Análisis de Fallas por Cortocircuito en Interruptor de Carga Tipo Puffer de 10kV
1. Resumen de la Falla
En junio de 2013, ocurrió una falla en un interruptor de alta tensión en operación en cierta área urbana, causando el salto de una línea de 10kV. La investigación en el lugar reveló que el interruptor defectuoso era un interruptor de carga de red anular neumático (tipo HXGN2-10), y la característica de la falla fue un cortocircuito por arco trifásico. Después de aislar la falla y restablecer el suministro de energía a los usuarios, es importante destacar que el mismo tipo de interruptor en esta área, puesto en operación entre 1999 y 2000 (con un período de operación de más de 12 años, una corriente nominal diseñada de 630A y una corriente de operación real mayormente ≤ 300A), ha experimentado fallas similares en muchas ocasiones, lo que representa una amenaza para la operación confiable de la red eléctrica.
2. Principio de Funcionamiento de los Interruptores de Carga Neumáticos
El gabinete de red anular neumático se nombra así porque está equipado con un interruptor de carga neumático. Su varilla de contacto móvil también funciona como un cilindro de aire — la estructura hueca contiene un "émbolo" sellado, que es impulsado por el eje principal para realizar el movimiento lineal de cierre y apertura. Al abrir, el émbolo comprime rápidamente el aire en la varilla de contacto móvil (cilindro de aire), y el aire comprimido es soplado hacia el arco generado por la separación de los contactos de extinción de arco a través del orificio de plástico resistente al arco en la parte superior, extinguiendo el arco al estirarlo; el flujo de aire de alta velocidad restaura rápidamente la resistencia dieléctrica del medio en el punto de ruptura, evitando que el arco se reencienda.
Debido a la capacidad limitada del interruptor para interrumpir corrientes de falla (solo aplicable a sistemas por debajo de 35kV), se adopta un esquema de diseño de "separar el elemento conductor del elemento de ignición de arco":
Al abrir, la superficie exterior de la varilla de contacto móvil se separa primero de los contactos fijos, y luego el anillo de ignición de arco se separa de la varilla de ignición de arco. El arco se restringe a quemarse entre los componentes de ignición de arco, evitando daños a los contactos principales; la varilla de contacto móvil y el terminal inferior están conectados por contactos en forma de ciruela para garantizar la conducción eléctrica.
3. Análisis Profundo de las Causas de la Falla
(1) Investigación Preliminar (Factores Externos)
La corriente nominal diseñada de este tipo de interruptor es 630A, pero los datos de despacho muestran que la corriente de operación del interruptor de salida de la subestación es 283A, y la corriente teórica que pasa por el gabinete en el camino es ≤ 283A. Combinado con el entorno en el lugar (clima soleado, sin contaminación en el cuerpo del gabinete), se pueden excluir directamente factores externos como sobrecorriente, sobretensión y flashover por contaminación, y la falla se atribuye a defectos del propio gabinete.
(2) Verificación de Desmontaje y Pruebas
Después de desmontar el gabinete defectuoso, se especula inicialmente que "el mal contacto entre los contactos móviles y fijos lleva a sobrecalentamiento y combustión", pero no se puede llegar a una conclusión definitiva debido a los graves daños en el gabinete. Por lo tanto, se realiza una detección de muestreo en el mismo tipo de gabinetes en operación:
(3) Identificación de las Causas Raíz
Las pruebas integrales y el análisis estructural muestran que la falla se origina en el fallo del sistema de contactos, específicamente manifestado como:
4. Soluciones de Transformación y Optimización del Equipo
(1) Actualización de Procesos: Control Preciso de la Calidad de Contacto
Apuntando al problema central de "mal contacto", se realizan mejoras desde los extremos de material y procesamiento:
Selección de muelles: Adoptar muelles con alta resistencia a la fatiga para asegurar una fuerza de muelle estable dentro de la vida útil de diseño (incluyendo la condición de hacer y romper la corriente nominal), evitando problemas de contacto causados por el fallo de la muelle;
Procesamiento de contactos: Controlar estrictamente la precisión de procesamiento de la superficie arqueada y plana de los contactos en forma de ciruela para asegurar un ajuste completo con la superficie arqueada cilíndrica de la varilla de contacto móvil, eliminando los peligros ocultos de contacto lineal/puntual, y asegurando la capacidad de conducción de corriente y la conformidad de la elevación de temperatura de los contactos.
(2) Optimización de Diseño: Monitoreo de Condiciones de Todo el Proceso
Integrar la función de "monitoreo en línea" en el diseño estructural del gabinete para lograr una visualización del estado:
Ventana y sonda de medición de temperatura: Establecer una ventana de medición de temperatura conveniente, instalar una sonda de temperatura en el contacto fijo, y mostrar la temperatura de la parte de contacto dentro del gabinete en tiempo real a través del instrumento del panel;
Almacenamiento de datos y alerta temprana: Configurar equipos de almacenamiento para registrar datos de operación. Incluso si el equipo envejece, se pueden identificar situaciones anormales con anticipación a través del análisis de datos, desencadenando el proceso de reemplazo y mantenimiento, pasando de una reparación pasiva a un mantenimiento activo.
(3) Reforzamiento de Operación y Mantenimiento: Tratamiento Dinámico de Defectos
Para el equipo en operación, optimizar los métodos de operación y mantenimiento:
5. Escenarios de Aplicación y Recomendaciones de Desarrollo
Con el aumento del consumo de electricidad, las líneas principales de la red de distribución se actualizan a cables de gran sección de 300-400m², y la capacidad de las subestaciones continúa creciendo. Las deficiencias de capacidad de interrupción insuficiente y contactos vulnerables de los gabinetes neumáticos se vuelven cada vez más prominentes. Se recomienda que:
