Interruptores de alta tensión e fallos no mecanismo operativo
As interruptores de alta tensión (HVD) son dispositivos de conmutación críticos nas redes eléctricas, utilizados principalmente para aislar fuentes de alimentación en combinación con interruptores automáticos. Con a proposta de "redes digitales", os continuos avances na tecnoloxía de equipos de alta tensión e a expansión da rede eléctrica de China, as aplicacións de HVD aumentaron tanto en cantidade como en diversidade. O mecanismo de funcionamento eléctrico, un compoñente vital que controla os movimentos de conmutación dos HVD, require unha fiabilidade e estabilidade excepcionais.
Os HVD teñen unha taxa de fallos alta entre os equipos de alta tensión, sendo os mecanismos de funcionamento a causa principal das averías. Os fallos comúns nos mecanismos de funcionamento inclúen a recusa de conmutación, o fallo operativo e a apertura/cierre incompletos. A fuga do mecanismo de funcionamento—onde o motor continua funcionando—pode levar a cortes importantes no equipo da rede. Entre estes, os fallos de apertura/cierre (incluíndo a recusa de conmutación, operación incompleta e baixa precisión de conmutación) afectan significativamente a estabilidade da rede.
A investigación indica que os fallos de HVD causados por mecanismos de funcionamento eléctrico provienen principalmente de problemas no circuito secundario, como fallos de control debido a componentes eléctricos de mala calidade ou conexións sueltas no circuito secundario. Para os mecanismos de funcionamento eléctrico CJx ampliamente utilizados, os motores internos están protexidos por interruptores termomagnéticos e dispositivos de protección electrónica do motor. Expostos ao aire libre durante moito tempo, estos mecanismos mantén a súa postura operativa durante 3-6 anos despois da puesta en marcha, pero os seus componentes de control eléctrico son fráxiles e altamente susceptibles aos factores ambientais.
A operación prolongada pode afrouxar os interruptores de fin de carrera e as tuercas, levando a conmutacións incompletas se non se detectan (por exemplo, a desviación posicional de 5° na Figura 1 supón riscos para a rede). Os interruptores de fin de carrera, cruciais para as transicións do proceso de conmutación, sufren de contactos oxidados e reducción da vida útil debido ás influencias ambientais.
Resumo e estado da investigación sobre fallos de interruptores de alta tensión
En resumo, as causas principais dos fallos de apertura/cierre dos interruptores de alta tensión (HVD) poden categorizarse en dous tipos: fallos no circuito de control eléctrico e fallos no sistema mecánico. Este artigo centra-se no circuito de control eléctrico, que inclúe principalmente fallos no circuito do motor, malfuncionamentos dos interruptores de fin de carrera e problemas no circuito secundario. A análise mostra que as altas taxas de fallos de conmutación son atribuíbles principalmente a fallos do motor e do circuito secundario, afectando significativamente a operación dos HVD. Así, é urgente resolver a seguridade e fiabilidade dos mecanismos de funcionamento de HVD.
1. Estado da investigación sobre interruptores de alta tensión
Investigadores e enxeñeiros relevantes realizaron extensos estudios sobre estas cuestións e propuxeron soluciones constructivas, resumidas en dous aspectos clave:
1.1 Estado da investigación sobre fallos no circuito secundario
Numerosos estudos abordaron problemas de componentes eléctricos no circuito secundario. Unha mala selaxe da caixa do mecanismo de funcionamento permite a entrada de auga da chuvia, causando corrosión de componentes, fallos nos interruptores auxiliares/reles, contacto floxo nos botóns e atascos mecánicos—levando a recusas de conmutación ou operación incompleta. As solucións propostas inclúen manutención regular, protección contra a humidade e diagramas de fluxo de fallos para a resolución rápida de problemas.
Para o desgaste mecánico como pinos deformados, tuercas de fin de carrera afrouxadas ou parafusos gastados debido á inercia do motor, recoméndanse medidas como inspeccións frecuentes e eliminación oportuna de defectos. Suxírense materiais antioxidade para articulacións de cable corroídos, mentres que métodos de proba de voltaxe/resistencia axudan a diagnosticar fallos no circuito secundario—reforzados pola rexistro de defectos para mellorar a eficiencia na resolución de problemas. Propúxense dispositivos de calefacción para abordar problemas inducidos por a humidade como a desalineación de interruptores auxiliares e o mal contacto nos mecanismos de funcionamento eléctrico.
No entanto, os estudos existentes simplemente enumeran puntos de fallo e enfatizan a manutención sen ofrecer solucións fundamentais, refletindo unha baixa atención ao circuito secundario. O persoal de manutención subestima con frecuencia os componentes eléctricos en comparación coas partes mecánicas, e a falta de familiaridade con as estruturas/principios dos componentes secundarios, xunto coa descuido das inspeccións regulares, son causas indirectas de fallos.
