Диагностика на задръстването на механизмите при ниски температури

Въведение

Когато външно VCB или SF6 CB не се задейства или не се затвори при ниски температури, последиците са незабавни и тежки: повреда, която не може да бъде отстранена, захранване, което не може да бъде възстановено, и екип по поддръжката, изпратен в подстанция под напрежение при опасни зимни условия, за да диагностицира проблем, който е трябвало да бъде предотвратен по време на етапа на спецификация и въвеждане в експлоатация на оборудването. Заглушаването на механизмите в студена среда е един от най-критичните за надеждността режими на неизправност при работа на външни прекъсвачи средно напрежение - и е почти напълно предвидимо и предотвратимо, когато се разберат правилно основните причини.

Директният отговор: заклинването на механизмите при ниски температури на външни VCB и SF6 CB се причинява от четири различни коренни механизма - сгъстяване на смазочния материал под точката на застиване, проникване на влага и образуване на лед в корпуса на механизма, загуба на налягане на газ SF6 поради втечняване и механично свързване, предизвикано от термично свиване - всеки от които изисква специфичен диагностичен подход и коригиращи действия за възстановяване на надеждната работа.

За инженерите по поддръжката, които управляват програмите за надеждност на подстанциите в студен климат, мениджърите по снабдяване с оборудване средно напрежение, които определят външни прекъсвачи за северни инсталации, и изпълнителите на ЕРС, които въвеждат в експлоатация подстанции в мразовита среда, това ръководство предоставя систематичната диагностична рамка, която разрешава проблема с блокирането на механизма в неговата основна причина, а не в неговите симптоми.

Съдържание

• Кое прави механизмите за работа с VCB и SF6 CB на открито уязвими към температури на замръзване?
• Как систематично да диагностицирате основната причина за засядане на механизмите в студени условия?
• Как да специфицирате и надграждате прекъсвачите на открито за надеждна работа в мразовита среда?
• Кои са най-вредните грешки при поддръжката, които позволяват повторното засядане на механизмите?

Кое прави механизмите за работа с VCB и SF6 CB на открито уязвими към температури на замръзване?

Работният механизъм на външна VCB или SF6 CB е прецизна механична система, проектирана да освобождава натрупаната пружинна енергия и да води до разделяне на контактите за 30-50 ms. При ниски температури множество физични явления едновременно атакуват способността на механизма да изпълнява тази последователност - и разбирането на всяко от тях е предпоставка за правилна диагностика.

Четири основни механизма на смущенията при студено време

1. Конгенериране на смазочни материали
   Всички пружинни работни механизми разчитат на смазочни филми в точките на въртене, повърхностите на куплунзите, интерфейсите на ключалките и лагерите на връзките. Стандартните смазки на минерална основа имат температура на застиване между -15°C и -25°C¹. Под тези температури вискозитетът се увеличава експоненциално - вискозитетът на грес, която тече свободно при +20°C, може да се увеличи 100-1000 пъти при -30°C, превръщайки се от смазочен материал в механична спирачка, която предотвратява освобождаването на ключалката и движението на връзката.

2. Навлизане на влага и образуване на лед
   Корпусите на външните механизми са подложени на денонощни температурни колебания - топлите дни, последвани от мразовити нощи, предизвикват кондензация в корпуса. Водата се натрупва в ниските точки на механизма, по повърхностите на ключалките и в пролуките между движещите се компоненти. При 0 °C тази влага замръзва и физически блокира движещите се части. Леден филм с дебелина 0,1 mm върху повърхността на ключалката може да създаде достатъчна сила на сцепление, за да предотврати напълно освобождаването на пружината.

3. Загуба на налягане на SF6 газ (само за SF6 CB)
   Газът SF6 се втечнява при температури, които зависят от налягането на пълнене. При налягане на пълнене от 0,4 MPa SF6 започва да се втечнява при приблизително -25°C.². При 0,6 МРа втечняването започва близо до -15°C. Когато газът се втечнява, налягането в камерата за прекъсване спада под минималното работно налягане, задействайки превключвателя за блокиране на налягането и предотвратявайки операциите на изключване и затваряне - функция за безопасност, която правилно предотвратява работата при условия, при които не може да се гарантира прекъсване на дъгата.

4. Механично свързване, предизвикано от термично свиване
   Стоманените и алуминиевите компоненти се свиват с различна скорост при понижаване на температурата. В механизмите със смесени материални връзки диференциалното термично свиване създава смущения в шарнирните болтове, отворите на лагерите и направляващите релси, които не съществуват при температура на околната среда. Шарнирен болт, който се върти свободно при +20 °C, може да се заклещи в отвора си при -30 °C поради диференциалното свиване между стоманен болт и алуминиев корпус.

