Analýza příčin a prevencní opatření pro havárie s vypalováním vakuových vypínačů

1. Analýza mechanismu selhání vakuumových vypínačů

1.1 Vytváření oblouku během otevírání

Na příkladu otevírání vypínače, kdy průběh proudem aktivuje pohonné mechanismy, začíná pohyblivý kontakt odstupovat od pevného kontaktu. S rostoucí vzdáleností mezi pohyblivým a pevným kontaktem proces prochází třemi stádii: oddělením kontaktů, vytvářením oblouku a obnovou dielektrických vlastností po oblouku. Jakmile dojde k fázi vytváření oblouku, stav elektrického oblouku hraje rozhodující roli pro zdravotní stav vakuumového vypínače.

S rostoucím proudem se vakuumový oblouk vyvíjí od kathodové skvrny a obloukového sloupce směrem k anodě. S pokračujícím snižováním plochy kontaktu vzniká vysoká hustota proudu, která generuje vysoké teploty, což vedne k vypařování materiálu kathody. Pod vlivem elektrického pole se vytvoří plazma v počáteční mezeře. Na povrchu kathody se objeví kathodové skvrny, které emitují elektrony a vytvářejí polovodičový proud, což vedne k postupnému erozí materiálu a udržování metalové páry a plazmy. V této fázi, s relativně nízkým proudem oblouku, je aktivní pouze kathoda.

S dalším růstem proudu oblouku dochází k tomu, že plazma vkládá energii do anody, což způsobí, že režim oblouku na anodě přechází z difúzního oblouku na koncentrovaný oblouk. Tento přechod je ovlivněn faktory jako jsou materiály elektrod a velikost proudu.

1.2 Analýza selhání eróze kontaktů

Eróze kontaktů je přímo spojena s přerušovaným proudem. Při nominálním síťovém proudu je stupeň tavení kontaktů prakticky zanedbatelný. Eróze kontaktů nastává za podmínek vysokého proudu a vysoké teploty. Když vakuumový vypínač přeruší krátkozávodní proud, který přesahuje jeho nominální hodnotu, stupeň eroze materiálu náhle roste, což vytváří podmínky pro ztrátu materiálu.

Štěrbiny na povrchu kontaktů zvyšují koncentraci proudu v povrchových výstupech, což vede ke zvýšené lokální ohřevu. Doba trvání proudu oblouku je také klíčová. I když je proud krátkozávodní, pokud je jeho doba trvání příliš krátká, množství eroze materiálu zůstává malé.

Základní příčinou selhání kontaktů je ztráta hmoty během vytváření oblouku. Poškození kontaktů probíhá ve dvou fázích:

• Eroze materiálu: Eroze materiálu anody je podporována plazmou. Hustota toku energie na povrchu anody je klíčovým parametrem pro měření vlivu plazmy na anodu. Výzkum ukazuje, že hustota toku energie na anodě roste s vyšším proudem oblouku, větší mezera mezi kontakty a menší poloměr kontaktu, což podporuje vytváření anodových skvrn a erozi materiálu.

• Ztráta materiálu: Po zhasnutí oblouku jsou z kapalného stavu z kontaktového povrchu vyloučeny kapky kovu kvůli tlaku plazmy. Tento proces je primárně ovlivněn vlastnostmi materiálu, s minimálním dalším vlivem oblouku.

2. Příčiny havarijních požárů vakuumových vypínačů

(1) Elektrický opotřebení a změna mezery mezi kontakty vedoucí k zvýšení odporu kontaktů
Vakuumové vypínače jsou uzavřeny uvnitř vakuumového vypínače, s pohyblivými a pevnými kontakty v přímém styku. Během přerušení dochází k erozi kontaktů, což způsobuje opotřebení kontaktů, snížení tloušťky kontaktů a změnu mezery mezi kontakty. S pokrokem opotřebení se povrch kontaktu zhoršuje, což zvyšuje odpor mezi pohyblivým a pevným kontaktem. Opotřebení také mění mezeru mezi kontakty, což snižuje tlak pružiny mezi kontakty a dále zvyšuje odpor mezi kontakty.

(2) Asynchronní provoz vedoucí k zvýšení odporu v porouchané fázi
Pokud je mechanická výkonnost vakuumového vypínače špatná, mohou opakované operace vést k asynchronnímu provozu z důvodu mechanických problémů. To prodlužuje časy otevírání a zavírání, což brání efektivnímu zhasnutí oblouku. Oblouk může vést k svaření (spojení) kontaktů, což znamenale zvyšuje odpor mezi pohyblivým a pevným kontaktem.

(3) Snížení integrity vakua vedoucí k oxidaci kontaktů a zvýšení odporu
Bělouše v vakuumovém vypínači jsou vyrobeny z tenkého nerezového oceli a slouží jako uzavírací prvek, který udržuje vakuum, zatímco umožňuje pohyb vodičové tyče. Mechanický život bělouše je určen silami roztažení a stlačení během provozu vypínače. Teplota přenesená z vodičové tyče na bělouš zvyšuje jejich teplotu, což ovlivňuje únavovou pevnost.

