Os disjuntores de SF₆ de alta tensão são os equipamentos de comutação mais amplamente utilizados em subestações. A inspeção e manutenção regulares deles são cruciais para garantir o funcionamento estável do sistema de energia. No entanto, no campo de manutenção de subestações, especialmente durante a manutenção de disjuntores de SF₆ de alta tensão, existem numerosos pontos de perigo (como intoxicação, choque elétrico, etc.), que ameaçam seriamente a segurança pessoal dos trabalhadores. Com base nisso, este artigo analisa a partir da perspectiva de localização e tecnologias de controle de segurança, visando melhorar a segurança das operações de manutenção de subestações e reduzir a taxa de acidentes.
1 Análise dos Princípios de Funcionamento e Características
1.1 Propriedades Físicas e Químicas do Gás SF₆
A molécula de SF₆ é composta por um átomo de enxofre e seis átomos de flúor, com um peso atômico de 146,06, 5,135 vezes mais pesado que o ar. Abaixo de 150°C, o gás SF₆ exibe boa inércia química e não reage quimicamente com metais comuns, plásticos e outros materiais nos disjuntores. Portanto, é considerado um gás incolor, inodoro, não tóxico e não inflamável, geralmente difícil de decompor (insolúvel no óleo do transformador e pouco solúvel em água). No entanto, através das operações de abertura e fechamento dos interruptores, o gás SF₆ sofre uma decomposição parcial sob a ação de descargas e arcos, formando produtos de decomposição em estado gasoso ou em pó, como fluoruros metálicos, SOF₂, SO₂F₄, etc., que são extremamente prejudiciais ao corpo humano. Entre eles, o gás SF₆ se descompõe e se dissocia sob a ação de arcos (moléculas com estrutura poliatômica se descompõem em átomos individuais ou gases de partículas carregadas), e as mudanças internas aumentam sua condutividade térmica e elétrica.
1.2 Princípio de Funcionamento dos Disjuntores de SF₆ de Alta Tensão
O disjuntor de SF₆ é composto por três unidades de isoladores cerâmicos verticais, cada uma com uma câmara de extinção de arco a gás. Este design torna o disjuntor compacto, enquanto mantém boas propriedades de isolamento e extinção de arco. A câmara de extinção de arco a gás é o componente central do disjuntor de SF₆ de alta tensão, e é preenchida com gás SF₆ através de tubos conectados às três câmaras de extinção de arco. Quando o disjuntor é aberto, o contato controlável se separa do contato fixo, gerando um arco. Neste momento, o gás SF₆ na câmara de extinção de arco sopra rapidamente em direção ao arco através dos tubos, utilizando as propriedades de isolamento e extinção de arco do gás para extinguir rapidamente o arco. Além disso, o mecanismo de operação a mola e seu equipamento de controle unidirecional são componentes-chave para impulsionar e controlar o movimento dos contatos do disjuntor de SF₆ de alta tensão. Geralmente, é composto por molas, hastes, mecanismos de transmissão, microprocessadores ou controladores lógicos programáveis. Quando o disjuntor precisa ser aberto ou fechado, o equipamento de controle emite uma instrução para que o mecanismo de operação a mola atue e impulsiona o contato móvel a se mover conforme necessário.
1.3 Características de Desempenho dos Disjuntores de SF₆ de Alta Tensão
Em comparação com o ar e o óleo do transformador, o gás SF₆ possui características de alta resistência dielétrica, excelente desempenho de extinção de arco e pequeno volume, e tem amplo potencial de aplicação no campo de energia de alta tensão.
- Efeito de bloqueio: Ele aproveita plenamente o efeito de sopro de arco do fluxo de gás. A câmara de extinção de arco é de pequeno tamanho, simples de estrutura, grande corrente de interrupção, curto tempo de arco, sem reacendimento ao interromper correntes capacitivas ou indutivas, e baixa sobretensão.
- Vida útil elétrica longa: Pode interromper 19 vezes em capacidade total de 50kA, com corrente de interrupção acumulada de 4200kA, ciclo de manutenção longo, e é adequado para cenários de operação frequente.
- Alta resistência dielétrica: O gás SF₆ pode passar por vários testes de isolamento com grande margem sob 0,3MPa. Após a corrente de interrupção acumulada atingir 3000kA, cada ponto de interrupção pode suportar uma tensão de rede de 250kV em 1 minuto sob 0,3MPa, e ainda pode suportar uma tensão de rede de 166,4kV quando a pressão do gás SF₆ é reduzida a zero pressão manométrica.