Ключови технически параметри за външна спецификация на VCB и SF6 CB за студен климат

• Номинална работна температура: Стандартен: от -25°C до +55°C; разширен студен климат: от -40°C до +55°C по IEC 62271-100³
• Спецификация на смазката: Нискотемпературна синтетична грес; температура на застиване ≤ -50°C за механизми с номинална температура -40°C
• Механизъм за защита на жилищата: IP55 минимум; IP65 за студени среди с висока влажност
• Налягане на пълнене с газ SF6: 0,4-0,6 MPa при референтна температура +20°C; проверете температурата на втечняване спрямо минималната температура на обекта
• Мощност на нагревателя: 50-200 W нагревател на корпуса на механизма; активиране с термостат при +5°C
• Мониторинг на захранването на нагревателя: Сигнал за наблюдение на отоплителната верига към SCADA; повредата на отоплителя през зимата е критично за надеждността събитие
• Стандарти: IEC 62271-100 (класификация по отношение на работната температура), IEC 62271-111 (VCB, монтирани на открито на стълбове), IEC 60068-2-1 (изпитване при ниски температури)
• Спецификация на материала: Външни крепежни елементи от неръждаема стомана или горещо поцинковани; корпус на механизма от алуминиева сплав с коефициент на топлинно разширение, съобразен с вътрешните компоненти

Как систематично да диагностицирате основната причина за засядане на механизмите в студени условия?

Когато при ниски температури възникне събитие, свързано със засядане на механизъм, диагностичната последователност трябва да бъде систематична, тъй като четирите основни механизма изискват напълно различни коригиращи действия, а прилагането на неправилно средство за защита губи време и може да причини допълнителни щети.

Матрица за диагностично решение: Идентифициране на първопричината за заглушаване на механизма

Симптом	Вероятна първопричина	Диагностично потвърждение	Коригиращи действия
Изключвателната бобина се задейства, но механизмът не се движи	Смазочен материал, сгъстен в ключалката	Измерване на тока на бобината (нормално); опит за ръчно задействане на лоста	Топъл механизъм; заменете го с грес за ниска температура
Изключвателната бобина се задейства; частичен ход, след което се спира	Образуване на лед върху връзката	Визуална проверка на вътрешността на механизма; следи от влага	Изсушаване и уплътняване на корпуса; инсталиране на нагревателя
Изключване и затваряне са блокирани; няма реакция на бобината	Активно блокиране на налягането на SF6	Отчитане на манометъра за налягане на газа; сравняване с кривата температура-налягане	Възстановете налягането на газа; проверете за течове
Механизмът се движи бавно; време за пътуване > 2 пъти базовото ниво	Свързване на диференциална термична контракция	Измерване на времето за пътуване при температура; сравняване с базовото ниво	Загрейте до работна температура; проверете хлабините на отворите
Периодична работа; отказва само в най-студените часове	Повреда на отоплителната верига	Проверете непрекъснатостта на нагревателя и функцията на термостата	Заменете нагревателния елемент; възстановете калибрирането на термостата

Диагностична стъпка 1: Отчитане на манометъра за налягане на газа (SF6 CBs)

За SF6 CBs това винаги е първата диагностична стъпка в случай на заглушаване при студено време. Манометърът за налягане на газа на външна SF6 CB има три зони:

• Зелена зона: Нормално работно налягане - потвърдена възможност за прекъсване на газоподаването
• Жълта зона (аларма за ниско налягане): Намалена способност за прекъсване; работата е разрешена, но се изисква поддръжка
• Червена зона (блокиране): Налягане под минимума; операциите по задействане и затваряне са механично блокирани от превключвателя за налягане

Ако показанията на манометъра са в червената зона при температурата на околната среда в момента на засядането, сравнете показанията с кривата "температура-налягане" на производителя. Ако налягането съответства на втечняване на SF6 при регистрираната температура, блокировката работи правилно - основната причина е недостатъчно налягане на пълнене с газ за минималната температура на обекта, а не грешка в механизма.

