Análisis de Fallas del Interruptor de la Barra Neutral Durante el Bloqueo de las Válvulas Convertidoras de Ultra Alta Tensión

1.Principio de Bloqueo de Válvulas Convertidoras de Ultra Alta Tensión
1.1 Principio de Funcionamiento de las Válvulas Convertidoras
Las válvulas convertidoras de ultra alta tensión (UHV) generalmente emplean válvulas de tiristores o válvulas de transistores bipolares de aislamiento por puerta (IGBT) para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) y viceversa. Tomando como ejemplo la válvula de tiristores, esta consiste en múltiples tiristores conectados en serie y paralelo. Al controlar el disparo (encendido) y apagado de los tiristores, la válvula regula y convierte la corriente eléctrica. Durante el funcionamiento normal, la válvula convertidora convierte CA a CC o CC a CA según una secuencia de disparo predefinida y un tiempo [1].

1.2 Causas y Proceso de Bloqueo de la Válvula Convertidora
El bloqueo de la válvula convertidora puede ser desencadenado por diversos factores, incluyendo sobretensión, sobrecorriente, fallos de componentes internos y anomalías en el sistema de control y protección. Cuando se detectan tales anomalías, el sistema de control y protección emite rápidamente un comando de bloqueo, cesando el disparo de todos los tiristores o válvulas IGBT, lo que bloquea la válvula convertidora.

Durante el proceso de bloqueo, ocurren cambios significativos en los parámetros eléctricos del sistema. Por ejemplo, en el lado rectificador, después de que la válvula convertidora es bloqueada, la corriente del lado CA disminuye rápidamente. Sin embargo, debido a la inductancia de la línea, la corriente del lado CC no cae inmediatamente a cero y en su lugar continúa fluyendo a través de rutas como la barra neutra, formando una corriente de circulación libre. En este momento, el interruptor de la barra neutra debe operar rápidamente para interrumpir la corriente CC y proteger el equipo del sistema de daños causados por corrientes excesivas [2].

2.Condiciones de Operación del Interruptor de la Barra Neutra Durante el Bloqueo de la Válvula Convertidora
2.1 Cambios en los Parámetros Eléctricos
Cuando la válvula convertidora es bloqueada, la tensión y la corriente a través del interruptor de la barra neutra experimentan cambios drásticos. En el lado CC, ya que la válvula convertidora bloqueada impide el flujo de corriente normal, ocurre una sobrecorriente en la barra neutra y en el equipo asociado. Mientras tanto, debido a procesos transitorios electromagnéticos en el sistema, puede aparecer sobretensión a través del interruptor de la barra neutra.

Por ejemplo, en un cierto proyecto de transmisión DC de UHV, después del bloqueo de la válvula convertidora, la corriente de la barra neutra aumentó instantáneamente a 2-3 veces la corriente nominal, y la tensión a través del interruptor de la barra neutra mostró fluctuaciones significativas, alcanzando un pico de 1.5 veces la tensión de operación normal. La Tabla 1 ilustra visualmente los cambios en los parámetros eléctricos durante el bloqueo de la válvula convertidora.

Tabla 1: Cambios en los Parámetros Eléctricos Durante el Bloqueo de la Válvula Convertidora en un Cierto Proyecto de Transmisión DC de UHV

2.2 Variaciones de Estrés
Cuando la válvula del convertidor se bloquea, el interruptor del bus neutral debe soportar no solo estrés eléctrico sino también mecánico. El estrés eléctrico proviene principalmente de sobretensiones y sobrecorrientes, que intensifican la erosión eléctrica de los contactos del interruptor y acortan su vida útil. El estrés mecánico resulta principalmente de las fuerzas de impacto generadas por el mecanismo de operación durante las operaciones rápidas de apertura y cierre, así como de las fuerzas electromagnéticas causadas por cambios rápidos de corriente. Por ejemplo, en eventos frecuentes de bloqueo de la válvula del convertidor, los componentes del mecanismo de operación del interruptor del bus neutral pueden aflojarse o desgastarse, afectando adversamente su rendimiento normal de apertura y cierre [3].

