Ubicación de Puntos de Riesgo y Tecnología de Control de Seguridad para Interruptores de Corriente de Alta Tensión SF₆

Echo

Campo: Análisis de transformadores

China

Los interruptores de alta tensión SF₆ son los equipos de conmutación más utilizados en subestaciones. La inspección y mantenimiento regular de estos equipos son cruciales para garantizar el funcionamiento estable del sistema eléctrico. Sin embargo, en el campo de mantenimiento de subestaciones, especialmente durante el mantenimiento de interruptores de alta tensión SF₆, existen numerosos puntos de peligro (como envenenamiento, descargas eléctricas, etc.), que amenazan seriamente la seguridad personal de los trabajadores. Basado en esto, este artículo analiza desde la perspectiva de la ubicación y las tecnologías de control de seguridad, con el objetivo de mejorar la seguridad de las operaciones de mantenimiento de subestaciones y reducir la tasa de accidentes.

1 Análisis de los principios de funcionamiento y características
1.1 Propiedades físicas y químicas del gas SF₆

La molécula de SF₆ está compuesta por un átomo de azufre y seis átomos de flúor, con un peso atómico de 146,06, 5,135 veces más pesada que el aire. A temperaturas inferiores a 150°C, el gas SF₆ exhibe una buena inercia química y no reacciona químicamente con metales comunes, plásticos y otros materiales presentes en los interruptores. Por lo tanto, se considera un gas incoloro, inodoro, no tóxico y transparente, no inflamable, que generalmente es difícil de descomponer (insoluble en aceite transformador y ligeramente soluble en agua). Sin embargo, a través de las operaciones de apertura y cierre de los interruptores, el gas SF₆ se descompone parcialmente bajo la acción de descargas y arcos, formando productos de descomposición en forma gaseosa o polvorienta, como fluoruros metálicos, SOF₂, SO₂F₄, etc., que son extremadamente perjudiciales para el cuerpo humano. Entre ellos, el gas SF₆ se descompone y disocia bajo la acción de arcos (moléculas con estructura poliatómica se descomponen en átomos individuales o gases de partículas cargadas), y los cambios internos aumentan su conductividad térmica y eléctrica.

1.2 Principio de funcionamiento de los interruptores de alta tensión SF₆

El interruptor SF₆ está compuesto por tres unidades de aisladores verticales de porcelana, cada una con una cámara de extinción de arco de soplado de gas. Este diseño hace que el interruptor sea compacto, mientras mantiene un buen rendimiento de aislamiento y extinción de arco. La cámara de extinción de arco de soplado de gas es el componente central del interruptor de alta tensión SF₆, y se llena con gas SF₆ a través de tuberías conectadas a las tres cámaras de extinción de arco. Cuando el interruptor se abre, el contacto controlable se separa del contacto fijo, generando un arco. En ese momento, el gas SF₆ en la cámara de extinción de arco sopla rápidamente hacia el arco a través de las tuberías, utilizando las propiedades de aislamiento y extinción de arco del gas para extinguir rápidamente el arco. Además, el mecanismo de operación de resorte y su equipo de control en una sola caja son componentes clave para impulsar y controlar el movimiento de los contactos del interruptor de alta tensión SF₆. Generalmente está compuesto por resortes, varillas, mecanismos de transmisión, microprocesadores o controladores lógicos programables. Cuando el interruptor necesita abrirse o cerrarse, el equipo de control emite una instrucción para que el mecanismo de operación de resorte actúe y haga mover el contacto móvil de manera correspondiente.

1.3 Características de rendimiento de los interruptores de alta tensión SF₆

En comparación con el aire y el aceite transformador, el gas SF₆ tiene las características de alta resistencia aislante, excelente rendimiento de extinción de arco y pequeño volumen, y tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de la energía eléctrica de alta tensión.

