Analyse von Ursachen und Präventivmaßnahmen für Ausfallunfälle von Vakuumschaltern

1. Ausfallmechanismusanalyse von Vakuumschaltkreisen

1.1 Bogenprozess beim Öffnen

Am Beispiel des Öffnens eines Schalters, wenn der Strom den Betriebsmechanismus auslöst, beginnt der bewegliche Kontakt, sich vom festen Kontakt zu trennen. Mit zunehmendem Abstand zwischen dem beweglichen und dem festen Kontakt durchläuft der Prozess drei Stufen: Kontakttrennung, Bogenbildung und nachbogener Wiederherstellung der Isolation. Sobald die Trennung in die Bogenstufe eintritt, spielt der Zustand des elektrischen Bogens eine entscheidende Rolle für die Integrität des Vakuumschalters.

Mit zunehmendem Bogenstrom entwickelt sich der Vakuumbogen von der Kathodenfleckregion und dem Bogenkolben in Richtung Anodenregion. Bei kontinuierlich abnehmender Kontaktfläche erzeugt eine hohe Stromdichte hohe Temperaturen, was zur Verdampfung des Kathodenmetalls führt. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes entsteht eine initiale Lückenplasma. Kathodenflecken erscheinen auf der Kathodenoberfläche, emittieren Elektronen und bilden einen Feldemissionsstrom, der kontinuierlich Metallmaterial erodiert und Metallverdampfung und Plasma aufrechterhält. In dieser Phase ist bei relativ geringem Bogenstrom nur die Kathode aktiv.

Bei weiter steigendem Bogenstrom injiziert das Plasma Energie in die Anode, wodurch der Anodenbogenmodus von einem diffusen Bogen zu einem konzentrierten Bogen übergeht. Dieser Übergang wird von Faktoren wie Elektrodenmaterial und Stromstärke beeinflusst.

1.2 Analyse des Kontakterosionsausfalls

Kontakterosion steht in direktem Zusammenhang mit dem Unterbrechungsstrom. Beim Nennwechselstrom ist das Maß an Kontaktschmelzen fast vernachlässigbar. Kontakterosion tritt unter Bedingungen von hohem Strom und hoher Temperatur auf. Wenn der Schalter Kurzschlussströme über seinem Nennstrom unterbricht, nimmt der Grad der Materialerosion stark zu, was Bedingungen für Materialverlust schafft.

Die Oberflächenrauhigkeit der Kontakte verstärkt die Stromkonzentration an Oberflächenhöckern, was zu stärkerer lokaler Erwärmung führt. Darüber hinaus ist die Dauer des Bogenstroms kritisch. Selbst wenn es sich um einen Kurzschlussstrom handelt, bleibt der Menge an Materialerosion bei zu kurzer Dauer klein.

Die Ursache für den Kontaktausfall ist die Massenverluste während des Bogenprozesses. Der Kontaktschaden erfolgt in zwei Phasen:

• Materialerosion: Die Erosion des Anodenmaterials wird durch das Plasma angetrieben. Die Energiedichte auf der Anodenoberfläche ist ein Schlüsselparameter, der den Effekt des Plasmas auf die Anode misst. Studien zeigen, dass die Energiedichte auf der Anode mit höherem Bogenstrom, größerem Kontaktabstand und kleinerem Kontaktradius zunimmt, was zur Bildung von Anodenflecken und Materialerosion führt.

• Materialverlust: Nach dem Erlöschen des Bogens werden geschmolzene Metalltröpfchen aufgrund des Plasmadrucks von der Kontaktoberfläche abgestoßen. Dieser Prozess wird hauptsächlich durch die Materialeigenschaften beeinflusst, mit minimaler weiterer Wirkung des Bogens.

2. Ursachen von Vakuumschalter-Ausfallunfällen

(1) Elektrischer Verschleiß und Variation des Kontaktabstands, die zu erhöhtem Kontaktwiderstand führen
Vakuumschalter sind in einem Vakuumschützer versiegelt, mit beweglichen und festen Kontakten, die direkt gegenüberliegen. Während der Unterbrechung tritt Kontakterosion auf, was zu Verschleiß, Reduzierung der Kontaktdicke und Veränderung des Kontaktabstands führt. Mit fortschreitendem Verschleiß verschlechtert sich die Kontaktoberfläche, was den Kontaktwiderstand zwischen beweglichem und festem Kontakt erhöht. Der Verschleiß verändert auch den Kontaktabstand, reduziert die Federkraft zwischen den Kontakten und erhöht somit den Kontaktwiderstand weiter.

