Analyse af årsager og forebyggelsesforanstaltninger for ildedelbrændninger i vakuumkredsløbsbrydere

1. Analyse af fejlmekanismer i vakuumkredsløbsbrydere

1.1 Bueproces under åbning

Som eksempel på kredsløbsbryderåbning, når strømmen udløser mekanismen til at springe, begynder den bevægelige kontakt at skilles fra den faste kontakt. Når afstanden mellem de bevægelige og faste kontakter øges, gennemgår processen tre faser: kontaktadskillelse, bueudvikling og post-bue dielektrisk genopbygning. Når adskillelsen indgår i buefasen, spiller buens tilstand en afgørende rolle for sundheden af vakuumafbryderen.

Når buestrømmen stiger, udvikler sig vakuumbuen fra katodspotområdet og buekolonnen mod anodemrådet. Med den fortsatte reduktion af kontaktareal genererer høj strømtæthed høje temperaturer, hvilket fører til fordampning af katodematerialerne. Under indflydelse af det elektriske felt dannes en initielt plasmaske. Katodspots optræder på katodoverfladen, emitterer elektroner og danner feltemissionsstrøm, der konstant eroderer metalmaterialer og vedligeholder metaldamp og plasma. I denne fase, med relativt lav buestrøm, er kun katoden aktiv.

Når buestrømmen stiger yderligere, injicerer plasma energi til anoden, hvilket får anodebuens tilstand til at overgå fra en diffus bue til en koncentreret bue. Denne overgang påvirkes af faktorer som elektrodemateriale og strømstyrke.

1.2 Analyse af kontakt erosion fejl

Kontakt erosion er direkte relateret til afbrydelsesstrømmen. Under den normerede netfrekvensstrøm er graden af kontakt smelting næsten ubetydelig. Kontakt erosion forekommer under betingelser med høj strøm og høj temperatur. Når kredsløbsbryderen afbryder kortslutningsstrømmer, der overstiger dens normerede strøm, stiger graden af materialeerosion markant, hvilket skaber forhold for materialetab.

Overfladeuheldigheder på kontakter intensiverer strømkoncentration på overfladeprotrusioner, hvilket føder til mere alvorlig lokal opvarmning. Desuden er varigheden af buestrømmen afgørende. Selv hvis strømmen er en kortslutningsstrøm, vil mængden af materialeerosion forblive lille, hvis dens varighed er for kort.

Den grundlæggende årsag til kontaktfejl er masse tab under bueprocessen. Kontakt skade forekommer i to faser:

• Materiale Erosion: Anodemateriale erosion drives af plasma. Energifluxdensiteten på anodeoverfladen er en nøgleparameter, der måler plasmets effekt på anoden. Forskning viser, at anodeenergifluxdensiteten stiger med højere buestrøm, større kontaktgap og mindre kontakt radius, hvilket fremmer dannelse af anodespot og materialeerosion.

• Materiale Tab: Efter buen er udslettet, bliver smeltede metaldråber udstødte fra kontaktfladen pga. plasma tryk. Denne proces påvirkes primært af materialenes egenskaber, med minimal yderligere effekt fra bue.

2. Årsager til brændninger af vakuumkredsløbsbrydere

(1) Elektrisk slitage og variation i kontaktgap fører til øget kontaktmodstand
Vakuumkredsløbsbrydere er forseglet inden i en vakuumafbryder, med bevægelige og faste kontakter i direkte ansigt-til-ansigt kontakt. Under afbrydelsen finder kontakt erosion sted, hvilket fører til kontakt slitage, reduceret kontakt tykkelse og ændringer i kontaktgap. Som slitage fortsætter, forringes kontaktfladen, hvilket øger kontaktmodstanden mellem de bevægelige og faste kontakter. Slitage ændrer også kontaktgap, hvilket reducerer fjedertrykket mellem kontakterne, og øger yderligere kontaktmodstanden.

(2) Ufasert drift fører til øget modstand i defektfase
Hvis den mekaniske ydeevne af vakuumkredsløbsbryderen er dårlig, kan gentagne operationer føre til ufasert drift pga. mekaniske problemer. Dette forlænger åbnings- og lukketider, hvilket forhindrer effektiv bueudslettelse. Buer kan føre til sammenføjning (sammenmelting) af kontakter, hvilket betydeligt øger kontaktmodstanden mellem de bevægelige og faste kontakter.

(3) Reduceret vakuum integritet fører til kontaktoksidation og øget modstand
Blæren i en vakuumafbryder er lavet af tynd rustfrit stål og fungerer som et tætningselement, der vedligeholder vakuumintegriteten, mens den tillader, at ledningsstangen bevæger sig. Blærens mekaniske levetid bestemmes af udvidelses- og sammentrækningskræfter under bryderoperation. Varmen, der overføres fra ledningsstangen til blæren, øger deres temperatur, hvilket påvirker træthedsmål.

Hvis blærenes materiale eller produktionssystem er defekt, eller hvis bryderen oplever vibration, stød eller skade under transport, installation eller vedligeholdelse, kan der dannes lækkager eller mikrokilder. Over tid fører dette til en reduktion i vakuumniveau. Reduceret vakuum tillader kontaktoksidation, der dannes højmodstands kobberoksid, hvilket øger kontaktmodstanden.