Efecto de bloqueo: Se aprovecha al máximo el efecto de soplado de arco del flujo de gas. La cámara de extinción de arco es de pequeño tamaño, simple en estructura, gran corriente de interrupción, tiempo de arco corto, sin reinicio cuando se interrumpe corriente capacitiva o inductiva, y baja sobretensión.
Larga vida útil eléctrica: Puede interrumpir 19 veces de manera continua a plena capacidad de 50kA, con una corriente de interrupción acumulada de 4200kA, ciclo de mantenimiento largo, y es adecuado para escenarios de operación frecuente.
Alta resistencia aislante: El gas SF₆ puede pasar diversas pruebas de aislamiento con un margen grande a 0,3MPa. Después de que la corriente de interrupción acumulada alcance 3000kA, cada punto de interrupción puede soportar un voltaje de red de 250kV durante 1 minuto a 0,3MPa, y aún puede soportar un voltaje de red de 166,4kV cuando la presión del gas SF₆ se reduce a cero presión manométrica.
Buena estanqueidad: El contenido de agua del gas SF₆ es relativamente bajo. La cámara de extinción de arco, resistencias y soportes pueden dividirse en compartimentos de gas independientes para prevenir que la suciedad y la humedad entren en el interior del interruptor.
Pequeña potencia de operación y amortiguación suave: La relación de transmisión entre el cilindro de trabajo del mecanismo y el contacto de extinción de arco es 1∶1, y el mecanismo tiene características estables. La estabilidad de las características del mecanismo puede alcanzar 3000 veces (10000 veces en el entorno de prueba), y el ruido de operación es inferior a 90dB.

2 Análisis de los puntos de peligro en los sitios de mantenimiento de subestaciones
2.1 Tipos y características de los puntos de peligro

Los puntos de peligro en los sitios de mantenimiento de subestaciones incluyen principalmente cuatro tipos: peligros eléctricos, mecánicos, químicos y factores ambientales. Estos puntos de peligro pueden amenazar directa o indirectamente la seguridad personal del personal de mantenimiento.

Peligros eléctricos: Causados por daños en el aislamiento del equipo o errores operativos, se manifiestan principalmente como alta tensión y arcos. Dado que el interruptor lleva alta tensión durante la operación y tiene efectos capacitivos e inductivos, pueden existir cargas residuales incluso cuando está en estado de circuito abierto, lo que puede causar lesiones por descargas eléctricas. Los arcos pueden generar altas temperaturas y provocar incendios.
Peligros mecánicos: Los peligros provienen principalmente de los componentes mecánicos del equipo. Si no se opera y mantiene adecuadamente, uno puede ser aplastado o golpeado por partes rotativas o móviles.
Peligros químicos: El gas SF₆ es estable a temperatura ambiente, pero comienza a descomponerse bajo la acción de arcos, coronas, etc. Inhalar el gas generado puede causar mareos, edema pulmonar o incluso la muerte.
Peligros ambientales: Realizar el mantenimiento en condiciones meteorológicas como tormentas y vientos fuertes no solo aumenta la dificultad del trabajo de mantenimiento, sino que también trae riesgos incontrolables al personal de mantenimiento. Además, problemas como la mala ventilación y el espacio reducido en el entorno de mantenimiento también pueden aumentar el peligro del mantenimiento en el sitio.

2.2 Análisis de las causas de los puntos de peligro
Las causas de los puntos de peligro en los sitios de mantenimiento de subestaciones incluyen principalmente factores relacionados con el equipo, humanos y ambientales. Con el aumento del número de operaciones de mantenimiento, el grado de desgaste del equipo aumenta, lo que lleva a un declive en el rendimiento eléctrico y un mayor riesgo de accidentes.
Debido a la calidad desigual del personal de mantenimiento, algunos carecen de suficiente comprensión de la estructura y los principios de funcionamiento del equipo, y pueden ser negligentes durante las operaciones reales. Por ejemplo, debido a la falta de suficiente vigilancia, el personal puede tocar accidentalmente partes en vivo o usar herramientas inadecuadamente, lo que puede desencadenar directamente accidentes de seguridad.
Para los interruptores de SF₆, los peligros provienen principalmente de sus propiedades químicas. Las sustancias tóxicas generadas bajo condiciones específicas tienden a acumularse en interiores debido a limitaciones ambientales, lo que aumenta aún más el nivel de peligro.

