Interruptores de desconexión de alta tensión y fallos en el mecanismo operativo
Los interruptores de desconexión de alta tensión (HVDs) son dispositivos de conmutación críticos en las redes eléctricas, utilizados principalmente para aislar fuentes de alimentación en conjunto con los interruptores automáticos. Con la propuesta de "redes digitales", los avances continuos en la tecnología de equipos de alta tensión y la expansión de la red eléctrica de China, las aplicaciones de HVD han aumentado tanto en cantidad como en diversidad. El mecanismo de operación eléctrica, un componente vital que controla los movimientos de conmutación de HVD, requiere una excepcional confiabilidad y estabilidad.
Los HVDs representan una alta tasa de fallos entre los equipos de alta tensión, siendo los mecanismos de operación la causa principal de las averías. Los fallos comunes del mecanismo de operación incluyen la negativa a conmutar, el fallo operativo y la apertura/cierre incompleto. La fuga del mecanismo de operación, donde el motor continúa funcionando, puede llevar a grandes cortes de energía en el equipo de la red. Entre estos, los fallos de apertura/cierre (incluyendo la negativa a conmutar, la operación incompleta y la baja precisión de conmutación) afectan significativamente la estabilidad de la red.
Las investigaciones indican que los fallos de HVD causados por los mecanismos de operación eléctrica se derivan principalmente de problemas en el circuito secundario, como fallos de control debido a componentes eléctricos de mala calidad o conexiones sueltas en el circuito secundario. Para los mecanismos de operación eléctrica CJx ampliamente utilizados, los motores internos están protegidos por interruptores térmicos-magnéticos y dispositivos de protección electrónica del motor. Exponidos al exterior durante largos períodos, estos mecanismos mantienen posturas operativas durante 3-6 años después de la puesta en marcha, pero sus componentes de control eléctrico son frágiles y altamente susceptibles a factores ambientales.
La operación prolongada puede aflojar los interruptores de límite y los pernos, lo que lleva a una conmutación incompleta si no se detecta (por ejemplo, la desviación posicional de 5° en la Figura 1 supone riesgos para la red). Los interruptores de viaje, cruciales para las transiciones del proceso de conmutación, sufren de contactos oxidados y reducción de la vida útil debido a influencias ambientales.
Resumen y estado de la investigación de los fallos de los interruptores de desconexión de alta tensión
En resumen, las causas principales de los fallos de apertura/cierre de los interruptores de desconexión de alta tensión (HVD) pueden categorizarse en dos tipos: fallos en el circuito de control eléctrico y fallos en el sistema mecánico. Este documento se centra en el circuito de control eléctrico, que incluye principalmente fallos en el circuito del motor, malfuncionamiento de los interruptores de límite y problemas en el circuito secundario. El análisis muestra que las altas tasas de fallos de conmutación se atribuyen principalmente a fallos en el motor y en el circuito secundario, impactando significativamente la operación de HVD. Por lo tanto, es urgente resolver la seguridad y confiabilidad de los mecanismos de operación de HVD.
1. Estado de la investigación de los interruptores de desconexión de alta tensión
Investigadores y ingenieros relevantes han realizado extensos estudios sobre los problemas mencionados y han propuesto soluciones constructivas, resumidas en dos aspectos clave:
1.1 Estado de la investigación de los fallos en el circuito secundario
Numerosos estudios han abordado los problemas de los componentes eléctricos en los circuitos secundarios. Una mala sellado de la caja del mecanismo de operación permite la entrada de agua de lluvia, causando corrosión de los componentes, fallos en los interruptores auxiliares/relevadores, contactos de botones sueltos y atascamientos mecánicos, lo que lleva a la negativa a conmutar o a la operación incompleta. Las soluciones propuestas incluyen mantenimiento regular, protección contra la humedad y diagramas de flujo de fallas para la solución rápida de problemas.