Диагностична стъпка 2: Измерване на тока на изключвателната бобина по време на неуспешна операция

Свържете измервателен уред с клещи към веригата на бобината за задействане и направете опит за задействане. Диагностицират се три резултата:

• Няма поток на ток: Проверете предпазителите, непрекъснатостта на кабелите и позицията на дистанционния/местния селектор, преди да предположите, че е налице повреда в механизма.
• Нормален пусков ток (5-15 A за бобини 110 VDC), но без движение на механизма: Отказ на освобождаването на ключалката - вероятната причина е сгъстяване на смазка или лед върху повърхността на ключалката
• Намален пусков ток: Съпротивлението на изключвателната бобина се е увеличило поради студа - измерете съпротивлението на бобината и го сравнете със стойността на табелката; увеличението на съпротивлението > 15% показва влошаване на състоянието на бобината, което изисква подмяна

Диагностична стъпка 3: Проверка на вътрешността на корпуса на механизма

След като прекъсвачът е изолиран и заземен съгласно процедурите за безопасност на подстанцията, отворете корпуса на механизма и го проверете:

• Състояние на смазката: нормална нискотемпературна смазка остава полупрозрачна и леко вискозна дори при -30°C
• Влага и лед: Отлаганията от лед се появяват като бели кристални образувания в ниските точки, по повърхностите на ключалките и между плътно прилепналите компоненти; следите от конденз се появяват като ръждиви ивици или водни петна
• Състояние на уплътнението: Проверявайте уплътненията на корпуса и кабелните входове за пукнатини, натиск или изместване; неизправните уплътнения са пътят за проникване на влага.
• Нагревателен елемент: Проверете непрекъснатостта на нагревателния елемент с мултицет; повреденият нагревател в корпуса на външния механизъм е най-честата основна причина за задръствания при студено време в подстанции, в които първоначално са били определени нагреватели.

Случай от реалния свят: Повреда при студен старт на подстанция средно напрежение

Електроснабдителна компания в Северен Китай се свърза с нас, след като през зимния сезон преживя многократни случаи на заглушаване на механизми на външни VCB в селска разпределителна подстанция 35 kV. Прекъсвачите са работили надеждно в продължение на четири години. Заглушаването на механизмите се е случвало изключително в най-студените часове преди зазоряване, когато температурата на околната среда е падала под -28 °C, а с повишаването на температурите прекъсвачите са възстановявали нормалната си работа до средата на сутринта.

Диагностичната инспекция разкри две едновременни основни причини: нагревателите на корпуса на механизма са отказали на три от шестте прекъсвача - без да бъдат открити, тъй като не е имало аларма за наблюдение на нагревателите, свързана към SCADA на подстанцията - и първоначалната спецификация на смазката е била на минерална основа с температура на застиване -20°C, неподходяща за регистрираната минимална температура на обекта от -32°C. Ние доставихме резервна нискотемпературна синтетична грес с номинална температура до -55°C, резервни нагревателни елементи и реле за наблюдение на нагревателя, свързано към входа за аларма на SCADA. През следващите два зимни сезона не бяха регистрирани други случаи на заглушаване.

Как да специфицирате и надграждате прекъсвачите на открито за надеждна работа в мразовита среда?

Предотвратяването на засядането на механизмите при ниски температури изисква решения, взети на етапа на спецификацията - дооборудването на VCB или SF6 CB със стандартна външна спецификация за работа при ниски температури е значително по-скъпо и по-малко надеждно от правилното определяне на спецификацията при закупуването.

Стъпка 1: Установяване на минималната температура на обекта и температурната класификация

• Запишете историческата минимална температура на околната среда на обекта от метеорологични данни; използвайте минималната температура за 1 на 50 години, а не средната минимална температура през зимата.
• Изберете температурен клас IEC 62271-100:
    - Клас “минус 25”: Стандартен; подходящ за обекти с минимална температура ≥ -25°C
    - Клас “минус 40”: Изисква се за обекти с минимална температура между -25°C и -40°C
    - Клас “минус 50”: Екстремно ниски температури; специална поръчка за арктически и субарктически инсталации
• За СБ SF6 проверете дали определеното налягане на пълнене с газ не предизвиква втечняване над минималната температура на обекта; поискайте кривата температура/налягане на производителя за конкретното налягане на пълнене.