Under belastningsstrøm overopheder kontakterne konstant, hvilket yderligere øger blærentemperaturen og potentielt kan føre til blære fiasko. Desuden mister kredsløbsbryderen sin normerede bueudslettelsesevne med reduceret vakuum. Når der afbrydes belastnings- eller fejlstrøm, fører utilstrækkelig bueudslettelsesevne til vedvarende bue, hvilket sidstnævnt fører til bryderbrændning.

3. Forebyggende foranstaltninger mod brændninger af vakuumkredsløbsbrydere

3.1 Tekniske foranstaltninger

Årsagerne til reduceret vakuumintegritet er komplekse. Undgå vibration og stød under transport, installation og vedligeholdelse. Dog er produktions- og monteringkvalitet på fabrikken afgørende faktorer, der påvirker vakuumintegritet.

(1) Forbedr blæremateriale og -montering kvalitet
Vakuumafbrydere anvender blærer til mekanisk bevægelse. Efter gentagne åbnings- og lukkedrift kan mikrokilder dannes, hvilket kompromitterer vakuumintegriteten. Derfor skal producenter forbedre blærematerialstyrke og -montering kvalitet for at sikre tætningsreliabilitet.

(2) Regelbundet måling af mekaniske karakteristika og kontaktmodstand
Under årlig vedligeholdelse skal man regelmæssigt inspicere kontakt elektrisk slitage og gapvariation. Udfør tester på synkronisme, overtravel og andre mekaniske karakteristika. Brug DC-spændingsfaldmetoden til at måle løkke modstand. Vurder kontaktoksidation og slitage baseret på modstandsværdier, og adressér problemstillinger hurtigt.

(3) Regelbundet vakuumintegritetstest
Til plug-in type vakuumkredsløbsbrydere kan operatører ofte ikke visuelt registrere ekstern diskontinuitet på afbryderen under patruljer. I praksis bruges frekvensbelasted standfasthedstests ofte til periodisk at vurdere vakuumintegritet. Selvom dette er en destruktiv test, identificerer den effektivt vakuumdefekter. Alternativt er brug af en vakuumtester til kvalitativ vakuummåling den bedste metode til at vurdere vakuumintegritet. Hvis vakuumnedbrydning registreres, skal vakuumafbryderen umiddelbart erstattes.

(4) Installér online vakuum overvågningsenheder
Med bred anvendelse af trådløs kommunikation og SCADA-systemer i strømnæt, er online vakuum overvågning blevet mulig. Metoder inkluderer tryk sensering, kapacitiv kobling, elektrooptisk konvertering, ultralyd detektion og berøringfri mikrobølge sensering.

• Tryk Sensering: Indbyg tryksensore i afbryderen under produktion. Når vakuum nedbrydes, øges gasdensitet og intern tryk. Trykforskydningen overføres til kontrolsystemet for realtid overvågning.

• Berøringfri Mikrobølge Sensering: Bruger passiv sensering til at detektere mikrobølgesignaler, der fanger unik feedbacksignaler, når vakuumintegritet er kompromitteret, hvilket gør realtid online overvågning mulig.

3.2 Administrationsforanstaltninger

I tidligere hændelser har operatører ikke korrekt identificeret kredsløbsbryderfejl, hvilket har ført til brændning og eskalering af ulykker. Dette understreger utilstrækkelig bekendtskab med SCADA-systemer, lokale udstyr og driftsprocedurer, samt mangel på nødsituationsbevidsthed. Derfor skal driftsledelse i hovedtransformatorstationer styrkes.

• Implementer inspektionsordninger strengt for at opdage problemer tidligt.

• Forbedr uddannelse af operatører i SCADA-systemer, skifter drift og vedligeholdelse, og nødsituationsprocedurer.

• Gennemfør regelmæssige øvelser for anti-ulykke- og nødsituationsplaner.

3.3 Forbedr "Fem forebyggelse" låses funktioner i mid-mounted switchgear

Opgrader teknisk "Fem forebyggelse" låses funktioner i mid-mounted switchgear fuldt ud for at møde standardkravene. Komplet højspændings switchgear skal have fuld "Fem forebyggelse" funktioner med pålidelig ydeevne.

• Installér live-line indikatorer på udgående side af switchgear. Disse indikatorer skal have self-test funktion og være låst sammen med linjeside jordningskontakt.

• For installationer med back-feed evne, skal kompartmentdøren være udstyret med en obligatorisk lås styret af en live-line indikator.

Gennem analyse af brændninger af vakuumkredsløbsbrydere, forårsaget af reduceret vakuumintegritet, der fører til kontaktoksidation, øget kontaktmodstand, overophedning og endelig fiasko, foreslår denne artikel målrettede foranstaltninger som forbedring af blærematerialer og -montering kvalitet, og installation af online vakuum overvågningsenheder. Disse foranstaltninger hjælper med at forebygge og overvåge vakuumnedbrydning i realtid, og undgå gentagelse af lignende ulykker.