3.Tipos Comunes de Fallas y Análisis de Causas de los Interruptores del Bus Neutral Durante el Bloqueo de la Válvula del Convertidor UHV
3.1 Fallo de Aislamiento
3.1.1 Manifestaciones de la Falla
El fallo de aislamiento es uno de los tipos de fallas más comunes para los interruptores del bus neutral durante el bloqueo de la válvula del convertidor. Se manifiesta principalmente como envejecimiento o daño de los materiales de aislamiento internos, lo que lleva a un deterioro del rendimiento del aislamiento y resulta en descargas o rupturas. Por ejemplo, en algunos proyectos de transmisión DC UHV de larga operación, han aparecido contaminación superficial y grietas en los aisladores de porcelana dentro del interruptor del bus neutral, comprometiendo severamente el rendimiento del aislamiento.

3.1.2 Análisis de Causas
Las causas del fallo de aislamiento incluyen varios aspectos. Primero, la operación prolongada bajo alta tensión y gran corriente envejece gradualmente los materiales de aislamiento, reduciendo su capacidad de aislamiento con el tiempo. Segundo, la sobretensión y sobrecorriente generadas durante el bloqueo de la válvula del convertidor imponen un estrés severo a los materiales de aislamiento, acelerando el proceso de envejecimiento. Además, entornos de operación adversos, como alta humedad y fuerte contaminación, hacen que las superficies de aislamiento acumulen contaminantes, degradando aún más el rendimiento del aislamiento. Por ejemplo, en un proyecto de transmisión DC UHV costero con alta humedad y aire cargado de sal, se forma fácilmente una película conductiva en la superficie de los aisladores de porcelana del interruptor del bus neutral, reduciendo significativamente la resistencia al aislamiento y causando fallas de descarga frecuentes.

3.2 Fallo del Mecanismo de Operación
3.2.1 Manifestaciones de la Falla
Los fallos del mecanismo de operación se manifiestan principalmente como tiempos de apertura/cierre anormales o incapacidad de abrir/cerrar (negativa a operar). Por ejemplo, durante el bloqueo de la válvula del convertidor, el interruptor del bus neutral puede presentar tiempos de apertura excesivamente largos, fallando en interrumpir la corriente DC de manera oportuna, o puede no cerrar correctamente, resultando en mal contacto.

3.2.2 Análisis de Causas
Las causas de los fallos del mecanismo de operación son complejas. Por un lado, los componentes mecánicos se degradan con el tiempo debido a operaciones frecuentes, sufriendo desgaste o deformación que perjudica el rendimiento. Por ejemplo, los resortes en el mecanismo pueden perder elasticidad debido a la fatiga, lo que lleva a una fuerza de apertura/cierre insuficiente. Por otro lado, las fallas en el circuito de control, como el fallo de relés o cables de control rotos, pueden impedir que el mecanismo reciba o ejecute correctamente las órdenes. Además, la interferencia electromagnética durante el bloqueo de la válvula del convertidor puede perturbar las señales de control, causando mal funcionamiento o negativa a operar. Por ejemplo, en un cierto proyecto de transmisión DC UHV, los cables de control ruteados cerca de los buses de alta corriente experimentaron fuerte interferencia magnética durante el bloqueo de la válvula, llevando a la negativa del interruptor a abrirse.

3.3 Fallo de Contacto
3.3.1 Manifestaciones de la Falla
Los fallos de contacto incluyen principalmente la erosión de los contactos, el aumento de la resistencia de contacto y la soldadura de los contactos. Durante el bloqueo de la válvula del convertidor, cuando el interruptor del bus neutral interrumpe corrientes grandes, se forman arcos de alta temperatura, causando la erosión de la superficie de los contactos. La erosión prolongada lleva a superficies de contacto irregulares y mayor resistencia, perjudicando la operación normal. En casos graves, los contactos pueden soldarse, impidiendo que el interruptor se abra.

3.3.2 Análisis de Causas
La causa principal del fallo de contacto es la gran corriente y el arco de alta temperatura generados durante el bloqueo de la válvula del convertidor. El flujo de corriente grande produce calentamiento Joule, elevando la temperatura de los contactos, mientras que el calor intenso del arco acelera la erosión. Además, las propiedades del material de los contactos y la calidad de fabricación afectan la resistencia al arco. Los contactos hechos de materiales con poca resistencia a altas temperaturas o al arco, o producidos con procesos subestándar, son más propensos a la erosión. Por ejemplo, en un proyecto de transmisión DC UHV, el interruptor del bus neutral utilizó contactos con resistencia al arco inadecuada; después de múltiples eventos de bloqueo, ocurrió una erosión severa, aumentando significativamente la resistencia de contacto y perturbando la operación normal.