Para el desgaste mecánico, como clavijas deformadas, pernos de límite sueltos o tornillos desgastados debido a la inercia del motor, se recomiendan medidas como inspecciones frecuentes y eliminación oportuna de defectos. Se sugieren materiales anti-oxidantes para uniones de cables corroídos, mientras que los métodos de prueba de voltaje/resistencia ayudan a diagnosticar fallos en el circuito secundario, mejorados por el registro de defectos para mejorar la eficiencia de la solución de problemas. Se han propuesto dispositivos de calefacción para abordar los problemas inducidos por la humedad, como el desajuste de los interruptores auxiliares y el mal contacto en los mecanismos de operación eléctrica.
Sin embargo, los estudios existentes solo enumeran puntos de fallo y enfatizan el mantenimiento sin soluciones fundamentales, reflejando una baja atención a los circuitos secundarios. El personal de mantenimiento a menudo subestima los componentes eléctricos en comparación con las partes mecánicas, y la falta de familiaridad con las estructuras/principios de los componentes secundarios, combinada con la negligencia de las inspecciones regulares, son causas indirectas de fallos.
1.2 Estado de la investigación de los problemas de precisión de conmutación
Para abordar la precisión de conmutación y la inercia mecánica, los académicos han mejorado el control del motor mediante el diseño de mecanismos de operación basados en motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) y motores síncronos de imanes permanentes (PMSM). Un mecanismo de HVD basado en BLDC con un núcleo DSP y una estrategia de control de doble bucle cerrado ha demostrado una efectiva regulación de la velocidad de conmutación. Métodos similares para la monitorización en tiempo real de la velocidad aseguran un funcionamiento suave y una mayor precisión de cierre, sentando las bases para el desarrollo de redes inteligentes. Es notable que estos diseños aún se encuentran en etapas de investigación teórica y simulación en laboratorio, con una confiabilidad no probada en aplicaciones prácticas.
2 Diseño de esquema de mecanismo de operación eléctrica distribuido
Basándose en el análisis anterior, la causa principal de los fallos en los mecanismos de operación es la poca confiabilidad del circuito de control eléctrico, altamente susceptible a factores ambientales. El mantenimiento retrasado u otros problemas pueden dañar los componentes eléctricos, llevando a fallos de conmutación. En respuesta, este documento propone un diseño distribuido para los mecanismos de operación eléctrica.
2.1 Concepto de control distribuido para mecanismos de operación eléctrica
El control distribuido divide todo el sistema en segmentos separados, cada uno controlado de forma independiente por un controlador principal. Este diseño separa el módulo de control eléctrico del módulo de accionamiento del motor:
Considerando el entorno externo variable y la susceptibilidad de los cables, se adopta una estrategia de cable compartido por tiempo divisional basada en el principio de multi-uso de TRIZ. Dado que los circuitos de control del motor y los circuitos indicadores de estado de conmutación no necesitan activarse simultáneamente, este enfoque permite la transmisión de señales tanto para el control del motor como para la indicación de la posición del interruptor de desconexión utilizando solo 5 cables. Esto reduce significativamente los impactos ambientales externos en el mecanismo de operación eléctrica. El concepto general de control del mecanismo de operación eléctrica distribuido se ilustra en la Figura 2.
2.2 Diseño de módulos de control distribuido
Los mecanismos de operación eléctrica de la serie CJx ampliamente aplicados están diseñados con componentes eléctricos y mecánicos integrados, operando al aire libre durante todo el año en una configuración fija desde su puesta en marcha. Esta integración es un factor clave que contribuye a su alta tasa de fallos. El diseño modular interrumpe esta configuración integral al aire libre dividiendo el mecanismo en dos módulos separados: un módulo de control eléctrico y un módulo de accionamiento mecánico.
El diseño modular ofrece ventajas distintas: permite que el módulo de control eléctrico se aloje en un entorno con temperatura estabilizada, reduciendo significativamente los impactos ambientales en las operaciones de conmutación de HVD; y minimiza el cableado entre módulos, permitiendo el reemplazo rápido de módulos defectuosos, priorizando "reemplazar primero, reparar después" para mejorar la eficiencia del mantenimiento y reducir el tiempo de inactividad de la red.