(2) Phasenverschiebung, die zu erhöhtem Widerstand in der fehlerhaften Phase führt
Wenn die mechanische Leistungsfähigkeit des Vakuumschalters schlecht ist, kann durch wiederholte Operationen aufgrund mechanischer Probleme eine Phasenverschiebung auftreten. Dies verlängert die Öffnungs- und Schließzeiten und verhindert eine effektive Bogenunterdrückung. Das Bögen kann zur Verweldung (Verschweißung) der Kontakte führen, was den Kontaktwiderstand zwischen beweglichem und festem Kontakt signifikant erhöht.

(3) Verringerte Vakuumintegrität, die zu Kontaktveroxidung und erhöhtem Widerstand führt
Die Faltenbalg in einem Vakuumschützer bestehen aus dünnem rostfreiem Stahl und dienen als Dichtungselement, das die Vakuumintegrität aufrechterhält, während es die Bewegung des Leiterstabs ermöglicht. Die mechanische Lebensdauer des Faltenbalgs wird durch die Ausdehnungs- und Verformungskräfte während der Schalterbetriebsphase bestimmt. Die Wärme, die vom Leiterstab auf den Faltenbalg übertragen wird, erhöht dessen Temperatur und beeinflusst die Ermüdungsfestigkeit.

Wenn das Faltenbalgmaterial oder der Herstellungsprozess defekt ist oder wenn der Schalter während des Transports, der Installation oder der Wartung durch Vibration, Stoß oder Beschädigung belastet wird, können Lecks oder Mikrorisse entstehen. Im Laufe der Zeit führt dies zu einer Verringerung des Vakuumniveaus. Ein verringertes Vakuum ermöglicht die Kontaktveroxidung, die hochwiderständiges Kupferoxid bildet und den Kontaktwiderstand erhöht.

Unter Laststrom überhitzen die Kontakte kontinuierlich, was die Temperatur des Faltenbalgs weiter erhöht und möglicherweise zu dessen Ausfall führt. Darüber hinaus verliert der Schalter mit verringertem Vakuum seine nominelle Bogenunterdrückungsfähigkeit. Bei der Unterbrechung von Last- oder Fehlerströmen führt eine unzureichende Bogenunterdrückungsfähigkeit zu anhaltendem Bögen, was letztendlich zum Ausfall des Schalters führt.

3. Präventivmaßnahmen gegen Vakuumschalter-Ausfallunfälle

3.1 Technische Maßnahmen

Die Ursachen für eine verringerte Vakuumintegrität sind komplex. Es muss vermieden werden, dass während des Transports, der Installation und der Wartung Vibrationen und Stöße auftreten. Allerdings sind die Produktions- und Montagequalität im Fabrikstadium kritische Faktoren, die die Vakuumintegrität beeinflussen.

(1) Verbesserung des Faltenbalgmaterials und der Montagequalität
Vakuumschützer verwenden Faltenbalge für mechanische Bewegungen. Nach wiederholten Öffnungs- und Schließvorgängen können Mikrorisse entstehen, die die Vakuumintegrität gefährden. Daher müssen Hersteller die Festigkeit des Faltenbalgmaterials und die Montagequalität verbessern, um die Dichtigkeit sicherzustellen.

(2) Regelmäßige Messung der mechanischen Eigenschaften und des Kontaktwiderstands
Während jährlicher Wartungsarbeiten sollten regelmäßig der elektrische Verschleiß und die Variation des Kontaktabstands geprüft werden. Durchführen Sie Tests auf Synchronität, Überhub und andere mechanische Eigenschaften. Verwenden Sie die DC-Spannungsabfallmethode, um den Schleifwiderstand zu messen. Beurteilen Sie die Kontaktveroxidung und den Verschleiß anhand der Widerstandswerte und beheben Sie Probleme sofort.