3.4 Fallo del Transformador de Corriente
3.4.1 Manifestaciones de la Falla
Los fallos del transformador de corriente incluyen principalmente circuitos abiertos en el lado secundario, daño al aislamiento de los devanados y saturación del núcleo. Durante el bloqueo de la válvula del convertidor, el cambio abrupto en la corriente DC somete al transformador de corriente a un estrés significativo, haciéndolo propenso a fallar. Por ejemplo, un circuito secundario abierto puede generar tensiones peligrosamente altas, poniendo en riesgo el equipo y el personal; el daño al aislamiento de los devanados puede causar cortocircuitos internos, degradando la precisión de la medición; y la saturación del núcleo aumenta los errores de medición, potencialmente desencadenando acciones protectoras incorrectas.

3.4.2 Análisis de Causas
Las causas del fallo del transformador de corriente incluyen lo siguiente: Primero, la sobrecorriente durante el bloqueo de la válvula del convertidor somete a los devanados a un alto estrés térmico y electromagnético, posiblemente dañando el aislamiento. Segundo, el rendimiento del aislamiento se degrada naturalmente con el tiempo, haciendo que los transformadores sean más vulnerables a fallas en condiciones anormales como el bloqueo de la válvula. Además, un diseño o selección inadecuados, como una corriente nominal o clase de precisión incorrectas, pueden llevar a la saturación del núcleo durante los eventos de bloqueo. Por ejemplo, en un proyecto de transmisión DC UHV, la corriente nominal del transformador de corriente era demasiado baja; durante el bloqueo de la válvula, el núcleo se saturó rápidamente, fallando en medir la corriente con precisión y causando el mal funcionamiento de los relés protectores.

Para comprender mejor la proporción de cada tipo de falla entre las fallas de los interruptores de barra neutra durante el bloqueo del convertidor de válvulas, este documento realizó un análisis estadístico de los datos de fallas de varios proyectos de transmisión DC UHV, con resultados que se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2: Proporción de Tipos de Fallas de Interruptores de Barra Neutra Durante el Bloqueo del Convertidor de Válvulas UHV

4.Medidas de Prevención y Manejo de Fallas para Interruptores de Barra Neutral Durante el Bloqueo del Válvula Convertidora en UHV
4.1 Medidas de Prevención de Fallas
4.1.1 Optimización de la Selección y Diseño de Equipos
Durante la fase de construcción de proyectos de transmisión DC de UHV, se debe considerar plenamente el impacto de condiciones anormales, como el bloqueo de la válvula convertidora, en los interruptores de barra neutral, y se debe optimizar la selección y diseño del equipo en consecuencia. Se deben seleccionar componentes clave, como interruptores con alto rendimiento de aislamiento, contactos resistentes al arco, mecanismos de operación confiables y transformadores de corriente adecuadamente calificados. Por ejemplo, las cubiertas de porcelana aislantes fabricadas con materiales y procesos de aislamiento avanzados pueden mejorar la confiabilidad del aislamiento; los materiales de contacto con alta resistencia al arco prolongan la vida útil de los contactos; y un mecanismo de operación bien diseñado garantiza una apertura/cierre precisa y confiable bajo diversas condiciones de operación.

4.1.2 Monitoreo y Mantenimiento Mejorados del Equipo
Se debe establecer un sistema de monitoreo integral del equipo para supervisar continuamente los parámetros operativos del interruptor de barra neutral, incluyendo parámetros eléctricos, temperatura, presión, vibración y otros indicadores de estado. A través del análisis de datos, se pueden identificar temprano los riesgos potenciales de falla. Por ejemplo, la termografía infrarroja se puede utilizar para monitorear las temperaturas en los contactos y puntos de conexión; los aumentos anormales de temperatura desencadenan inspecciones y acciones correctivas oportunas. El monitoreo en línea de la resistencia de aislamiento y la descarga parcial ayuda a evaluar la condición del aislamiento. Además, se debe fortalecer el mantenimiento rutinario, que incluye limpieza, lubricación y ajuste, para asegurar que el equipo permanezca en óptimas condiciones de operación.