2.2.1 Módulo de control eléctrico
El módulo de control eléctrico comprende un controlador principal, un interruptor de transferencia de apertura/cierre, relevadores, circuitos de indicación de posición y un protector contra faltas de fase, según se detalla en el concepto de diseño de la Figura 3.
La lógica de control funciona de la siguiente manera: una señal de conmutación (apertura/cierre) del botón se envía al controlador, que regula la operación del motor según el comando. Cuando el HVD está en estado abierto, el circuito de posición abierta se activa, encendiendo el indicador. Presionar el botón de cierre hace que el controlador active el relevador principal del motor y el relevador de transferencia de circuito cerrado, impulsando el HVD a cerrar. Al completarse, el relevador del motor se desenergiza, activando el circuito de posición cerrada e indicador. El protector contra faltas de fase protege el circuito del motor con funcionalidad de temporizador, desconectando el circuito principal dentro de un plazo especificado en caso de fallos.
2.2.2 Módulo de accionamiento del motor
El módulo de accionamiento del motor consta principalmente de un motor AC, un reductor de velocidad, un acoplamiento de fricción, un interruptor auxiliar Siemens, un circuito de supresión de arco de tiristor, tope de límites y un dispositivo de bloqueo mecánico. Cuando el controlador principal envía un comando de apertura/cierre, se activa el circuito de control del motor, impulsando el reductor de velocidad y el eje principal a través del motor para realizar las operaciones de conmutación. Los topes de límites en la parte superior del eje principal, junto con el dispositivo de bloqueo mecánico, controlan la precisión de la posición de conmutación. Mientras tanto, el interruptor auxiliar Siemens trabaja con el circuito de supresión de arco de tiristor para desconectar el circuito de control del motor, deteniendo la operación del motor. Un margen de rotación de 90 grados en la conexión entre el reductor de velocidad y el eje principal permite el arranque sin carga del motor. La apariencia del módulo de accionamiento del motor se muestra en la Figura 4.
2.3 Solución para la precisión de cierre del interruptor de desconexión
La acción de cierre es un paso crucial para el equipo de alta tensión. Una precisión de cierre inadecuada puede afectar la operación estable de todo el sistema eléctrico. Para mejorar aún más la precisión de apertura y cierre del mecanismo de operación eléctrica, este diseño emplea un dispositivo de bloqueo mecánico, en conjunto con un interruptor auxiliar Siemens y un acoplamiento de fricción, para mejorar la precisión hasta cierto punto.
2.3.1 Interruptor auxiliar Siemens y circuito de supresión de arco de tiristor
El interruptor auxiliar está conectado al circuito principal del motor para controlar el encendido y apagado del circuito del motor. El interruptor auxiliar no es propenso a la corrosión debido a las influencias ambientales externas, y su mecanismo interno de fricción evita cierres accidentales. Los contactos utilizan un pasador de resorte y una funda dura para garantizar conexiones estables y confiables. La estructura específica se muestra en la Figura 6.
Principio de diseño del circuito de supresión de arco de tiristor: Durante la desconexión del interruptor auxiliar, se genera un arco. Para prevenir que el arco sea demasiado grande y dañe el interruptor, se conecta en paralelo un circuito de supresión de arco de tiristor para absorber el arco. El diseño específico del circuito se muestra en la Figura 7, donde los contactos 1, 2, 3 y 4 son todos contactos del interruptor auxiliar. (Los contactos 1 y 2 se utilizan para controlar el encendido y apagado del circuito de supresión de arco de tiristor, y los contactos 3 y 4 se utilizan para controlar el encendido y apagado del circuito principal del motor. Se establece que los contactos 1 y 2 se desconectan después de los contactos 3 y 4 para lograr el propósito de supresión de arco).
