Analiza vzrokov in preventivnih ukrepov za nesreče s izgoranjem vakuumskih preklopnikov

1. Analiza mehanizmov onesnaženosti vakuumskih preklopnikov

1.1 Proces luknjanja med odpiranjem

Kot primer vzamimo odpiranje preklopnika. Ko tok sproži mehanski mehanizem za preklop, se premični kontakt začne ločevati od fiksiranega kontakta. S povečevanjem razdalje med premičnim in fiksiranim kontaktom se proces razvija skozi tri faze: ločevanje kontaktov, luknjanje in dielektrično obnovitev po luknjanju. Ko se ločevanje vstopi v fazo luknjanja, ima stanje električnega luka odločilno vlogo za zdravje vakuumskih prekiniteljev.

S povečevanjem toka luka se vakuumski luk razvija od katarnega točkovnega področja in stolpa luka proti anodnemu področju. Z neustalim zmanjševanjem površine kontakta visoka gostota toka ustvarja visoke temperature, kar povzroča izparevanje katarne metala. Pod vplivom električnega polja se ustanovi začetni plazma v praznini. Na površini katode se pojavijo katarne točke, ki emitirajo elektrone in tvorijo struj polja, z nadaljnjim erozijama metalnega materiala in ohranjanjem metalnih parov in plazme. V tej fazi, ko je tok luka relativno nizek, je aktiven samo katoda.

S še večjim povečevanjem toka luka plazma vstavlja energijo v anodo, kar povzroči prehod anodnega režima luka od difuznega luka do koncentriranega luka. Ta prehod je vpliva faktorjev, kot so material elektrod in velikost toka.

1.2 Analiza onesnaženosti kontaktov

Onesnaženost kontaktov je neposredno povezana z prekinjenim tokom. Pri nominalnem toku omrežne frekvence stopnja taljenja kontaktov ni bistvena. Onesnaženost kontaktov se dogaja pri visokih tokih in temperaturah. Ko preklopnik prekine kratkopote toke, ki presegajo nominalni tok, stopnja erozije materiala hitro narašča, kar ustvarja pogoji za izgubo materiala.

Škrabljena površina kontaktov okrepiti koncentracijo toka na površinskih izbojkah, kar vodi do bolj izrazitih lokalnih segrevanj. Poleg tega je ključnega pomena trajanje luka. Tudi če je tok kratkopoten, če je njegovo trajanje prekratko, količina izgubljenega materiala ostane majhna.

Osnovni vzrok onesnaženosti kontaktov je izguba mase med procesom luknjanja. Škoda kontaktov se dogaja v dveh fazah:

• Erozija materiala: Erozija anodnega materiala je poganjana z plazmo. Gostota pretoka energije na površini anode je ključni parameter, ki meri učinke plazme na anodo. Raziskave kažejo, da se gostota pretoka energije na anodi povečuje z višjim tokom luka, večjo razdaljo med kontaktoma in manjšim polmerom kontakta, kar spodbuja nastanek anodnih točk in erozijo materiala.

• Izguba materiala: Po izgasi luka so topeni kapi metala izvrženi z površine kontakta zaradi tlaka plazme. Ta proces je predvsem vplivan lastnosti materiala, z minimalnimi dodatnimi učinki luka.

2. Vzroki nesreč zaradi onesnaženosti vakuumskih preklopnikov

(1) Električna erosija in sprememba razdalje med kontaktoma, ki vodi do povečane upornosti kontakta
Vakuumski preklopniki so zaprti znotraj vakuumskih prekiniteljev, z premičnimi in fiksiranimi kontakti, ki sta neposredno v stiku. Med prekidanjem se pojavi erozija kontakta, kar vodi do onesnaženosti kontakta, zmanjšanju debeline kontakta in spremembam razdalje med kontaktoma. S tem, ko napreduje onesnaženost, se površina kontakta onesnažuje, kar poveča upornost med premičnim in fiksiranim kontaktom. Onesnaženost tudi spremeni razdaljo med kontaktoma, zmanjša pritisk spiralnih oprtičev med kontaktoma, kar še dodatno poveča upornost kontakta.

(2) Operacija zunaj faze, ki vodi do povečane upornosti v odpovedani fazi
Če je tehnično delovanje vakuumskih preklopnikov slabo, lahko ponovne operacije vodijo do operacije zunaj faze zaradi mehanskih težav. To podaljša čas odpiranja in zapiranja, kar prepreči učinkovito izgasi luka. Luknjanje lahko vodi do zavarovanja (spajanja) kontaktov, kar zelo poveča upornost med premičnim in fiksiranim kontaktom.

(3) Zmanjšana celostnost vakuma, ki vodi do oksidacije kontaktov in povečane upornosti
Metalne puščice v vakuumskem prekinitelju so izdelane iz tankih nerjavečih jeklenih trakov in služijo kot element za zaprtje, ohranjajo celostnost vakuma, hkrati pa omogočajo gibanje vodilnega roda. Tehnično življenje metalnih puščic je odvisno od sil raztezanja in stiskanja med delovanjem preklopnika. Toplota, prenesena s vodilnega roda na metalne puščice, poveča njihovo temperaturo, kar vpliva na utrujenost.

Če je material ali proizvodni postopek metalnih puščic defektan ali če preklopnik izkuša vibracije, udarce ali poškodbe med transportom, namestitvijo ali vzdrževanjem, se lahko pojavijo cipelice ali mikrotresline. S časom to vodi do zmanjšanja raven vakuma. Zmanjšan vakum omogoča oksidacijo kontaktov, s tem se oblikuje visoko uporna bakrov oksid, ki poveča upornost kontakta.