4.1.3 Mejora de la Calidad del Entorno Operativo
Se debe mejorar el entorno operativo del interruptor de barra neutral para mitigar los impactos adversos del medio ambiente. Por ejemplo, se pueden instalar sistemas de purificación de aire en las subestaciones para reducir los contaminantes atmosféricos y gases corrosivos; medidas efectivas de control de humedad, como deshumidificadores, pueden mantener condiciones secas alrededor del equipo. En áreas costeras o altamente contaminadas industrialmente, se pueden aplicar tratamientos protectores especiales, como recubrimientos anticorrosivos, para mejorar la resistencia del equipo a la degradación ambiental.

4.2 Medidas de Manejo de Fallas
4.2.1 Aplicación de Tecnologías de Diagnóstico Rápido de Fallas
Cuando se detecta una falla en el interruptor de barra neutral, se deben emplear tecnologías de diagnóstico rápido para identificar con precisión el tipo de falla y su causa raíz. Los sistemas de diagnóstico inteligentes, combinados con datos operativos en tiempo real y características de falla, permiten una localización rápida de la falla a través del análisis de datos y cálculos basados en modelos. Por ejemplo, el monitoreo y análisis en tiempo real de los parámetros de corriente y voltaje pueden ayudar a determinar si ha ocurrido una falla de aislamiento, daño en los contactos o mal funcionamiento del transformador de corriente; el análisis de vibraciones puede revelar problemas mecánicos en el mecanismo de operación.

4.2.2 Establecimiento de Procedimientos Racionales de Manejo de Fallas
Se deben desarrollar procedimientos detallados y racionales de manejo de fallas para asegurar una respuesta rápida y efectiva ante las fallas. Estos procedimientos deben incluir la notificación de fallas, inspección en el sitio, diagnóstico de fallas, planificación de reparaciones, implementación de reparaciones, pruebas de equipos y verificación de aceptación. A lo largo del proceso, es esencial adherirse estrictamente a los protocolos de seguridad para proteger al personal y al equipo. Por ejemplo, cuando se abordan fallas de aislamiento, primero se debe desconectar la energía y descargar la energía almacenada antes de la inspección y reparación; después de reemplazar un componente, se deben realizar pruebas rigurosas y controles de aceptación para confirmar que el rendimiento cumple con los estándares requeridos.

4.2.3 Equipos de Respaldo de Emergencia y Planes de Contingencia
Para minimizar el impacto de las fallas de los interruptores de barra neutral en la operación del sistema, se debe disponer de equipos de respaldo de emergencia y formular planes de contingencia completos. En caso de una falla grave que no pueda ser reparada rápidamente, el equipo de respaldo se puede desplegar rápidamente para restaurar la operación normal del sistema. El mantenimiento y prueba regular del equipo de respaldo son necesarios para asegurar que esté en buenas condiciones de espera. El plan de contingencia debe especificar los procedimientos de respuesta de emergencia, las responsabilidades del personal, los protocolos de comunicación y otros elementos clave para habilitar un manejo de emergencia ordenado y eficiente.

5.Conclusión
Durante el bloqueo de la válvula convertidora en UHV, los interruptores de barra neutral enfrentan múltiples riesgos de falla, incluyendo fallas de aislamiento, mal funcionamiento del mecanismo de operación, daño en los contactos y fallas en los transformadores de corriente, todos los cuales pueden comprometer significativamente la operación segura y estable de los sistemas de transmisión DC de UHV. Al analizar exhaustivamente el mecanismo de bloqueo de las válvulas convertidoras y el estado operativo de los interruptores de barra neutral bajo tales condiciones, se han identificado claramente los tipos comunes de fallas y sus causas, respaldados por estudios de casos detallados. Para prevenir y abordar efectivamente estas fallas, se deben implementar medidas preventivas en la selección y diseño de equipos, el monitoreo y mantenimiento operativo, y la mejora del entorno. Simultáneamente, se deben adoptar estrategias de manejo de fallas, incluyendo tecnologías de diagnóstico rápido, procedimientos de reparación estandarizados y sistemas de respaldo de emergencia, para mejorar aún más la confiabilidad operativa de los sistemas de transmisión DC de UHV.