3 Ubicación de puntos de peligro y tecnologías de control de seguridad
3.1 Métodos de localización de puntos de peligro

Tecnología de sensado óptico de fibra: La tecnología de sensado óptico de fibra tiene excelentes propiedades de aislamiento y resistencia a la interferencia electromagnética. Puede monitorear eficazmente la salud estructural y los parámetros eléctricos de los interruptores de SF₆, recopilar y analizar datos en tiempo real, y detectar oportunamente fallas potenciales y peligros de seguridad.
Red de sensores inalámbricos: Una red de sensores inalámbricos está compuesta por un gran número de nodos de sensores. Su propósito principal es monitorear en tiempo real los parámetros ambientales, el estado del equipo y la información de ubicación del personal de mantenimiento. La red tiene las características de autoorganización, autoadaptación y resistencia a la interferencia, y puede adaptarse a las condiciones ambientales complejas y cambiantes en el sitio, realizando monitoreo y localización de puntos de peligro en tiempo real.
Tecnología de visión por computadora e imagen térmica infrarroja: La tecnología de visión por computadora puede identificar y localizar puntos de peligro potenciales, como cables expuestos y equipos dañados, capturando y analizando imágenes en el sitio; mientras que la imagen térmica infrarroja puede monitorear la distribución de temperatura del equipo en tiempo real y localizar con precisión puntos de falla y riesgos potenciales.

3.2 Modelo predictivo de puntos de peligro basado en análisis de datos

Actualmente, la inteligencia, digitalización, automatización e integración son las principales tendencias de la red eléctrica de China, y la aplicación de tecnologías de inteligencia artificial y big data ha acelerado este proceso de desarrollo. Durante el mantenimiento de los interruptores de SF₆, se establece un modelo predictivo de puntos de peligro basado en el análisis de datos, que主要包括四个步骤：数据收集、数据预处理、特征工程和模型训练。 1. 数据收集：通过各种传感器、监控设备的操作记录等获取。为了提高模型的准确性，应尽可能多地收集大量全面的数据。 2. 数据预处理：对原始数据进行预处理（异常值检测与处理、数据转换等），以提高数据质量，为后续的特征工程和模型训练打下基础。 3. 特征工程：在预处理完成后，需要从大量数据中选择对危险点预测有用的特征。这些特征应具有良好的区分性和预测能力，以提高模型的准确性。 4. 模型训练：支持向量机（SVM）是一种常用的分类和回归分析方法，通过寻找最优超平面来分离不同类别的数据，最大化两类数据之间的分类间隔。 **3.3 安全控制技术策略** 为了提高定位技术的准确性和实用性，应利用大数据和人工智能技术，应用机器学习算法智能识别和预测变电站维护现场的危险点，为维护人员提供更准确的位置信息，降低事故风险。在变电站维护现场，应融合各种传感器的数据，提高定位精度和模型准确性。应用增强现实（AR）技术，将虚拟信息与现实世界结合，使维护人员更好地理解设备结构，从而解决操作错误的问题。相关方应加强现场维护工作的管理，严格遵守维护操作规程（见图1）。同时，开发智能可穿戴设备，实时获取维护人员的位置信息并进行实时监控，确保安全。 **4 结论** 在变电站维护现场，准确识别和定位危险点是确保SF₆断路器维护现场安全的关键。通过对SF₆断路器的工作原理和特性的深入研究，发现化学因素是其维护过程中不可忽视的主要危险点。为了有效应对风险，应使用新技术、新理念和新方法进行事前预防，提前预测潜在风险，并为维护人员提供预警信息，确保维护作业顺利进行。

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