I interruttori ad alta tensione a SF₆ sono i dispositivi di commutazione più ampiamente utilizzati nelle sottostazioni. L'ispezione e la manutenzione regolare di questi dispositivi sono cruciali per garantire il funzionamento stabile del sistema elettrico. Tuttavia, nel campo della manutenzione delle sottostazioni, specialmente durante la manutenzione degli interruttori ad alta tensione a SF₆, esistono numerosi punti critici (come l'avvelenamento, la scossa elettrica, ecc.), che minacciano seriamente la sicurezza personale degli operai. Basandosi su ciò, questo articolo analizza dal punto di vista della localizzazione e delle tecnologie di controllo della sicurezza, con l'obiettivo di migliorare la sicurezza delle operazioni di manutenzione delle sottostazioni e ridurre il tasso di incidenti.
1 Analisi dei principi di funzionamento e caratteristiche
1.1 Proprietà fisiche e chimiche del gas SF₆
La molecola di SF₆ è composta da un atomo di zolfo e sei atomi di fluoro, con un peso atomico di 146,06, 5,135 volte più pesante dell'aria. Sotto i 150°C, il gas SF₆ presenta una buona inerzia chimica e non reagisce chimicamente con metalli comuni, plastica e altri materiali presenti negli interruttori. Pertanto, è considerato un gas incolore, inodore, non tossico e trasparente, non infiammabile, generalmente difficile da decomporre (non solubile nell'olio del trasformatore e scarsamente solubile in acqua). Tuttavia, attraverso le operazioni di apertura e chiusura degli interruttori, il gas SF₆ subisce una parziale decomposizione sotto l'azione di scariche e archi, formando prodotti di decomposizione in forma gassosa o polverosa, come fluoruri metallici, SOF₂, SO₂F₄, ecc., estremamente dannosi per l'organismo umano. In particolare, il gas SF₆ si decompone e dissoci sotto l'azione degli archi (le molecole con struttura poliatomica si decompongono in atomi singoli o gas di particelle cariche), e i cambiamenti interni aumentano la sua conduttività termica ed elettrica.
1.2 Principio di funzionamento degli interruttori ad alta tensione a SF₆
L'interruttore a SF₆ è composto da tre unità di isolatori in porcellana verticali, ciascuna dotata di una camera di spegnimento ad arco a soffiatura di gas. Questo design rende l'interruttore compatto, pur mantenendo ottime prestazioni di isolamento e spegnimento dell'arco. La camera di spegnimento ad arco a soffiatura di gas è il componente chiave dell'interruttore ad alta tensione a SF₆, ed è riempita con gas SF₆ tramite tubi collegati alle tre camere di spegnimento. Quando l'interruttore viene aperto, il contatto mobile si separa dal contatto fisso, generando un arco. In questo momento, il gas SF₆ nella camera di spegnimento soffia rapidamente verso l'arco attraverso i tubi, utilizzando le proprietà isolanti e di spegnimento dell'arco del gas per estinguere rapidamente l'arco. Inoltre, il meccanismo di azionamento a molla e l'equipaggiamento di controllo monoscocca sono componenti chiave per guidare e controllare il movimento dei contatti dell'interruttore ad alta tensione a SF₆. È solitamente composto da molle, bielle, meccanismi di trasmissione, microprocessori o controller logici programmabili. Quando l'interruttore deve essere aperto o chiuso, l'equipaggiamento di controllo emette un comando per far agire il meccanismo di azionamento a molla e muovere di conseguenza il contatto mobile.
1.3 Caratteristiche delle prestazioni degli interruttori ad alta tensione a SF₆
A confronto con l'aria e l'olio del trasformatore, il gas SF₆ ha caratteristiche di elevata resistenza dielettrica, ottima capacità di spegnimento dell'arco e piccolo volume, e ha ampie prospettive di applicazione nel campo dell'elettricità ad alta tensione.
- Effetto di blocco: sfrutta appieno l'effetto di soffiatura dell'arco del flusso di gas. La camera di spegnimento è di piccole dimensioni, semplice nella struttura, con corrente di interruzione elevata, tempo di arco breve, nessun riacceso quando si interrompe corrente capacitiva o induttiva, e bassa sovratensione.
- Lunga vita elettrica: può interrompere 19 volte consecutivamente a piena capacità di 50kA, con una corrente di interruzione cumulativa di 4200kA, ciclo di manutenzione lungo, e adatto a scenari con frequenti operazioni.