(3) Regelmäßige Prüfung der Vakuumintegrität
Für Steckverbinder-Vakuumschalter können die Betreiber während der Inspektionen oft keine äußere Entladung am Schützer erkennen. In der Praxis werden häufig Wechselspannungsdurchhalteprüfungen verwendet, um periodisch die Vakuumintegrität zu bewerten. Obwohl dies eine zerstörerische Prüfung ist, identifiziert sie effektiv Vakuumdefekte. Alternativ ist die Verwendung eines Vakuummessgeräts zur qualitativen Vakuummessung die beste Methode, um die Vakuumintegrität zu bewerten. Wenn eine Vakuumverschlechterung festgestellt wird, muss der Vakuumschützer sofort ersetzt werden.

(4) Installation von Online-Vakuumüberwachungsgeräten
Mit der weit verbreiteten Nutzung von drahtloser Kommunikation und SCADA-Systemen in Stromnetzen ist die Online-Vakuumüberwachung machbar geworden. Methoden umfassen Drucksensorik, kapazitive Kopplung, elektrooptische Umwandlung, Ultraschallerkennung und kontaktlose Mikrowellenmessung.

• Drucksensorik: Drucksensoren werden während der Fertigung in den Schützer integriert. Bei Verringerung des Vakuums nehmen die Gasdichte und der interne Druck zu. Die Druckänderung wird an das Steuerungssystem übertragen, um eine Echtzeitüberwachung zu ermöglichen.

• Kontaktlose Mikrowellenmessung: Verwendet passive Sensoren, um Mikrowellensignale zu erfassen, die einzigartige Rückmeldungssignale liefern, wenn die Vakuumintegrität beeinträchtigt ist, und ermöglicht eine Echtzeit-Online-Überwachung.

3.2 Managementmaßnahmen

In vergangenen Vorfällen haben Betreiber nicht korrekt Schalterfehler erkannt, was zu Ausfällen und Unfallverstärkung führte. Dies zeigt, dass es an ausreichender Kenntnis von SCADA-Systemen, vor Ort installierten Geräten und Betriebsprozeduren sowie an Bewusstsein für Notfallreaktionen mangelt. Daher muss das Betriebsmanagement in Hauptanlagen verstärkt werden.

• Implementieren Sie Inspektionsrichtlinien rigoros, um Probleme frühzeitig zu erkennen.

• Verbessern Sie die Schulung der Betreiber in SCADA-Systemen, Schaltanlagenbedienung und -wartung sowie Notfallreaktionsprozeduren.

• Führen Sie regelmäßige Übungen für Unfallprävention und Notfallreaktionen durch.

3.3 Verbesserung der „Fünf Präventions“-Verriegelungsfunktionen in Mittelschaltschränken

Technisches Upgrade der „Fünf Präventions“-Verriegelungsfunktionen in Mittelschaltschränken, um vollständig den Standardanforderungen gerecht zu werden. Vollständige Hochspannungsschaltschränke sollten alle „Fünf Präventions“-Funktionen mit zuverlässiger Leistung aufweisen.

• Installieren Sie Spannungsanzeiger auf der Ausgangsseite der Schaltschränke. Diese Anzeiger sollten eine Selbsttestfunktion aufweisen und mit dem Erdungsschalter auf der Leitungseite verriegelt sein.

• Für Installationen mit Rückführfähigkeit sollte die Abteilungstür mit einem obligatorischen Schloss versehen sein, das durch einen Spannungsanzeiger gesteuert wird.

Durch die Analyse von Vakuumschalter-Ausfallunfällen, die durch verringerte Vakuumintegrität, Kontaktveroxidung, erhöhten Kontaktwiderstand, Überhitzung und letztendlichen Ausfall verursacht wurden, schlägt dieser Artikel gezielte Maßnahmen wie die Verbesserung des Faltenbalgmaterials und der Montagequalität sowie die Installation von Online-Vakuumüberwachungsgeräten vor. Diese Maßnahmen helfen, die Vakuumverschlechterung in Echtzeit zu verhindern und zu überwachen und ähnliche Unfälle in Zukunft zu vermeiden.