Pokud je materiál bělouše nebo výrobní proces vadný, nebo pokud vypínač zažije vibrovaní, dopad nebo poškození během přepravy, instalace nebo údržby, mohou vzniknout úniky nebo mikrotrhliny. S časem to vede k snížení úrovně vakua. Snížené vakuum umožňuje oxidaci kontaktů, což vytváří vysokoodporový kovový oxid, což zvyšuje odpor mezi kontakty.

Při zatížení proudu se kontakty neustále přehřívají, což dále zvyšuje teplotu bělouše a může vést k selhání bělouše. Kromě toho, s nižším vakuem, vypínač ztrácí svou nominální schopnost hasit oblouk. Při přerušování zatížení nebo poruchového proudu nedostatečná schopnost hasit oblouk vede k dlouhotrvajícímu oblouku, což nakonec způsobí hoření vypínače.

3. Preventivní opatření proti havarijním požárům vakuumových vypínačů

3.1 Technická opatření

Příčiny snížení integrity vakua jsou komplexní. Je třeba zabránit vibrovaní a dopadu během přepravy, instalace a údržby. Nicméně, jakost výroby a montáže v továrně jsou klíčovými faktory ovlivňujícími integrity vakua.

(1) Zlepšení materiálu a jakosti montáže bělouše
Vakuumové vypínače používají bělouše pro mechanický pohyb. Po opakovaných cyklech otevírání a zavírání mohou vzniknout mikrotrhliny, které mohou poškodit integrity vakua. Proto musí výrobci zlepšit pevnost materiálu bělouše a jakost montáže, aby zajistili spolehlivost uzavírání.

(2) Pravidelné měření mechanických charakteristik a odporu kontaktů
Během ročních údržbách je třeba pravidelně kontrolovat elektrické opotřebení kontaktů a změnu mezery mezi kontakty. Provést testy synchronizace, přetahů a dalších mechanických charakteristik. Použít metodu DC napěťového klesání pro měření odporu okruhu. Odhadnout oxidaci a opotřebení kontaktů na základě hodnot odporu a okamžitě řešit problémy.

(3) Pravidelné testování integrity vakua
Pro zapichovací typy vakuumových vypínačů není během kontrol často možné vizuálně detekovat externí výboj na vypínači. V praxi se často používají periodické testy výdrže střídavého napětí pro posouzení integrity vakua. Ačkoli je to destruktivní test, efektivně identifikuje defekty vakua. Alternativně, použití vakuumového testéru pro kvalitativní měření vakua je nejlepší metodou pro posouzení integrity vakua. Pokud je detekováno snížení vakua, musí být okamžitě nahrazen vakuumový vypínač.

(4) Instalace online monitorovacích zařízení vakua
S širokým použitím bezdrátové komunikace a SCADA systémů v elektrických sítích se online monitorování vakua stalo možným. Metody zahrnují detekci tlaku, kapacitní kouplení, elektrooptickou konverzi, ultrazvukovou detekci a bezkontaktní mikrovlnnou detekci.

• Detekce tlaku: Vložení senzorů tlaku do vypínače během výroby. Jak vakuum klesá, hustota plynu a vnitřní tlak rostou. Změna tlaku je předávána do řídicího systému pro reálné časové monitorování.

• Bezkontaktní mikrovlnná detekce: Používá pasivní detekci k zachycení mikrovlnných signálů, což umožňuje zachytit unikátní zpětné signály při poruše integrity vakua, což umožňuje reálné časové online monitorování.

3.2 Správní opatření

V minulých incidentech nepovedlo operátory správně identifikovat vady vypínače, což vedlo k hoření a eskalaci nehody. To zdůrazňuje nedostatečnou znalost SCADA systémů, místního zařízení a provozních postupů, stejně jako nedostatek povědomí o nouzových situacích. Proto je třeba zesílit správu hlavních transformátorových stanic.

• Důsledné provádění inspekčních systémů pro rané detekci problémů.

• Zlepšení školení operátorů v oblasti SCADA systémů, obsluhy a údržby vypínačů a nouzových postupů.

• Pravidelné cvičení pro prevenci nehod a nouzové odpovědi.

3.3 Zlepšení funkce "pěti prevencí" v prostředně umístěných vypínačích

Technické zlepšení funkce "pěti prevencí" v prostředně umístěných vypínačích, aby byly plně splněny standardní požadavky. Úplné vysokonapěťové vypínače by měly mít plné funkce "pěti prevencí" s spolehlivým výkonem.

• Instalace indikátorů živého vedení na výstupní straně vypínače. Tyto indikátory by měly mít funkci samočinné kontroly a být propojeny s zemnicí na straně vedení.

• Pro instalace s možností zpětného přívodu by měla být dveře kompartmentu vybaveny povinným zámkem řízeným indikátorem živého vedení.

Tímto analýzou havarijních požárů vakuumových vypínačů způsobených snížením integrity vakua - vedoucím k oxidaci kontaktů, zvýšení odporu kontaktů, přehřívání a konečnému selhání - tento článek navrhuje cílená opatření, jako je zlepšení materiálu a jakosti montáže bělouše a instalace online monitorovacích zařízení vakua. Tyto opatření pomáhají prevence a reálné časové sledování degradace vakua, aby se zabránilo opakování podobných nehod.