2.3.2 Función del acoplamiento de fricción
El acoplamiento de fricción protege el motor bajo cualquier condición de operación anormal. Una vez que el interruptor de desconexión de alta tensión está en su lugar después del cierre, el circuito principal del motor se desconecta rápidamente. Sin embargo, debido a la inercia de rotación mecánica, el motor no puede detenerse de inmediato. En ese momento, el acoplamiento de fricción actúa como un componente de liberación de fuerza. Permite que la rueda de fricción gire en vacío, disipando la inercia mecánica del motor y asegurando la posición precisa del interruptor de desconexión de alta tensión durante las operaciones de apertura y cierre. Además, ajustando la tensión de la primavera, se puede modificar el par de fricción para adaptarse a las operaciones de apertura y cierre de diversos interruptores de desconexión. El acoplamiento de fricción se muestra en la Figura 8.
Ventajas del esquema diseñado sobre los mecanismos de operación eléctrica de tipo CJx
El diseño propuesto elimina componentes eléctricos como interruptores de viaje y interruptores de límite, reduciendo factores de inestabilidad y mejorando la confiabilidad del mecanismo de operación eléctrica. También elimina el terminal con numerosos contactos, simplificando el circuito de cableado. Con un diseño modular, solo cinco cables conectan los dos módulos, mejorando significativamente la eficiencia de la reparación de fallos. Además, puede formar múltiples capas de protección con interruptores térmicos-magnéticos y dispositivos de protección electrónica de motor existentes. Incluso si el circuito de control eléctrico falla, el dispositivo de bloqueo mecánico y el acoplamiento de fricción aseguran la seguridad del motor. El acoplamiento de fricción contrarresta la fuerza de la inercia mecánica del motor, y el dispositivo de bloqueo mecánico previene que el tope de límite "rebote", asegurando una apertura y cierre precisos del interruptor de desconexión de alta tensión y protegiendo su integridad. Además, el arranque sin carga del motor minimiza la corriente de arranque, evitando el choque del equipo y extendiendo la vida útil del mecanismo de operación.
3 Verificación experimental
Siguiendo normas relevantes como "Interruptores de desconexión y tierra de alta tensión de CA" y "Requisitos técnicos comunes para equipos de maniobra y control de alta tensión de CA", la combinación de un dispositivo de bloqueo mecánico y un acoplamiento de fricción mejora aún más la precisión de apertura y cierre del interruptor de desconexión. En comparación con los mecanismos de operación eléctrica de la serie CJx, ofrece mayor confiabilidad y seguridad. La detección de errores, a través de múltiples pruebas de apertura y cierre y mediciones de desviación angular entre el tope de límite y el tornillo de límite, muestra que están estrechamente alineados, con un error de mecanizado real dentro de 1°, cumpliendo plenamente con los estándares tecnológicos. La posición real se muestra en la Figura 9.
4 Conclusión
Como uno de los equipos clave en la red eléctrica, la confiabilidad y seguridad del mecanismo de operación de los interruptores de desconexión de alta tensión son de suma importancia. Este documento toma el mecanismo de operación eléctrica como objeto de estudio, realiza un diseño y análisis detallado de su método de control distribuido, y lo verifica a través de experimentos, logrando los resultados esperados.Basado en el concepto de control distribuido, el motor es accionado por el controlador principal para controlar de manera segura y precisa las operaciones de apertura y cierre de los interruptores de desconexión de alta tensión.
Con un enfoque de diseño modular, el mecanismo de operación eléctrica se divide principalmente en un módulo de control eléctrico y un módulo de accionamiento del motor, reduciendo la complejidad del cableado y mejorando la velocidad de mantenimiento.Se establece un dispositivo de bloqueo mecánico. Combinado con las estructuras especiales del interruptor auxiliar Siemens y el acoplamiento de fricción, la precisión de apertura y cierre del interruptor de desconexión se ha mejorado.