1.2 Estado da investigación sobre problemas de precisión de conmutación
Para abordar a precisión de conmutación e a inercia mecánica, os académicos melloraron o control do motor diseñando mecanismos de funcionamento baseados en motores de corrente continua sin escobillas (BLDC) e motores síncronos de imán permanente (PMSM). Un mecanismo de HVD baseado en BLDC con un núcleo DSP e unha estratexia de control de dobre bucle cerrado mostrou unha regulación efectiva da velocidade de conmutación. Métodos similares para a monitorización en tempo real da velocidade aseguran un funcionamento suave e unha maior precisión de cierre, sentando as bases para o desenvolvemento de redes inteligentes. Notablemente, estes diseños aínda están en fase de investigación teórica e simulación en laboratorio, sen demostrar a súa fiabilidade en aplicaciones prácticas.
2 Esquema de deseño de mecanismos de funcionamento eléctrico distribuído
Basándose no anterior análisis, a causa principal dos fallos nos mecanismos de funcionamento é a baixa fiabilidade do circuito de control eléctrico, altamente susceptible a factores ambientais. A manutención retardada ou outros problemas poden danar os componentes eléctricos, levando a fallos de conmutación. En resposta, este artigo propón un deseño distribuído para mecanismos de funcionamento eléctrico.
2.1 Concepto de control distribuído para mecanismos de funcionamento eléctrico
O control distribuído divide todo o sistema en segmentos separados, cada un controlado independentemente por un controlador principal. Este deseño separa o módulo de control eléctrico do módulo de accionamento do motor:
Considerando o entorno exterior variable e a susceptibilidade dos cables, adoptase unha estratexia de cable compartido por división de tempo baseada no principio de multiuso de TRIZ. Dado que os circuitos de control do motor e os circuitos indicadores de estado de conmutación non necesitan activarse simultaneamente, esta aproximación permite a transmisión de señales tanto para o control do motor como para a indicación da posición do interruptor de alta tensión utilizando só 5 cables. Esto reduce significativamente os impactos externos ambientais no mecanismo de funcionamento eléctrico. O concepto de control global do mecanismo de funcionamento eléctrico distribuído ilustrase na Figura 2.
2.2 Deseño de módulos de control distribuído
Os mecanismos de funcionamento eléctrico da serie CJx ampliamente aplicados están deseñados con componentes eléctricos e mecánicos integrados, operando ao aire libre durante todo o ano en unha configuración fixa desde a puesta en marcha. Esta integración é un factor clave que contribúe á súa alta taxa de fallos. O deseño modular interrumpe esta configuración integral ao aire libre dividindo o mecanismo en dous módulos separados: un módulo de control eléctrico e un módulo de accionamento mecánico.
O deseño modular ofrece ventaxes distintas: permite que o módulo de control eléctrico estea aloxado nun ambiente con temperatura estabilizada, reducindo significativamente os impactos ambientais nas operacións de conmutación de HVD; e minimiza o cableado entre módulos, permitindo a substitución rápida de módulos defectuosos—priorizando "substituir primeiro, reparar despois" para mellorar a eficiencia da manutención e reducir o tempo de inactividade da rede.
2.2.1 Módulo de control eléctrico
O módulo de control eléctrico compónse dun controlador principal, un interruptor de transferencia de apertura/cierre, reles, circuitos de indicación de posición e un protector contra falta de fase, tal como se describe no concepto de deseño da Figura 3.
A lóxica de control funciona do seguinte xeito: unha señal de conmutación (apertura/cierre) do botón envíase ao controlador, que regula a operación do motor segundo o comando. Cando o HVD está no estado de apertura, o circuito de posición de apertura actívase, encendendo o indicador. Premir o botón de cierre dispara ao controlador para activar o rele principal do motor e o rele de transferencia de circuito de cierre, impulsando o HVD a cerrar. Ao completarse, o rele do motor desenerxiza, activando o circuito de posición de cierre e o indicador. O protector contra falta de fase protexe o circuito do motor con función de temporizador, desconectando o circuito principal dentro dun período de tempo especificado en caso de fallos.
