Forschung zur Anwendung eines Systems für die ferne Online-Beseitigung von Defekten an Hochspannungs-Abschalteinrichtungen

Hochspannungs-Schaltgeräte, auch als Isolierschalter oder Messerschalter bezeichnet, verfügen über ein einfaches Arbeitsprinzip und eine einfache Bedienung. Als häufig eingesetzte Hochspannungsschaltvorrichtungen haben sie einen erheblichen Einfluss auf die Betriebssicherheit von Umspannwerken und erfordern in der Praxis strenge Zuverlässigkeit. Das System zur ferngesteuerten Online-Beseitigung von Defekten an Hochspannungs-Schaltgerät-Kontakten bietet Vorteile wie einfache Bedienung, niedrige Betriebskosten und hohe Stabilität, was es ideal für die Online-Beseitigung von Fehlern in der Energiewirtschaft macht.

1.Überblick über Hochspannungs-Schaltgeräte
Hochspannungs-Schaltgeräte werden am häufigsten in elektrischen Systemen von Umspannwerken und Kraftwerken eingesetzt und sind ein wesentlicher Bestandteil von Hochspannungsschaltanlagen. Sie müssen in Verbindung mit Hochspannungssicherungen verwendet werden.

Das System zur ferngesteuerten Online-Laser-Beseitigung von Defekten an Schaltgerät-Kontakten besteht aus einer Reinigungspistole, einem Wasserkühler, Lichtwellenleitern und einer Laserquelle. Ein vollständig festkörperbasierter quasi-stetiger Wellen (QCW) Laser wird eingesetzt, um eine leistungsstarke, effiziente und stetige Laserausgabe zu ermöglichen. Dieses System nutzt hochwertige Halbleiter-Pumpmodulen mit reflektierenden Chips, um potenzielle Gefahren abzudecken. Die Laser-Ausgangsleistung muss ≥1.000 W betragen, und die Kopplungseffizienz des Lichtwellenleiters muss über 96 % liegen. Zusätzliche Merkmale sind Null-Wartungskosten, kompakte Größe und Eignung für die Integration.

Energieübertragende Lichtwellenleiter werden wegen ihrer Selbstschutzfähigkeit während der Energieübertragung ausgewählt, wobei ihre Länge normalerweise zwischen 10 und 15 Metern liegt. Präzise Wasser Kühlungseinheiten für den Laser und den optischen Pfad ermöglichen eine genaue Temperaturkontrolle und zeitgerechte Anpassungen der Umgebungstemperatur.

Die Hauptfunktion von Hochspannungs-Schaltgeräten besteht darin, während der Wartung von Hochspannungseinrichtungen eine sichere elektrische Trennung zu gewährleisten. Sie sind nicht dafür ausgelegt, Last-, Fehler- oder Kurzschlussströme zu unterbrechen, und sollten nur zum Schalten kleiner kapazitiver oder induktiver Ströme verwendet werden. Folglich verfügen sie nicht über Bogenlöschfähigkeiten.

Basierend auf dem Installationsort werden Hochspannungs-Schaltgeräte in Innen- und Außenversionen klassifiziert. Nach der Anzahl der isolierenden Stützsäulen werden sie als Ein-, Doppel- oder Dreisäulen-Schalter eingeteilt. Die Spannungsklassen müssen nach spezifischen Anforderungen an die Ausrüstung ausgewählt werden.

Diese Schaltgeräte bieten einen sichtbaren Isolierungsspalt, um Hochspannungsquellen während der Wartung sicher zu trennen und die Sicherheit des Personals zu gewährleisten. Obwohl sie fähig sind, kleine Ströme zu schalten, verfügen sie nicht über dedizierte Bogenlöschvorrichtungen und können daher keine Last- oder Kurzschlussströme unterbrechen.

2.Ferngesteuertes Online-Lasersystem zur Beseitigung von Defekten an Schaltgerät-Kontakten
Laser bieten eine hohe Richtcharakteristik und Helligkeit, was eine schnelle Konzentration von Energie in einem begrenzten Raum ermöglicht. Laserreinigung beruht grundsätzlich auf der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Kontaminanten, wodurch chemische und physikalische Effekte hervorgerufen werden.

Studien zeigen, dass Oberflächenverschmutzungen durch Kapillarkräfte, elektrostatische Anziehung, kovalente Bindungen und van-der-Waals-Kräfte haften – wobei die letzten drei besonders schwierig zu überwinden sind. Laserreinigung stört diese Bindungskräfte ohne Beschädigung des Untergrunds.

