Анализ причин и мер предотвращения аварий с выгоранием вакуумных выключателей

1. Анализ механизмов отказа вакуумных выключателей

1.1 Процесс дугогашения при открытии

На примере открытия выключателя, когда ток запускает механизм срабатывания, подвижный контакт начинает отделяться от неподвижного контакта. По мере увеличения расстояния между подвижным и неподвижным контактами процесс проходит через три стадии: разделение контактов, образование дуги и восстановление диэлектрических свойств после дуги. Когда разделение переходит на стадию образования дуги, состояние электрической дуги играет решающую роль в состоянии вакуумного прерывателя.

По мере увеличения тока дуги, вакуумная дуга развивается от катодной точки к анодной области. С уменьшением площади контакта, высокая плотность тока создает высокую температуру, вызывая испарение материала катода. Под воздействием электрического поля формируется плазма начального зазора. На поверхности катода появляются катодные точки, излучающие электроны и формирующие полевое эмиссионное течение, которое постоянно разрушает металл и поддерживает металлический пар и плазму. На этом этапе, при относительно низком токе дуги, активен только катод.

По мере дальнейшего увеличения тока дуги, плазма впрыскивает энергию в анод, вызывая переход анодного режима дуги от рассеянной дуги к сжатой дуге. Этот переход зависит от таких факторов, как материал электродов и величина тока.

1.2 Анализ отказов из-за эрозии контактов

Эрозия контактов напрямую связана с током прерывания. При номинальном токе промышленной частоты степень плавления контактов почти незначительна. Эрозия контактов происходит при высоких токах и высоких температурах. Когда выключатель прерывает короткозамкнутые токи, превышающие номинальный ток, степень эрозии материала резко возрастает, создавая условия для потери материала.

Шероховатость поверхности контактов усиливает концентрацию тока на выступах, что приводит к более интенсивному локальному нагреву. Кроме того, продолжительность тока дуги критически важна. Даже если это короткозамкнутый ток, если его продолжительность слишком короткая, количество эрозии материала остается небольшим.

Основная причина отказа контактов — потеря массы во время процесса дугогашения. Повреждение контактов происходит в два этапа:

• Эрозия материала: эрозия материала анода происходит под воздействием плазмы. Плотность энергетического потока на поверхности анода является ключевым параметром, измеряющим влияние плазмы на анод. Исследования показывают, что плотность энергетического потока на аноде увеличивается с повышением тока дуги, увеличением зазора контактов и уменьшением радиуса контактов, что способствует образованию анодных точек и эрозии материала.

• Потеря материала: после гашения дуги расплавленные металлические капли выбрасываются с поверхности контакта под давлением плазмы. Этот процесс в основном зависит от свойств материала, а влияние дуги минимально.

2. Причины аварийных случаев перегорания вакуумных выключателей

(1) Электрический износ и изменение зазора контактов, приводящие к увеличению сопротивления контактов
Вакуумные выключатели герметично заключены в вакуумном прерывателе, где подвижные и неподвижные контакты находятся в прямом контакте друг с другом. Во время прерывания происходит эрозия контактов, что вызывает их износ, уменьшение толщины контактов и изменения зазора. По мере прогрессирования износа, поверхность контактов ухудшается, что увеличивает сопротивление между подвижными и неподвижными контактами. Износ также изменяет зазор контактов, уменьшая давление пружины между контактами, что еще больше увеличивает сопротивление контактов.

(2) Несинхронная работа, приводящая к увеличению сопротивления в фазе с неисправностью
Если механические характеристики вакуумного выключателя плохие, повторные операции могут привести к несинхронной работе из-за механических проблем. Это продлевает время открытия и закрытия, препятствуя эффективному гашению дуги. Образование дуги может привести к сварке (спайке) контактов, что значительно увеличивает сопротивление между подвижными и неподвижными контактами.

(3) Уменьшение герметичности вакуума, приводящее к окислению контактов и увеличению сопротивления
Гофры в вакуумном прерывателе выполнены из тонкой нержавеющей стали и служат элементом герметизации, сохраняя герметичность вакуума, позволяя проводящему стержню двигаться. Механический ресурс гофров определяется силами расширения и сжатия при работе выключателя. Тепло, передаваемое от проводящего стержня к гофрам, повышает их температуру, что влияет на усталостную прочность.

Если материал или технология производства гофров дефектные, или если выключатель подвергается вибрации, удару или повреждению при транспортировке, установке или обслуживании, могут возникнуть утечки или микротрещины. Со временем это приводит к снижению уровня вакуума. Уменьшение вакуума позволяет окислению контактов, образованию высокоомного оксида меди, что увеличивает сопротивление контактов.

Под нагрузочным током контакты непрерывно перегреваются, что еще больше повышает температуру гофров и может привести к их отказу. Кроме того, при уменьшении вакуума выключатель теряет свою номинальную способность к гашению дуги. При прерывании нагрузочных или аварийных токов недостаточная способность к гашению дуги приводит к длительному горению дуги, что в конечном итоге вызывает перегорание выключателя.

3. Предупредительные меры для предотвращения аварийных случаев перегорания вакуумных выключателей

3.1 Технические меры

Причины уменьшения герметичности вакуума сложны. Необходимо избегать вибрации и ударов при транспортировке, установке и обслуживании. Однако качество производства и сборки на заводе являются ключевыми факторами, влияющими на герметичность вакуума.

(1) Улучшение материала и качества сборки гофров
Вакуумные прерыватели используют гофры для механического перемещения. После многократных операций открытия и закрытия могут образоваться микротрещины, нарушающие герметичность вакуума. Поэтому производители должны улучшить прочность материала гофров и качество сборки, чтобы обеспечить надежность герметизации.

(2) Регулярное измерение механических характеристик и сопротивления контактов
Во время ежегодного технического обслуживания регулярно проверяйте электрический износ контактов и изменение зазора. Проводите тесты на синхронизацию, перегрузку и другие механические характеристики. Используйте метод падения постоянного напряжения для измерения циклического сопротивления. Оценивайте окисление и износ контактов по значениям сопротивления и своевременно устраняйте проблемы.

(3) Регулярное тестирование герметичности вакуума
Для вставных вакуумных выключателей операторы часто не могут визуально обнаружить внешний разряд на прерывателе во время обходов. В практике обычно используются периодические испытания на сопротивление промышленной частоты для оценки герметичности вакуума. Хотя это разрушающее испытание, оно эффективно выявляет дефекты вакуума. Альтернативно, использование вакуумного тестера для качественного измерения вакуума является лучшим методом оценки герметичности. Если обнаружено ухудшение вакуума, вакуумный прерыватель должен быть немедленно заменен.

(4) Установка устройств онлайн-мониторинга вакуума
С широким использованием беспроводной связи и систем SCADA в энергетических сетях, онлайн-мониторинг вакуума стал возможным. Методы включают измерение давления, емкостное соединение, электро-оптическое преобразование, ультразвуковое обнаружение и бесконтактное микроволновое обнаружение.

• Измерение давления: встраивают датчики давления в прерыватель при производстве. При ухудшении вакуума плотность газа и внутреннее давление увеличиваются. Изменение давления передается в систему управления для мониторинга в реальном времени.

• Бесконтактное микроволновое обнаружение: использует пассивное обнаружение для захвата микроволновых сигналов, получая уникальные обратные сигналы при нарушении герметичности вакуума, что позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени.

3.2 Организационные меры

В прошлых инцидентах операторы не смогли правильно идентифицировать неисправности выключателей, что привело к перегоранию и эскалации аварии. Это указывает на недостаточное знакомство с системами SCADA, оборудованием на месте и операционными процедурами, а также на отсутствие осознания необходимости экстренных мер. Поэтому необходимо усилить управление эксплуатацией на главных подстанциях.

• Строго внедряйте системы осмотра для раннего обнаружения проблем.

• Улучшайте обучение операторов по системам SCADA, эксплуатации и обслуживанию коммутационного оборудования, а также по процедуре реагирования на чрезвычайные ситуации.

• Регулярно проводите учения по противодействию авариям и реагированию на чрезвычайные ситуации.

3.3 Улучшение функций "Пяти предохранений" в среднем коммутационном оборудовании

Технически улучшите функции "Пяти предохранений" в среднем коммутационном оборудовании, чтобы полностью соответствовать стандартным требованиям. Полное высоковольтное коммутационное оборудование должно иметь полные функции "Пяти предохранений" с надежной работой.

• Установите индикаторы наличия напряжения на выходной стороне коммутационного оборудования. Эти индикаторы должны иметь функцию самотестирования и быть блокированы с заземляющим выключателем на линейной стороне.

• Для установок с возможностью обратной подачи питания дверца камеры должна быть оборудована обязательным замком, управляемым индикатором наличия напряжения.

На основе анализа аварий перегорания вакуумных выключателей, вызванных уменьшением герметичности вакуума, приводящим к окислению контактов, увеличению сопротивления контактов, перегреву и последующему отказу, в данной статье предлагаются целевые меры, такие как улучшение материала и качества сборки гофров, а также установка устройств онлайн-мониторинга вакуума. Эти меры помогают предотвратить и контролировать ухудшение вакуума в реальном времени, избегая повторения подобных аварий.