- Alta resistenza dielettrica: il gas SF₆ può superare vari test di isolamento con un margine ampio a 0,3MPa. Dopo che la corrente di interruzione cumulativa raggiunge 3000kA, ogni punto di interruzione può resistere a una tensione di rete di 250kV entro 1 minuto a 0,3MPa, e può ancora resistere a una tensione di rete di 166,4kV quando la pressione del gas SF₆ si riduce a zero pressione indicata.
- Ottima tenuta stagna: il contenuto di acqua del gas SF₆ è relativamente basso. La camera di spegnimento, i resistori e i supporti possono essere suddivisi in compartimenti gas indipendenti per prevenire l'ingresso di sporco e umidità all'interno dell'interruttore.
- Bassa potenza di funzionamento e smorzamento morbido: il rapporto di trasmissione tra il cilindro di lavoro del meccanismo e il contatto di spegnimento è 1:1, e il meccanismo ha caratteristiche stabili. La stabilità delle caratteristiche del meccanismo può raggiungere 3000 cicli (10000 cicli in ambiente di prova), e il rumore di funzionamento è inferiore a 90dB.
2 Analisi dei punti critici nei siti di manutenzione delle sottostazioni
2.1 Tipi e caratteristiche dei punti critici
I punti critici nei siti di manutenzione delle sottostazioni includono principalmente quattro tipi: rischi elettrici, rischi meccanici, rischi chimici e fattori ambientali. Questi punti critici possono minacciare direttamente o indirettamente la sicurezza personale del personale di manutenzione.
- Rischi elettrici: causati da danni all'isolamento degli apparecchi o da errori di operazione, manifestandosi principalmente come alta tensione e archi. Poiché l'interruttore porta alta tensione durante l'operazione e ha effetti capacitivi e induttivi, potrebbero esserci ancora cariche residue anche nello stato di circuito aperto, causando lesioni da scosse elettriche. Gli archi possono generare alte temperature e causare incendi.
- Rischi meccanici: i rischi provengono principalmente dai componenti meccanici degli apparecchi. Se non vengono operati e mantenuti correttamente, si può essere schiacciati o urtati da parti rotanti o mobili.
- Rischi chimici: il gas SF₆ è stabile a temperatura ambiente, ma inizia a decomporre sotto l'azione di archi, corona, ecc. Inspirare il gas generato può causare capogiri, edema polmonare o addirittura la morte.
- Rischi ambientali: eseguire la manutenzione in condizioni meteorologiche come temporali e venti forti non solo aumenta la difficoltà del lavoro di manutenzione, ma porta anche rischi imprevedibili al personale di manutenzione. Inoltre, problemi come cattiva ventilazione e spazio ridotto nell'ambiente di manutenzione possono aumentare il pericolo della manutenzione sul sito.
2.2 Analisi delle cause dei punti critici
Le cause dei punti critici nei siti di manutenzione delle sottostazioni includono principalmente fattori legati agli apparecchi, ai fattori umani e ambientali. Con l'aumento del numero di operazioni di manutenzione, aumenta il grado di usura degli apparecchi, portando a un declino delle prestazioni elettriche e a un rischio maggiore di incidenti.
A causa della qualità disuguale del personale di manutenzione, alcuni di loro mancano di una sufficiente comprensione della struttura e dei principi di funzionamento degli apparecchi, e potrebbero essere negligenti durante le operazioni reali. Ad esempio, a causa di una mancanza di sufficiente vigilanza, il personale potrebbe accidentalmente toccare parti attive o utilizzare gli strumenti in modo inappropriato, che potrebbe scatenare direttamente incidenti di sicurezza.
Per gli interruttori a SF₆, i rischi derivano principalmente dalle loro proprietà chimiche. Le sostanze tossiche generate in condizioni specifiche tendono ad accumularsi all'interno a causa delle limitazioni ambientali, aumentando ulteriormente il livello di pericolo.
3 Localizzazione dei punti critici e tecnologie di controllo della sicurezza
3.1 Metodi di localizzazione dei punti critici
- Tecnologia di sensori ottici: la tecnologia di sensori ottici ha eccellenti proprietà di isolamento e resistenza all'interferenza elettromagnetica. Può monitorare efficacemente la salute strutturale e i parametri elettrici degli interruttori a SF₆, raccogliere e analizzare i dati in tempo reale, e individuare prontamente eventuali guasti e pericoli di sicurezza.