Es gibt drei grundlegende Mechanismen der Laserreinigung:
(1) Zerfragmentierung und Abplatzung: Mikroskopische Verschmutzungsteilchen absorbieren Laserenergie, dehnen sich schnell aus, überwinden die Oberflächenhaftkräfte und brechen von der Oberfläche ab. Der ultrakurze Laserimpuls erzeugt explosionsartige Druckwellen, die die Teilchenabstoßung beschleunigen.
(2) Verdampfung: Aufgrund unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen von Substrat und Kontaminanten variieren ihre Laseraufnahmeraten. Mit der geeigneten Lasertyp- und Impulsdauerwahl reflektiert ~95 % der Laserenergie vom Substrat, das so geschützt wird. Kontaminanten absorbieren ~90 % der Energie, was zu einem sofortigen Temperaturanstieg und Verdampfen führt, wodurch sie entfernt werden, ohne das Substrat zu beschädigen.
(3) Vibrationsausstoß: Kurzpuls-Laser induzieren durch schnelle thermische Ausdehnung Ultraschallvibrationen. Die resultierenden Druckwellen zerfragmentieren und stoßen die Teilchen ab.

Das ferngesteuerte Online-Defekteliminations-System konzentriert hohe Energie innerhalb eines präzisen räumlichen und zeitlichen Fensters. Am Brennpunkt verursacht Ionisation Mikroexplosionen, die sofort die Kontaminanten abtrennen. Der hoch gerichtete Laserstrahl kann in anpassbare, ungleichmäßige Fleckgrößen geformt werden. Die Laserenergieintensität wird präzise gesteuert, um eine sofortige Trennung der Kontaminanten vom Substrat ohne Beschädigung zu gewährleisten.

3.Häufige Defekte bei Hochspannungs-Schaltgeräten im Betrieb
Defekte treten oft im Betrieb auf – zum Beispiel durch Staubaufkommen aufgrund schlechter Kontakte oder durch die Bildung von Verbindungsfilmen auf den Kontaktflächen, was den Kontaktwiderstand erhöht. Analysen zeigen, dass mangelhafte Konstruktion, minderwertige Komponenten und falsche Montage oder Justierung zu Defekten beitragen.

3.1 Bauteilkorrosion
Längerfristige Exposition gegenüber Regen, Wind und Feuchtigkeit führt zur Korrosion von Schaltgerätbauteilen. Einige Teile verwenden verzinkte Beschichtungen, aber elektrochemische Reaktionen während des Betriebs können zu schwerer Rostbildung führen. Mangelhafte Fertigungsprozesse beeinträchtigen weiterhin Qualität und Leistung, was die Korrosion beschleunigt. Schwere Rostbildung reduziert die mechanische Übertragungsgeschwindigkeit und kann zu Betriebsstörungen führen.

3.2 Unvollständiges Öffnen/Schließen und Überhitzung
Falsche Öffnungs- oder Schließvorgänge führen oft zu Defekten. Wenn die Kontakte nicht vollständig eingeschaltet sind, während der Stromkreis unter Spannung steht, tritt Widerstandsverlust auf, was zu Ausbrennungen oder Sicherheitsvorfällen führen kann – dies beeinflusst die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit und die Stromzuverlässigkeit.

Schwere Überhitzung an den Kontaktpunkten (aufgrund andauernder Stromflüsse, selbst wenn sie defekt sind) erhöht den Kontaktwiderstand, was einen Teufelskreis auslöst: höherer Widerstand → höhere Temperatur → weitere Widerstandssteigerung → Kontaktschaden.

3.3 Mangelhafte Abdichtung des Betriebsmechanismus führt zu Kontaktschäden
Die meisten Hochspannungs-Schaltgeräte arbeiten im Freien und sind anfällig für Umwelteinflüsse. Der Betriebsmechanismus dient als Energiequelle; wenn er korrodiert, beeinträchtigt dies die Funktionalität.

Um dies zu verhindern, werden die Betriebsmechanismen während der Installation in abgedichteten Gehäusen untergebracht. Allerdings kann bei schlechtem Abdichtung Regenwasser eindringen – insbesondere in der Regenzeit –, was zu internem Rost führt. Dies beeinträchtigt die Isolation der Steuerelemente und führt zu Fehlfunktionen. Die erhöhte Kontaktwiderstand erhöht die Temperatur, wobei höhere Ströme (z.B. >75% des Nennstroms) das Überhitzungs- und Kontaktverschleißproblem verschlimmern.

3.4 Porzellankerzebruch
Porzellankerzen sind wichtige strukturelle Komponenten. Brüche können den leitenden Schaltkreis zusammenbrechen lassen und den Trennschalter außer Funktion setzen. Ursachen hierfür sind:
– Mangelhafte Fertigungsprozesse, die die Qualität des Porzellans nicht gewährleisten;
– Zu starke mechanische Kräfte bei der Handhabung durch ungeschultes Personal.

4.Strategien für Fernwartungssysteme zur Online-Fehlerbeseitigung
Da die meisten Fehler auf mangelnde Erfahrung der Bediener oder fehlerhafte Konstruktionen zurückzuführen sind, sind gezielte Korrekturmaßnahmen notwendig.

