tiếp xúc tĩnh) đã được cải tạo. Giải pháp kỹ thuật này đang được triển khai dần dần cho tất cả các công tắc cách ly GW7-220 trong trạm chuyển mạch ngoài trời 220 kV của công ty.

Kết luận

Qua phân tích hệ thống về hiện tượng quá nhiệt tiếp xúc phổ biến trên các công tắc cách ly điện áp cao AC ngoài trời GW7-220, các cải tiến mục tiêu cho tiếp xúc tĩnh đã được phát triển và triển khai thành công. Sáng kiến này đã nâng cao đáng kể an toàn cung cấp điện và ổn định vận hành, đồng thời cung cấp kinh nghiệm quý giá cho việc vận hành, bảo dưỡng và phục vụ các công tắc cách ly GW7-220 trong tương lai.