Аналіз причин та запобіжних заходів щодо аварій з випалюванням вакуумних автоматичних вимикачів

1. Аналіз механізму відмови вакуумних вимикачів

1.1 Процес дугового розряду під час відкривання

Наприклад, при відкриванні вимикача, коли струм запускає робочий механізм, рухомий контакт починає відокремлюватися від нерухомого контакту. Зі збільшенням відстані між рухомим і нерухомим контактами процес проходить через три етапи: відокремлення контактів, дуговий розряд та відновлення діелектричних властивостей після дуги. Коли відокремлення переходить у стадію дугового розряду, стан електричної дуги відіграє вирішальну роль у стани вакуумного переривача.

Зі збільшенням струму дуги, вакуумна дуга розвивається від катодної точкової області і дугової колонки до анодної області. З постійним зменшенням площі контакту, висока щільність струму створює високі температури, що призводить до парування матеріалу катода. Під впливом електричного поля формується плазма в початковому проміжку. На поверхні катода з'являються катодні точки, що виділяють електрони і формує полевий емісійний струм, постійно знищуючи металевий матеріал і підтримуючи металевий пар і плазму. На цьому етапі, при відносно низькому струмі дуги, активним є лише катод.

З подальшим збільшенням струму дуги, плазма вводить енергію в анод, що призводить до переходу режиму дуги на аноді від розсіяного до звуженого. Цей перехід впливає на фактори, такі як матеріал електродів та величина струму.

1.2 Аналіз відмови через зношення контактів

Зношення контактів прямо пов'язане з комутаційним струмом. При номінальному струмі мережевої частоти, ступінь плавлення контактів майже незначна. Зношення контактів відбувається при високих струмах і високих температурах. Коли вимикач перериває короткозамкнення, що перевищують його номінальний струм, ступінь зношення матеріалу швидко зростає, створюючи умови для втрати матеріалу.

Шорсткість поверхні контактів підвищує концентрацію струму на поверхневих виступах, що призводить до більш серйозного локального нагріву. Крім того, тривалість струму дуги критична. Навіть якщо струм є короткозамкненням, якщо його тривалість надто коротка, кількість втраченого матеріалу залишається невеликою.

Основною причиною відмови контактів є втрата маси під час процесу дугового розряду. Пошкодження контактів відбувається в два етапи:

• Ерозія матеріалу: Ерозія матеріалу анода здійснюється завдяки плазмі. Плотність потоку енергії на поверхні анода є ключовим параметром, що вимірює вплив плазми на анод. Дослідження показали, що плотність потоку енергії на аноді зростає зі збільшенням струму дуги, більшою відстанню між контактами та меншим радіусом контактів, що сприяє утворенню анодних точок та ерозії матеріалу.

• Втрата матеріалу: Після згасання дуги, розплавлені металеві каплі витісняються з поверхні контактів через тиск плазми. Цей процес в основному впливає на властивості матеріалу, з мінімальним подальшим впливом дуги.

2. Причини аварій згоріння вакуумних вимикачів

(1) Електричне зношення та зміна відстані між контактами, що призводить до збільшення опору контактів
Вакуумні вимикачі запечатані в вакуумному переривачі, де рухомі та нерухомі контакти знаходяться в безпосередньому контакті. Під час комутації відбувається зношення контактів, що призводить до зменшення товщини контактів та зміни відстані між ними. З поступовим зношенням, поверхня контактів погіршується, що призводить до збільшення опору між рухомим та нерухомим контактами. Зношення також змінює відстань між контактами, зменшуючи пружинне тиск між ними, що ще більше збільшує опір контактів.

(2) Розсинхронізація, що призводить до збільшення опору в аварійній фазі
Якщо механічні характеристики вакуумного вимикача недостатні, повторні операції можуть призвести до розсинхронізації через механічні проблеми. Це продовжує час відкривання та закривання, що не дозволяє ефективно згасити дугу. Дуговий розряд може призвести до зварювання (сплавлення) контактів, значно збільшуючи опір між рухомим та нерухомим контактами.

(3) Зниження цілісності вакууму, що призводить до окислення контактів та збільшення опору
Гофри в вакуумному переривачі виготовлені з тонкої нержавіючої сталі і служать як елемент запечатку, підтримуючи цілісність вакууму, дозволяючи провідному стержню переміщатися. Механічний термін служби гофр визначається силами розширення та скорочення під час роботи вимикача. Тепло, передане від провідного стержня до гофр, підвищує їхню температуру, що впливає на втомну міцність.

Якщо матеріал гофр або технологічний процес виготовлення є дефектним, або якщо вимикач досідає вібрації, удару або пошкодження під час транспортування, встановлення або обслуговування, можуть утворюватися протічки або мікро-тріщини. З часом це призводить до зниження рівня вакууму. Зниження вакууму дозволяє окислення контактів, утворення високоопорного медного оксиду, що збільшує опір контактів.

Під струмом навантаження, контакти постійно перегріваються, що підвищує температуру гофр і може призвести до їхньої відмови. Крім того, зі зниженням вакууму, вимикач втрачає свою номінальну здатність до згасання дуг. Коли переривається струм навантаження або аварійний струм, недостатня здатність до згасання дуги призводить до тривалого дугового розряду, що в кінцевому підсумку призводить до згоріння вимикача.

3. Превентивні заходи для запобігання аварій згоріння вакуумних вимикачів

3.1 Технічні заходи

Причини зниження цілісності вакууму складні. Необхідно уникати вібрації та ударів під час транспортування, встановлення та обслуговування. Однак, якість виробництва та зборки на етапі заводу є ключовими факторами, що впливають на цілісність вакууму.

(1) Покращення матеріалу та якості зборки гофр
Вакуумні переривачі використовують гофри для механічного руху. Після повторних операцій відкривання та закривання можуть утворюватися мікро-тріщини, що порушують цілісність вакууму. Тому виробники повинні підвищити міцність матеріалу гофр та якість зборки, щоб забезпечити надійність запечатку.

(2) Регулярне вимірювання механічних характеристик та опору контактів
Під час річних планових ремонтів регулярно перевіряйте електричне зношення контактів та зміну відстані між ними. Виконуйте тестування синхронізації, надлишкового ходу та інших механічних характеристик. Використовуйте метод спадання напруги постійного струму для вимірювання опору контуру. Оцінюйте окислення та зношення контактів за значеннями опору, та вчасно вирішуйте проблеми.

(3) Регулярне тестування цілісності вакууму
Для вставних вакуумних вимикачів, оператори часто не можуть візуально виявити зовнішній розряд на переривачі під час патрульних обходів. На практиці, для періодичного оцінювання цілісності вакууму часто використовуються випробування на стійкість до напруги мережевої частоти. Хоча це є деструктивним тестом, він ефективно виявляє дефекти вакууму. Альтернативно, використання вакуумного тестера для кваліфікативного вимірювання вакууму є найкращим методом для оцінки цілісності вакууму. Якщо виявлена деградація вакууму, вакуумний переривач повинен бути негайно замінений.

(4) Встановлення онлайн-моніторингу вакууму
З поширеним використанням бездротової зв'язку та систем SCADA в електроенергетичних мережах, онлайн-моніторинг вакууму став можливим. Методи включають вимірювання тиску, ємкісне з'єднання, електрооптичне перетворення, ультразвукове виявлення та безконтактне виявлення мікрохвильового сигналу.

• Вимірювання тиску: Вбудовані датчики тиску в переривач під час виробництва. Коли вакуум деградує, густота газу та внутрішній тиск зростають. Зміна тиску передається в систему керування для реального часу моніторингу.

• Безконтактне виявлення мікрохвильового сигналу: Використовує пасивне виявлення для виявлення мікрохвильових сигналів, вловлюючи унікальні сигнали відгуку, коли цілісність вакууму порушена, що дозволяє реальний час онлайн-моніторингу.

3.2 Організаційні заходи

У минуліх інцидентах оператори не могли правильно ідентифікувати дефекти вимикачів, що призводило до згоріння та поширення аварії. Це свідчить про недостатню знайомість з системами SCADA, наявним обладнанням та процедурою операцій, а також відсутність свідомості щодо реакції на надзвичайні ситуації. Тому необхідно посилити управління операціями на головних підстанціях.

• Строге впровадження систем перевірок для раннього виявлення проблем.

• Покращення навчання операторів систем SCADA, експлуатації та обслуговування комутаційного обладнання, та процедур реагування на надзвичайні ситуації.

• Регулярні тренування з планів протидії аваріям та реагування на надзвичайні ситуації.

3.3 Покращення функцій "П'яти запобіжних заходів" в середньовстановлених комутаційних пристроях

Технічне покращення функцій "П'яти запобіжних заходів" в середньовстановлених комутаційних пристроях для повного відповідності стандартним вимогам. Повноцінні високовольтні комутаційні пристрої повинні мати всі "П'ять запобіжних заходів" з надійною продуктивністю.

• Встановлення індикаторів живлення на стороні виходу комутаційних пристроїв. Ці індикатори повинні мати функцію самоперевірки та бути зблоковані з заземлюючим вимикачем сторони лінії.

• Для встановлень з можливістю зворотного живлення, дверцята камери повинні бути оснащені обов'язковим замком, контролюється індикатором живлення.

На основі аналізу аварій згоріння вакуумних вимикачів, спричинених зниженням цілісності вакууму, що призводить до окислення контактів, збільшення опору контактів, перегріву та остаточної відмови, ця стаття пропонує цілеспрямовані заходи, такі як покращення матеріалу та якості зборки гофр, та встановлення онлайн-моніторингу вакууму. Ці заходи допомагають запобігти та в реальному часі моніторити деградацію вакууму, уникнувши повторення подібних аварій.