Análise de Falha por Curto-Circuito em Interruptor de Carga do Tipo Puffer de 10kV
1. Visão Geral da Falha
Em junho de 2013, ocorreu uma falha em um disjuntor de alta tensão em operação em uma certa área urbana, causando o disparo de uma linha de 10kV. A investigação no local revelou que o disjuntor com falha era um disjuntor de carga de alta tensão em anel pneumático (tipo HXGN2-10), e a característica da falha foi um curto-circuito de arco trifásico. Após isolar a falha e restaurar o fornecimento de energia aos usuários, deve-se notar que o mesmo tipo de disjuntor nesta área, que entrou em operação entre 1999 e 2000 (com um período de operação superior a 12 anos, corrente nominal projetada de 630A e corrente de operação real principalmente ≤ 300A), já experimentou falhas semelhantes muitas vezes, representando uma ameaça à operação confiável da rede elétrica.
2. Princípio de Funcionamento dos Disjuntores de Carga Pneumáticos
O gabinete em anel é nomeado por estar equipado com um disjuntor de carga pneumático. Seu contato móvel também funciona como um cilindro de ar — a estrutura oca contém um "pistão" selado, que é acionado pelo eixo principal para realizar o movimento linear de fechamento e abertura. Ao abrir, o pistão comprime rapidamente o ar no contato móvel (cilindro de ar), e o ar comprimido é soprado em direção ao arco gerado pela separação dos contatos de extinção do arco através de um bocal de plástico resistente a arcos na parte superior, extinguindo o arco por estiramento; o fluxo de ar de alta velocidade restaura rapidamente a resistência dielétrica do meio na interrupção, impedindo a reacendência do arco.
Devido à capacidade limitada do disjuntor de interromper correntes de falha (apenas aplicável a sistemas abaixo de 35kV), um esquema de projeto de "separação do elemento condutor do elemento de ignição de arco" é adotado:
Ao abrir, a superfície externa do contato móvel primeiro se separa dos contatos estáticos, e então o anel de ignição de arco se separa da vareta de ignição de arco. O arco é restrito a queimar entre os componentes de ignição de arco, evitando danos aos contatos principais; o contato móvel e o terminal inferior são conectados por contatos em forma de pêssego para garantir a condução elétrica.
3. Análise Profunda das Causas da Falha
(1) Investigação Preliminar (Fatores Externos)
A corrente nominal projetada deste tipo de disjuntor é de 630A, mas os dados de despacho mostram que a corrente de operação do disjuntor de saída da subestação é de 283A, e a corrente teórica passando pelo gabinete no caminho é ≤ 283A. Combinado com o ambiente no local (tempo ensolarado, sem poluição no corpo do gabinete), fatores externos como sobrecorrente, sobretensão e flashover por poluição podem ser excluídos diretamente, e a falha é atribuída a defeitos no próprio gabinete.
(2) Verificação por Desmontagem e Teste
Após desmontar o gabinete com falha, especula-se inicialmente que "contato ruim entre os contatos móveis e estáticos leva a superaquecimento e queima", mas não pode ser tirada uma conclusão definitiva devido ao dano severo ao gabinete. Portanto, é realizada uma amostragem e detecção em gabinetes do mesmo tipo em operação:
(3) Identificação das Causas Raiz
Testes abrangentes e análise estrutural mostram que a falha origina-se do fracasso do sistema de contatos, especificamente manifestado como:
4. Soluções de Transformação e Otimização de Equipamentos
(1) Atualização de Processo: Controle Preciso da Qualidade do Contato
Visando o problema central de "contato ruim", são feitas melhorias nos materiais e processamento:
Seleção de molas: Adotar molas com alta resistência à fadiga para garantir força de mola estável dentro da vida útil projetada (incluindo a condição de fazer e quebrar a corrente nominal), evitando problemas de contato causados pelo falha da mola;
Processamento de contatos: Controlar rigorosamente a precisão do processamento da superfície de arco e plano dos contatos em forma de pêssego para garantir ajuste perfeito com a superfície de arco cilíndrica da haste móvel, eliminando os riscos de contato linear/ponto e garantindo a capacidade de condução de corrente e conformidade de elevação de temperatura dos contatos.
(2) Otimização de Design: Monitoramento de Condição em Tempo Integral
Integrar a função de "monitoramento online" no design estrutural do gabinete para alcançar visualização do estado:
Janela e sonda de medição de temperatura: Estabelecer uma janela de medição de temperatura conveniente, instalar uma sonda de temperatura no contato estático e exibir a temperatura da parte de contato dentro do gabinete em tempo real através do painel de instrumentos;
Armazenamento de dados e alerta antecipado: Configurar equipamento de armazenamento para registrar dados de operação. Mesmo que o equipamento envelheça, situações anormais podem ser identificadas antecipadamente através da análise de dados, acionando o processo de substituição e manutenção, mudando de reparo passivo para operação e manutenção ativa.
(3) Fortalecimento de Operação e Manutenção: Tratamento Dinâmico de Defeitos
Para os equipamentos em operação, otimizar os métodos de operação e manutenção:
5. Cenários de Aplicação e Sugestões de Desenvolvimento
Com o aumento do consumo de eletricidade, as linhas principais da rede de distribuição são atualizadas para cabos de grande seção transversal de 300-400m², e a capacidade das subestações continua a crescer. As deficiências de capacidade de interrupção insuficiente e contatos vulneráveis dos gabinetes pneumáticos estão se tornando cada vez mais proeminentes. Recomenda-se:
