Analyse van oorzaken en preventieve maatregelen voor stroomonderbrekerbrandongelukken met vacuümtechnologie

1. Analyse van de storingmechanismen van vacuümschakelaars

1.1 Boogproces tijdens het openen

Met als voorbeeld het openen van een schakelaar, wanneer de stroom het bedieningsmechanisme activeert om te trippelen, begint het bewegende contact zich te scheiden van het vaste contact. Terwijl de afstand tussen het bewegende en het vaste contact toeneemt, gaat het proces door drie fasen: contactafscheiding, boogvorming en post-boog diëlektrische herstel. Zodra de afscheiding in de boogfase komt, speelt de toestand van de elektrische boog een beslissende rol in de gezondheid van de vacuümonderbreker.

Naarmate de boogstroom toeneemt, evolueert de vacuümboog van de kathodevlekregio en de boogkolom naar de anoderigio. Met de continue vermindering van het contactoppervlak genereert hoge stroomdichtheid hoge temperaturen, wat leidt tot verdamping van kathodemetaalmateriaal. Onder invloed van het elektrisch veld wordt een initiële gaskamerplasma gevormd. Kathodevlekken verschijnen op het kathodeoppervlak, waarbij elektronen worden uitgezonden en een veld-emissiestroom wordt gevormd, die continu metaalmateriaal erodeert en metaalstoom en plasma in stand houdt. In deze fase is alleen de kathode actief bij relatief lage boogstroom.

Naarmate de boogstroom verder toeneemt, injecteert het plasma energie in de anode, waardoor de anodeboogmodus overgaat van een diffuse boog naar een geconcentreerde boog. Deze overgang wordt beïnvloed door factoren zoals elektrodemateriaal en stroomsterkte.

1.2 Analyse van contacterosiestoringen

Contacterosie staat in directe relatie met de onderbrekingsstroom. Bij de nominale netstroom is de mate van contactsmelting bijna verwaarloosbaar. Contacterosie vindt plaats onder hoge stroom en hoge temperatuur. Wanneer de schakelaar kortsluitstromen onderbreekt die hoger zijn dan de nominale stroom, neemt de mate van materiaalerosie scherp toe, waardoor er condities ontstaan voor materiaalverlies.

De oppervlakte ruwheid van de contacten versterkt de stroomconcentratie op oppervlakuitsteeksels, wat leidt tot ernstiger lokale verhitting. Bovendien is de duur van de boogstroom cruciaal. Zelfs als de stroom een kortsluitstroom is, als de duur te kort is, blijft het materiaalverlies klein.

De oorzaak van contactstoringen is massa-afname tijdens het boogproces. Contactschade treedt op in twee fasen:

• Materiaalerosie: Erosie van anodemateriaal wordt aangedreven door het plasma. De energiestroomdichtheid op het anodeoppervlak is een belangrijk parameter om de invloed van het plasma op de anode te meten. Onderzoek toont aan dat de energiestroomdichtheid van de anode toeneemt met hogere boogstroom, grotere contactafstand en kleinere contactstraal, wat de vorming van anodevlekken en materiaalerosie bevordert.

• Materiaalverlies: Na de boogextinctie worden gesmolten metalen druppels van het contactoppervlak afgevoerd door de plasmadruk. Dit proces wordt voornamelijk beïnvloed door materiaaleigenschappen, met minimale verdere invloed van de boog.

2. Oorzaken van brandongevallen met vacuümschakelaars

(1) Elektrische slijtage en variatie in contactafstand leiden tot verhoogde contactweerstand
Vacuümschakelaars zijn verzegeld in een vacuümonderbreker, met bewegende en vaste contacten in directe face-to-face contact. Tijdens de interruptie vindt contacterosie plaats, wat leidt tot contactslijtage, verminderde contactdikte en veranderingen in contactafstand. Naarmate de slijtage vordert, verslechtert het contactoppervlak, waardoor de contactweerstand tussen bewegende en vaste contacten toeneemt. Slijtage wijzigt ook de contactafstand, waardoor de veerdruk tussen de contacten afneemt, wat de contactweerstand verder doet toenemen.

(2) Asynchrone werking leidt tot verhoogde weerstand in de defectieve fase
Als de mechanische prestaties van de vacuümschakelaar slecht zijn, kan herhaaldelijke operatie asynchrone werking veroorzaken door mechanische problemen. Dit verlengt de openingstijden en sluitingstijden, waardoor effectieve boogextinctie niet mogelijk is. Boogvorming kan leiden tot het lassen (versmelten) van contacten, wat de contactweerstand tussen bewegende en vaste contacten aanzienlijk doet toenemen.

(3) Vermindering van vacuümintegriteit leidt tot contactoxidatie en verhoogde weerstand
De bellen in een vacuümonderbreker zijn gemaakt van dun roestvrij staal en fungeren als een verzegelend element, waardoor de vacuümintegriteit wordt behouden terwijl de geleiderod mag bewegen. Het mechanische levensduur van de bellen wordt bepaald door de uitzettings- en compressiekrachten tijdens de werking van de schakelaar. Warmte die van de geleiderod naar de bellen wordt overgebracht, verhoogt hun temperatuur, wat de vermoeiingssterkte beïnvloedt.

Als het bellenmateriaal of het productieproces defect is, of als de schakelaar trillingen, impact of schade ondervindt tijdens transport, installatie of onderhoud, kunnen lekkages of microbarsten ontstaan. Langzaam maar zeker leidt dit tot een afname van het vacuüm. Verminderd vacuüm laat contactoxidatie toe, waardoor hoogohmige koperoxide wordt gevormd, wat de contactweerstand verhoogt.

Onder belastingstroom verhitten de contacten continu, wat de temperatuur van de bellen verder verhoogt en potentiële bellenfouten kan veroorzaken. Bovendien verliest de schakelaar bij verlaagd vacuüm zijn nominale boogextinctievermogen. Bij het onderbreken van belastings- of foutstromen leidt onvoldoende boogextinctievermogen tot aanhoudende boogvorming, wat uiteindelijk leidt tot schakelaarbrand.

3. Preventieve maatregelen tegen brandongevallen met vacuümschakelaars

3.1 Technische maatregelen

De oorzaken van verminderde vacuümintegriteit zijn complex. Trillingen en impact moeten worden vermeden tijdens transport, installatie en onderhoud. Echter, de productie- en montagekwaliteit in de fabrieksfase zijn cruciale factoren die de vacuümintegriteit beïnvloeden.

(1) Verbetering van bellenmateriaal en montagekwaliteit
Vacuümonderbrekers gebruiken bellen voor mechanische beweging. Na herhaalde openings- en sluitingsbewegingen kunnen microbarsten ontstaan, waardoor de vacuümintegriteit wordt aangetast. Daarom moeten fabrikanten de sterkte van het bellenmateriaal en de montagekwaliteit verbeteren om de verzegelingsbetrouwbaarheid te waarborgen.

(2) Regelmatige meting van mechanische kenmerken en contactweerstand
Tijdens jaarlijkse onderhoudsuitval moet regelmatig worden gecontroleerd op elektrische slijtage en variatie in contactafstand. Voer tests uit op synchrone, overtravel en andere mechanische kenmerken. Gebruik de DC-spanningsvalmethode om de lusweerstand te meten. Beoordeel contactoxidatie en slijtage op basis van weerstands-waarden en handel problemen onmiddellijk af.

(3) Regelmatige vacuümintegriteitsproeven
Voor plug-in type vacuümschakelaars kunnen operators vaak geen externe ontlading op de onderbreker waarnemen tijdens patrouilles. In de praktijk worden frequentiedrukpuntproeven gebruikt om periodiek de vacuümintegriteit te beoordelen. Hoewel dit een destructieve test is, identificeert het effectief vacuümdefecten. Alternatief, het gebruik van een vacuümtester voor kwalitatieve vacuümmeting is de beste methode om de vacuümintegriteit te beoordelen. Als vacuümdegradatie wordt gedetecteerd, moet de vacuümonderbreker onmiddellijk worden vervangen.

(4) Installatie van online vacuümmonitors
Met de wijdverspreide toepassing van draadloze communicatie en SCADA-systemen in elektriciteitsnetwerken is online vacuümmonitoring haalbaar geworden. Methoden omvatten drukmeting, capaciteitskoppeling, elektro-optische conversie, ultrasoon detectie en non-contact microgolfdetectie.

• Drukmeting: Druk-sensoren worden ingebed in de onderbreker tijdens de productie. Bij vacuümdegradatie nemen de gasdichtheid en interne druk toe. De drukverandering wordt doorgestuurd naar het besturingssysteem voor real-time monitoring.

• Non-contact microgolfdetectie: Gebruikt passieve sensoren om microgolfsignalen te detecteren, die unieke feedbacksignalen vangen wanneer de vacuümintegriteit is aangetast, waardoor real-time online monitoring mogelijk is.

3.2 Beheersmaatregelen

In eerdere incidenten hebben operators de schakelaarstoornissen niet correct geïdentificeerd, wat heeft geleid tot brand en escalatie van ongelukken. Dit benadrukt onvoldoende bekendheid met SCADA-systemen, ter plaatse installaties en bedieningsprocedures, evenals een gebrek aan noodreactiebewustzijn. Daarom moet de bedrijfsvoering in hoofdtransformatiehuizen worden versterkt.

• Implementeer inspectiesystemen strikt om problemen vroeg op te sporen.

• Versterk de training van operators op SCADA-systemen, schakelaarbediening en -onderhoud, en noodreactieprocedures.

• Voer regelmatige oefeningen uit voor anti-ongeval- en noodreactieplannen.

3.3 Verbeter de "Vijf Preventie" vergrendelingsfuncties in middelgeplaatste schakelkasten

Technisch upgraden van de "Vijf Preventie" vergrendelingsfuncties van middelgeplaatste schakelkasten om volledig aan de normen te voldoen. Volledige hoogspanningsschakelkasten moeten volledige "Vijf Preventie" functies hebben met betrouwbare prestaties.

• Installeer levenslijnduiders aan de uitgangskant van de schakelkast. Deze duiders moeten zelftestfuncties hebben en moeten worden vergrendeld met de lijnzijde aardingsschakelaar.

• Bij installaties met terugvoer-mogelijkheid moet de compartimentdeur worden uitgerust met een verplicht slot dat wordt gecontroleerd door een levenslijnduiders.

Door analyse van brandongevallen met vacuümschakelaars veroorzaakt door verminderde vacuümintegriteit, wat leidt tot contactoxidatie, verhoogde contactweerstand, oververhitting en uiteindelijke storing, stelt dit artikel gerichte maatregelen voor, zoals het verbeteren van bellenmateriaal en montagekwaliteit, en het installeren van online vacuümmonitors. Deze maatregelen helpen bij het voorkomen en monitoren van vacuümdegradatie in realtime, waardoor het herhalen van soortgelijke ongelukken wordt voorkomen.