4.1 Bekämpfung von Bauteilkorrosion
Sicherstellen strenger Qualitätskontrolle während des Einkaufs und der Bauausführung. Durchführen regelmäßiger Wartungen und Inspektionen. In Regionen mit hoher Luftfeuchtigkeit sollten die Inspektionsintervalle basierend auf den Umgebungsbedingungen verkürzt werden. Stark korrodierte Einheiten müssen umgehend ersetzt werden.

4.2 Behebung von unvollständigem Schließen und Überhitzung
Schlechter Kontakt beim Schließen resultiert oft aus unzureichender Inbetriebnahme oder nicht konformen strukturellen Anpassungen. Befähigte Techniker sollten vor Ort für Wartungsarbeiten engagiert werden, um eine korrekte Ausrichtung und einen akzeptablen Schleifwiderstand sicherzustellen.

Wählen Sie Kontaktmaterialien basierend auf Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit. Verwenden Sie korrosionsbeständige Bolzen. Reinigen Sie die Kontaktoberflächen gründlich, bevor Sie die Einführtiefe anpassen. Ersetzen Sie alte Spannfedern, die ihre Spannkraft eingebüßt haben, und entfernen Sie Oberflächenverunreinigungen, um ein Ansteigen des Widerstands und das Entstehen von Lichtbögen zu verhindern.

4.3 Verbesserung der Abdichtung der Betriebsmechanismen
Verbessern Sie die Abdichtung durch die Montage von Dichtungen an den Gehäusen. Ausrüsten Sie die Gehäuse mit Feuchtigkeitssensoren und Entfeuchtern. Aktivieren Sie die Entfeuchtung sofort, wenn erhöhte Feuchtigkeit festgestellt wird, um interne Korrosion und Isolationsversagen zu verhindern.

4.4 Verhinderung des Bruchs von Porzellankerzen
Durchführen rigoroser Qualitätsinspektionen während des Einkaufs von Porzellankerzen. Behandeln Sie Keramiken strikt gemäß den Betriebsprotokollen, um übermäßige Kräfte zu vermeiden. Prüfen Sie während der Routinepatrouillen auf Risse oder Brüche und ersetzen Sie defekte Einheiten sofort.

5.Fallstudie: Implementierung eines Systems zur Online-Fehlerbeseitigung
Eine kommunale Wasserkraftanlage – entscheidend für Hochwasserschutz, Stromerzeugung, ökologischen Schutz und regionale wirtschaftliche Entwicklung – dient als Fallstudie für die Anwendung des Systems zur ferngesteuerten Online-Fehlerbeseitigung an Hochspannungstrennern in Umspannwerken.

Wichtige Praktiken beinhalten:
– Auswahl von Trennern mit einer Spannung über 126 kV, Vermeidung von Einarm-Heckendesigns oder nicht bewährten Federkontaktkonstruktionen; Vorzug für Modelle mit validierten Temperaturanstieg-Prüfberichten.
– Für Einheiten ≥252 kV vollständige Montage, Maßeinstellungen und Kennzeichnung vor dem Versand aus der Fabrik.
– Für Einheiten ≥72.5 kV Durchführung von Kontaktfingerdrucktests und Bereitstellung von Konformitätszertifikaten.
– Bei der Übergabe Überprüfung der Silberbeschichtung sowohl auf beweglichen als auch auf festen Kontakten: Dicke >20 μm, Härte >120 HV.
– Nach der Installation Messung des leitenden Schleifwiderstands und Vergleich mit den Entwurfs- und Fabrikwerten; nur in Betrieb nehmen, wenn innerhalb der Toleranzgrenzen.
– Während des Betriebs Nutzung von Infrarot-Thermographie zur Überwachung der leitenden Verbindungen – insbesondere unter hohen Lasten oder hohen Temperaturen – und schnelles Eingreifen bei entdeckten Anomalien.
– Bei Stilllegungsprüfungen strikte Einhaltung der Wartungszyklen. Prüfung der Federleistung und der Kontaktschaltkreise, Austausch nicht konformer Teile. Nach der Wartung erneute Überprüfung des Kontaktdrucks.
– Halten Sie Ersatzteile und Laserreinigungswerkzeuge vorrätig, um schnelle Online-Fehlerbehebung zu ermöglichen.

6.Zusammenfassung
Zusammengefasst bietet das System zur ferngesteuerten Online-Fehlerbeseitigung mit Laser effektive Reinigung von Rost und Verunreinigungen an Trennerkontakten, verhindert Überhitzung und Verbrennung, reduziert die Verschleißrate der Geräte und verbessert die Stabilität des Stromnetzes. Hochspannungstrenner haben ein großes Potenzial in der modernen Energietechnik – sie minimieren den Verbrauch von Materialien und gewährleisten gleichzeitig eine zuverlässige und stabile Netzoperation.