Pod naložnimi toki se kontakti stalno segreva, kar še dodatno poveča temperaturo metalnih puščic in potencialno vodi do odpovedi metalnih puščic. Poleg tega, z zmanjšanim vakumom, preklopnik izgubi svojo nominalno zmogljivost za izgasi luka. Ko prekine naložni ali odpovedni tok, zaradi nedostatka zmogljivosti za izgasi luka do pride do trajnega luknjanja, kar končno vodi do odpovedi preklopnika.

3. Preventivne mere za preprečevanje nesreč zaradi onesnaženosti vakuumskih preklopnikov

3.1 Tehnične mere

Vzroki zmanjšane celostnosti vakuma so kompleksni. Izogibajte se vibracijam in udarcem med transportom, namestitvijo in vzdrževanjem. Vendar so ključni dejavniki, ki vplivajo na celostnost vakuma, kakovost proizvodnje in montaže v tovarni.

(1) Izboljšanje materiala in kakovosti montaže metalnih puščic
Vakuumski prekinitelji uporabljajo metalne puščice za mehansko gibanje. Po večkratnem odpiranju in zapiranju se lahko pojavijo mikrotresline, ki kompromitirajo celostnost vakuma. Zato morajo proizvajalci izboljšati čvrsto materiala metalnih puščic in kakovost montaže, da zagotovijo zanesljivo zaprtje.

(2) Redno merjenje mehanskih karakteristik in upornosti kontakta
Tekom letnih vzdrževalnih preustopov redno pregledujte električno onesnaženost kontakta in spremembe razdalje med kontaktoma. Izvedite testiranje sinhronizacije, presežka in drugih mehanskih karakteristik. Za merjenje upornosti zanke uporabite metodo padca DC napetosti. Oceni onesnaženost in onesnaženost kontakta glede na vrednosti upornosti in takoj reši težave.

(3) Redno preverjanje celostnosti vakuma
Za vakuumskie preklopnike s pripadajočimi vezami operatorji pogosto ne morejo videti zunanjega razlaganja na prekinitelju med obiski. V praksi se pogosto uporabljajo testi zahtevnosti napetosti omrežne frekvence za periodično oceno celostnosti vakuma. Čeprav je to destruktivni test, učinkovito identificira defekte vakuma. Alternativno, uporaba vakuumskih testnih naprav za kvalitativno merjenje vakuma je najboljša metoda za oceno celostnosti vakuma. Če je zaznana degradacija vakuma, mora biti vakuumski prekinitelj takoj zamenjan.

(4) Namestitev naprav za online spremljanje vakuma
S široko uporabo brezžičnih komunikacijskih sistemov in SCADA sistemov v električnih omrežjih je bilo mogoče doseči online spremljanje vakuma. Metode vključujejo merjenje tlaka, kapacitivno združevanje, elektro-optično pretvorbo, ultrazvočno detekcijo in brezkontaktno mikrovalovsko detekcijo.

• Merjenje tlaka: Vključite senzorji tlaka v prekinitelj med proizvodnjo. Ko se vakuum degradira, se gostota plinov in notranji tlak povečata. Sprememba tlaka se prenese v kontrolni sistem za realnočasno spremljanje.

• Brezkontaktna mikrovalovska detekcija: Uporablja pasivno detekcijo za zajemanje mikrovalovskih signalov, ki zajamejo edinstvene povratne signale, ko je celostnost vakuma ogrožena, omogoča realnočasno online spremljanje.

3.2 Upravne mere

V preteklosti so operatorji pogosto napačno prepoznali težave preklopnikov, kar je vodilo do onesnaženosti in eskalacije nesreč. To kaže na nedostatek poznavanja SCADA sistemov, lokacijske opreme in postopkov, kot tudi na nedostatek zavedanja o nujnosti odziva. Zato je treba okrepiti upravljanje delovanja glavnih transformatornih postaj.

• Rigorozno uvedite sisteme za pregled, da zazname težave zgodaj.

• Okrepiti usposabljanje operatorjev za SCADA sisteme, delovanje in vzdrževanje preklopnikov in postopki za nujno odzive.

• Redno izvajajte vaje za preprečevanje nesreč in nujne odzive.

3.3 Izboljšanje funkcij "petih preprečevanj" v srednje postavljenih preklopnikih

Tehnično posodobite funkcije "petih preprečevanj" srednje postavljenih preklopnikov, da bi popolnoma zadostili standardnim zahtevam. Polne visokonapetostne preklopnike morajo imeti popolne funkcije "petih preprečevanj" z zanesljivim delovanjem.

• Namestite kazalnike živega napajanja na izhodni strani preklopnikov. Ti kazalniki bi morali imeti funkcijo samopreverjanja in biti združeni z izhodnimi zemljišči.

• Za namestitve z možnostjo nazajnega prenosa bi morala vrata odseka biti opremljena z obveznim zaklepom, ki je nadziran z kazalnikom živega napajanja.

Preko analize nesreč zaradi onesnaženosti vakuumskih preklopnikov, ki so povzročene zmanjšano celostnostjo vakuma, ki vodi do oksidacije kontaktov, povečane upornosti kontakta, segrevanja in končnega odpovedi, ta članek predlaga ciljne mere, kot so izboljšanje materiala in kakovosti montaže metalnih puščic ter namestitev naprav za online spremljanje vakuma. Te mere pomagajo preprečiti in spremljati degradacijo vakuma v realnem času, kar prepreči ponovitev podobnih nesreč.