- Rete di sensori wireless: una rete di sensori wireless è composta da un gran numero di nodi di sensori. Il suo scopo principale è monitorare in tempo reale i parametri ambientali, lo stato degli apparecchi e le informazioni sulla posizione del personale di manutenzione. La rete ha le caratteristiche di autorganizzazione, autoadattabilità e resistenza all'interferenza, e può adattarsi alle condizioni ambientali complesse e mutevoli sul sito, realizzando il monitoraggio e la localizzazione in tempo reale dei punti critici.
- Tecnologia di visione artificiale e termografia infrarossa: la tecnologia di visione artificiale può identificare e localizzare i punti critici potenziali, come cavi esposti e apparecchi danneggiati, acquisendo e analizzando immagini sul sito; mentre la termografia infrarossa può monitorare la distribuzione della temperatura degli apparecchi in tempo reale e localizzare con precisione i punti di guasto e i punti di rischio potenziale.
3.2 Modello predittivo dei punti critici basato sull'analisi dei dati
Attualmente, l'intelligenza, la digitalizzazione, l'automazione e l'integrazione sono le principali tendenze della rete elettrica cinese, e l'applicazione di tecnologie di intelligenza artificiale e big data ha accelerato questo processo di sviluppo. Durante la manutenzione degli interruttori a SF₆, viene stabilito un modello predittivo dei punti critici basato sull'analisi dei dati, che include principalmente quattro passaggi: raccolta dei dati, preprocessing dei dati, ingegneria delle caratteristiche e addestramento del modello.
- Raccolta dei dati: ottenuta attraverso vari sensori, registrazioni operative di apparecchi di monitoraggio, ecc. Per migliorare l'accuratezza del modello, dovrebbero essere raccolti quanti più dati complessivi possibile.
- Preprocessing dei dati: preprocessare i dati originali (rilevamento e trattamento degli outlier, trasformazione dei dati, ecc.) per migliorare la qualità dei dati e preparare la base per l'ingegneria delle caratteristiche e l'addestramento del modello successivi.
- Ingegneria delle caratteristiche: dopo il completamento del preprocessing, è necessario selezionare caratteristiche utili per la predizione dei punti critici da un grande volume di dati. Queste caratteristiche dovrebbero avere una buona discriminazione e capacità predittiva per migliorare l'accuratezza del modello.
- Addestramento del modello: la SVM (Support Vector Machine) è un metodo di analisi di classificazione e regressione comunemente utilizzato. Separa i dati di diverse categorie trovando l'iperpiano ottimale, massimizzando l'intervallo di classificazione tra i due tipi di dati.
3.3 Strategie di tecnologie di controllo della sicurezza
Per migliorare l'accuratezza e la praticità delle tecnologie di localizzazione, dovrebbero essere utilizzate tecnologie di big data e intelligenza artificiale, e dovrebbero essere applicati algoritmi di apprendimento automatico per identificare e prevedere intelligentemente i punti critici nei siti di manutenzione delle sottostazioni, fornendo informazioni di localizzazione più accurate al personale di manutenzione e riducendo il rischio di incidenti. Nei siti di manutenzione delle sottostazioni, i dati provenienti da vari sensori dovrebbero essere fusi per migliorare l'accuratezza della localizzazione e del modello. Applicando la tecnologia di realtà aumentata (AR), che integra informazioni virtuali con il mondo reale, si può permettere al personale di manutenzione di comprendere meglio la struttura degli apparecchi e quindi risolvere il problema degli errori operativi. Le parti interessate dovrebbero rafforzare la gestione del lavoro di manutenzione sul sito e seguire rigorosamente le procedure operative per la manutenzione (vedi Figura 1). Allo stesso tempo, dovrebbero essere sviluppati dispositivi indossabili intelligenti per il personale di manutenzione per ottenere in tempo reale le informazioni sulla loro posizione e monitorarli in tempo reale per garantire la sicurezza.
4 Conclusione
Nei siti di manutenzione delle sottostazioni, l'identificazione e la localizzazione accurata dei punti critici è la chiave per garantire la sicurezza dei siti di manutenzione degli interruttori a SF₆. Attraverso una ricerca approfondita sui principi di funzionamento e le caratteristiche degli interruttori a SF₆, si è scoperto che i fattori chimici sono i principali punti critici non trascurabili durante il processo di manutenzione. Per affrontare efficacemente i rischi, dovrebbero essere utilizzate nuove tecnologie, nuovi concetti e nuovi metodi per la prevenzione preventiva, prevedendo i rischi potenziali in anticipo e fornendo informazioni di allarme anticipato al personale di manutenzione per assicurare il regolare svolgimento delle operazioni di manutenzione.