2.2.2 Módulo de accionamento do motor
O módulo de accionamento do motor compónse principalmente dun motor AC, un redutor de velocidade, un acoplamento de fricción, un interruptor auxiliar Siemens, un circuito de supresión de arco de tiristor, topes de fin de carrera e un dispositivo de bloqueo mecánico. Cando o controlador principal envía unha orde de apertura/cierre, o circuito de control do motor activa, impulsando o redutor de velocidade e o eixe principal a través do motor para as operacións de conmutación. Os topes de fin de carrera na parte superior do eixe principal, en combinación co dispositivo de bloqueo mecánico, controlan a precisión da posición de conmutación. Entretanto, o interruptor auxiliar Siemens traballa en conxunto co circuito de supresión de arco de tiristor para desconectar o circuito de control do motor, detendo a operación do motor. Un margen de rotación de 90 graos na conexión entre o redutor de velocidade e o eixe principal permite o arranque a vacío do motor. A aparición do módulo de accionamento do motor móstrase na Figura 4.
2.3 Solución para a precisión de cierre do interruptor
A acción de cierre é un paso crucial para os equipos de alta tensión. Unha precisión de cierre inadequada pode afectar a operación estable de todo o sistema eléctrico. Para mellorar a precisión de apertura y cierre do mecanismo de funcionamento eléctrico, este deseño emprega un dispositivo de bloqueo mecánico, en conxunto con un interruptor auxiliar Siemens e un acoplamento de fricción, para mellorar a precisión nun determinado nivel.
2.3.1 Interruptor auxiliar Siemens e circuito de supresión de arco de tiristor
O interruptor auxiliar conectase ao circuito principal do motor para controlar o encendido y apagado do circuito del motor. O interruptor auxiliar non é propenso ao óxido debido ás influencias ambientais externas, e o seu mecanismo de fricción interno evita cierres accidentais. Os contactos usan un pino cargado con molla e una funda dura para asegurar conexiones estables y confiables. La estructura específica muestra na Figura 6.
Principio de diseño del circuito de supresión de arco de tiristor: Durante la desconexión del interruptor auxiliar, se genera un arco. Para evitar que el arco sea demasiado grande y dañe el interruptor, se conecta un circuito de supresión de arco de tiristor en paralelo con el interruptor auxiliar 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 de 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 desconecten después de los contactos 3 y 4 para lograr el propósito de la supresión de arco).
2.3.2 Función del acoplamiento de fricción
El acoplamiento de fricción protege el motor en cualquier condición de funcionamiento anormal. Una vez que el interruptor de alta tensión está en su lugar después de cerrarse, el circuito principal del motor se desconecta rápidamente. Sin embargo, debido a la inercia rotacional mecánica, el motor no puede detenerse de inmediato. En este momento, el acoplamiento de fricción actúa como un componente de alivio de fuerza. Permite que la rueda de fricción gire libremente, disipando la inercia mecánica del motor y asegurando la posicionamiento preciso del interruptor de alta tensión durante las operaciones de apertura y cierre. Además, ajustando la tensión de la muelle, se puede modificar el par de fricción para adaptarse a las operaciones de apertura y cierre de diversos interruptores. El acoplamiento de fricción se muestra en la Figura 8.
Ventajas del esquema diseñado sobre los mecanismos de funcionamiento eléctrico tipo CJx
El diseño propuesto elimina componentes eléctricos como interruptores de fin de carrera y toques de límite, reduciendo factores de inestabilidad y mejorando la fiabilidad del mecanismo de funcionamiento eléctrico. También elimina la placa 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 fallas. Además, puede formar múltiples capas de protección con interruptores termomagnéticos 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 garantizan la seguridad del motor. El acoplamiento de fricción contrarresta la fuerza de la inercia mecánica del motor, y el dispositivo de bloqueo mecánico previene el "rebote" del tope de límite, asegurando la apertura y cierre precisos del interruptor de alta tensión y protegiendo su integridad. Además, el arranque a vacío del motor minimiza la corriente de arranque, evitando el choque del equipo y extendiendo la vida útil del mecanismo de funcionamiento.
3 Verificación experimental
Siguiendo normas relevantes como "Interruptores de alta tensión de corriente alterna y interruptores de tierra" y "Requisitos técnicos comunes para equipos de alta tensión de corriente alterna y sus conjuntos de maniobra y control", la combinación de un dispositivo de bloqueo mecánico y un acoplamiento de fricción mejora aún más la precisión de apertura y cierre del interruptor. En comparación con los mecanismos de funcionamiento eléctrico de la serie CJx, ofrece mayor fiabilidad y seguridad. La detección de errores, mediante 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 completamente 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 fiabilidad y seguridad del mecanismo de funcionamiento de los interruptores de alta tensión son de suma importancia. Este artículo toma el mecanismo de funcionamiento eléctrico 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 alta tensión.
Con un enfoque de diseño modular, el mecanismo de funcionamiento eléctrico 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 ha establecido un dispositivo de bloqueo mecánico. Combinado con las estructuras especiales del interruptor auxiliar Siemens y el acoplamiento de fricción, se ha mejorado la precisión de apertura y cierre del interruptor.