Стъпка 2: Определяне на изискванията за смазочни материали и механизми

• Изисква се нискотемпературна синтетична грес с точка на изливане ≤ (минимална температура на обекта - 15°C) като предпазен марж
• Посочете марката и класа на смазочния материал в поръчката за покупка - не приемайте “подходящ нискотемпературен смазочен материал” като спецификация; изискайте от производителя да документира конкретния продукт и температурата му на втечняване.
• За механизми с номинална температура -40°C е необходимо фабричен тест за работа при ниска температура съгласно IEC 60068-2-1⁴ с документирани времена на задействане и затваряне при минимална номинална температура

Стъпка 3: Определяне на отоплителна система с надзор от SCADA

• Мощност на нагревателя: Размер за поддържане на вътрешността на корпуса на механизма на минимум +5°C при минимална температура на околната среда на обекта; типични 100-200 W за стандартен външен корпус на механизма VCB
• Зададена стойност на термостата: Активиране при вътрешна температура +5°C; деактивиране при +15°C
• Надзор на отоплителната верига: Задължително - свързване на състоянието на нагревателя към цифровия вход на SCADA; повреденият нагревател трябва да генерира аларма за поддръжка преди следващата студена вълна, а не да бъде открит след събитие на заглушаване
• Захранваща верига: Заделяне на отделен MCB за всяка верига на нагревателя на прекъсвача; споделени захранващи вериги за нагреватели означават, че едно задействане на MCB изключва нагревателите на няколко прекъсвача едновременно

Стъпка 4: Определете уплътняването на корпуса и управлението на кондензацията

• Минимално ниво на защита IP65 за корпуси на механизми в инсталации с ниски температури; IP55 е недостатъчно за среди с леден дъжд, проникване на сняг и големи дневни температурни колебания
• Силиконови уплътнения: Посочете уплътнения за корпуса от силиконов каучук с температура до -60°C; Уплътненията от EPDM стават крехки и губят ефективността си при уплътняване под -30°C⁵
• Дихателна тръба с изсушител: Специфицирайте изравняващ налягането дихател с изсушител от силикагел върху корпуса на механизма; предотвратява кондензацията, като абсорбира влагата от въздуха, постъпващ по време на температурните цикли.
• Кабелни входове: Стандартните NBR втулки се втвърдяват и напукват под -20°C.

Сценарии на приложение по среда на подстанцията

• Подстанции за северноконтинентален климат (-25°C до -40°C): IEC клас “минус 40” VCB; синтетична грес; 150 W нагревател с SCADA наблюдение; корпус IP65
• Арктически и субарктически инсталации (под -40°C): Специална спецификация клас “минус 50”; синтетична грес от арктически клас; двойни излишни нагреватели; отопляем кабелен канал за управление
• Високопланински подстанции: Студена температура, комбинирана с намаляване на надморската височина; посочете едновременно температурния клас и корекцията за надморска височина
• Крайбрежен студен климат (-20°C със солена мъгла): Корпус IP65; изолация със силиконово покритие; външен обков от неръждаема стомана; задължителен нагревател против кондензация
• Индустриална инсталация за средно напрежение в студен регион: Открит VCB предпочитан пред SF6 CB, за да се елиминира рискът от втечняване на газ; механизъм с моторно зареждане с аларма за наблюдение на нагревателя към DCS на завода

Кои са най-вредните грешки при поддръжката, които позволяват повторното засядане на механизмите?

Контролен списък за поддръжка на външни VCB и CB SF6 за студен климат

1. Проверявайте работата на нагревателя при всяко посещение за планирана поддръжка: Измерете съпротивлението на нагревателния елемент и потвърдете температурата на задействане на термостата; не приемайте, че нагревателите са функционални, защото са работили при предишното посещение.
2. Ежегодно проверявайте и подменяйте изсушаващия въздух: Наситеният изсушител не осигурява защита от влага; сменяйте касетата със силикагел на всеки 12 месеца в студени среди с висока влажност, независимо от състоянието на цветния индикатор
3. Извършете проверка на смазването преди зимния сезон: Проверете състоянието на смазката във всички точки на въртене, повърхностите на куплунзите и интерфейсите на ключалките през септември/октомври, преди температурите да паднат; не чакайте да настъпи заклещване, за да откриете застояла смазка
4. Изпробвайте задействането и затварянето при минимална очаквана зимна температура: Ако подстанцията има планиран период за поддръжка през есента, извършете тест за времето на задействане и запишете резултата като базова стойност за студения сезон; сравнете с базовата стойност за топлия сезон, за да откриете ранна фаза на деградация на смазочните материали.
5. За СВ SF6: проверете налягането на газа по кривата температура-налягане при минимална зимна температура: Изчислете очакваното налягане на газа при минималната температура на обекта и потвърдете, че показанията на манометъра ще останат в зелената зона; ако не, увеличете налягането на газа преди зимата.

Често срещани грешки при поддръжката, които позволяват повторното възникване на задръствания

• Нанасяне на смазочен материал за топъл климат по време на зимната поддръжка: Ако екипът по поддръжката използва стандартна минерална смазка по време на сервизно посещение в студено време, тъй като правилната нискотемпературна смазка не е в наличност, механизмът ще се задръсти отново при следващото застудяване - винаги поддържайте запаси от смазочни материали за студен климат в подстанциите в мразовита среда
• Възстановяване на работата чрез затопляне на механизма, без да се отстрани първопричината: Прилагането на загряващ пистолет към заклещения механизъм за възстановяване на работата за незабавно възстановяване на повредата е приемливо като спешна мярка, но връщането на прекъсвача в експлоатация без отстраняване на основната причина - повреден нагревател, неправилна смазка, повредено уплътнение на корпуса - гарантира повторна поява.
• Пренебрегване на периодичните случаи на бавно движение като “приемливо поведение при студено време”: Време на сработване, което е с 20% над базовото при -20°C, е ранно предупреждение за деградация на смазочния материал или повреда на нагревателя - не е нормално поведение за правилно специфициран външен VCB за студен климат.
• Пропускане на проверката на уплътнението на корпуса по време на лятната поддръжка: Уплътненията на корпуса и кабелните уплътнения се разрушават постепенно; уплътнение, което изглежда непокътнато през лятото, може да се повреди при термичния стрес от първия зимен цикъл на замразяване и размразяване - проверявайте уплътненията ежегодно, независимо от сезона.

Заключение

Заглушаването на механизмите при ниски температури не е неизбежна последица от експлоатацията на открити VCB и SF6 CB в студен климат - това е предсказуем режим на повреда с добре дефинирани основни причини, систематични методи за диагностика и доказани превантивни мерки. Четирите основни механизма - сгъстяване на смазката, проникване на влага и образуване на лед, втечняване на газ SF6 и диференциално термично свиване - всеки от тях оставя отчетливи диагностични признаци, които насочват правилното коригиращо действие. За надеждността на подстанциите средно напрежение в студена среда инвестицията в правилна спецификация за студения климат, надзор на нагревателите и годишна предзимна поддръжка е с порядък по-малка от цената на едно събитие на заклинване на механизма по време на повреда под напрежение. Основният извод: специфицирайте за най-студения ден, който някога ще настъпи на вашия обект, наблюдавайте всяка верига на нагревателя в SCADA и проверявайте състоянието на смазочните материали преди всяка зима - защото механизъм, който се задръства при -30°C, се е повреждал бавно месеци преди температурата да спадне.

Често задавани въпроси относно диагностиката на заглушаване на механизми за външни VCB и SF6 CB

1. “Влияние на ниските температури върху смазочните материали”, https://www.machinerylubrication.com/Read/30093/cold-temperatures-lubricants. Обяснява експоненциалното нарастване на вискозитета на минералните масла при отрицателни температури. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: индустрия. Подкрепя: Стандартните смазки на минерална основа имат температура на застиване между -15°C и -25°C. ↩

2. “Свойства на SF6 и употреба в електрическото оборудване”, https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-11/sf6-properties-and-use-in-electrical-equipment.pdf. Подробности за кривата на втечняване на серен хексафлуорид под налягане. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: държавен. Подкрепя: - Връзка с други държави членки на ЕС: При налягане на пълнене от 0,4 MPa SF6 започва да се втечнява при приблизително -25°C. ↩

3. “IEC 62271-100: Комутационна апаратура и апаратура за управление с високо напрежение”, https://webstore.iec.ch/publication/60122. Определя стандартни и разширени работни температурни диапазони за прекъсвачи. Роля на доказателството: стандартно; Тип на източника: стандартен. Поддържа: Номинален диапазон на работната температура: Стандартен: от -25°C до +55°C; разширен за студен климат: от -40°C до +55°C по IEC 62271-100. ↩

4. “IEC 60068-2-1: Изпитване на околната среда - Част 2-1: Изпитвания - Изпитване А: Студ”, https://webstore.iec.ch/publication/593. Описва процедурите за изпитване на електротехнически продукти в студена среда. Роля на доказателството: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: фабрично изпитване за работа при ниска температура съгласно IEC 60068-2-1. ↩

5. “Ръководство за предлагане на материали за О-пръстени на Паркър”, https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf. Предоставя температурни граници и данни за крехкостта при ниски температури за EPDM съединения. Роля на доказателството: характеристики на материала; Тип на източника: промишленост. Поддържа: EPDM уплътненията стават крехки и губят ефективността си на уплътняване под -30°C. ↩