- Boa vedação: O conteúdo de água do gás SF₆ é relativamente baixo. A câmara de extinção de arco, resistências e suportes podem ser divididos em compartimentos de gás independentes para evitar a entrada de sujeira e umidade no interior do disjuntor.
- Baixa potência de operação e amortecimento suave: A razão de transmissão entre o cilindro de trabalho do mecanismo e o contato de extinção de arco é de 1:1, e o mecanismo possui características estáveis. A estabilidade das características do mecanismo pode chegar a 3000 vezes (10000 vezes no ambiente de teste), e o ruído de operação é inferior a 90dB.
2 Análise dos Pontos de Perigo nos Locais de Manutenção de Subestações
2.1 Tipos e Características dos Pontos de Perigo
Os pontos de perigo nos locais de manutenção de subestações incluem principalmente quatro tipos: perigos elétricos, perigos mecânicos, perigos químicos e fatores ambientais. Esses pontos de perigo podem ameaçar diretamente ou indiretamente a segurança pessoal dos técnicos de manutenção.
- Perigos elétricos: Causados por danos na isolação do equipamento ou erros operacionais, manifestados principalmente como alta tensão e arcos. Como o disjuntor carrega alta tensão durante a operação e tem efeitos capacitivos e indutivos, cargas residuais podem ainda existir mesmo quando está no estado de circuito aberto, levando a lesões por choque elétrico. Arcos podem gerar altas temperaturas e causar incêndios.
- Perigos mecânicos: Os perigos vêm principalmente dos componentes mecânicos do equipamento. Se não forem operados e mantidos adequadamente, podem esmagar ou bater em partes rotativas ou móveis.
- Perigos químicos: O gás SF₆ é estável à temperatura ambiente, mas começa a se decompor sob a ação de arcos, corona, etc. Inalar o gás gerado pode causar tontura, edema pulmonar ou até a morte.
- Perigos ambientais: Realizar a manutenção em condições climáticas como tempestades e ventos fortes não apenas aumenta a dificuldade do trabalho de manutenção, mas também traz riscos imprevisíveis aos técnicos de manutenção. Além disso, problemas como ventilação inadequada e espaço pequeno no ambiente de manutenção também podem aumentar o perigo da manutenção no local.
2.2 Análise das Causas dos Pontos de Perigo
As causas dos pontos de perigo nos locais de manutenção de subestações incluem principalmente fatores relacionados ao equipamento, fatores humanos e fatores ambientais. Com o aumento no número de operações de manutenção, o grau de desgaste do equipamento aumenta, resultando em declínio do desempenho elétrico e maior risco de acidentes.
Devido à qualidade desigual dos técnicos de manutenção, alguns deles podem ter uma compreensão insuficiente da estrutura e dos princípios de funcionamento do equipamento, e podem ser negligentes durante as operações reais. Por exemplo, devido à falta de vigilância suficiente, os técnicos podem tocar acidentalmente partes energizadas ou usar ferramentas inadequadamente, o que pode desencadear diretamente acidentes de segurança.
Para os disjuntores de SF₆, os perigos derivam principalmente de suas propriedades químicas. As substâncias tóxicas geradas em condições específicas tendem a se acumular em ambientes internos devido a limitações ambientais, aumentando ainda mais o nível de perigo.
3 Localização de Pontos de Perigo e Tecnologias de Controle de Segurança
3.1 Métodos de Localização de Pontos de Perigo
- Tecnologia de sensores de fibra ótica: A tecnologia de sensores de fibra ótica possui excelente desempenho de isolamento e resistência a interferências eletromagnéticas. Pode monitorar efetivamente a saúde estrutural e os parâmetros elétricos dos disjuntores de SF₆, coletar e analisar dados em tempo real, e detectar prontamente falhas potenciais e riscos de segurança.
- Rede de sensores sem fio: Uma rede de sensores sem fio é composta por um grande número de nós de sensores. Seu principal objetivo é monitorar parâmetros ambientais, status do equipamento e informações de localização dos técnicos de manutenção em tempo real. A rede possui características de auto-organização, auto-adaptação e resistência a interferências, podendo se adaptar a condições ambientais complexas e mutáveis no local, realizando monitoramento e localização de pontos de perigo em tempo real.
- Visão computacional e tecnologia de termografia infravermelha: A tecnologia de visão computacional pode identificar e localizar pontos de perigo potenciais, como cabos expostos e equipamentos danificados, capturando e analisando imagens no local; enquanto a tecnologia de termografia infravermelha pode monitorar a distribuição de temperatura do equipamento em tempo real e localizar precisamente pontos de falha e riscos potenciais.
3.2 Modelo de Previsão de Pontos de Perigo Baseado em Análise de Dados
Atualmente, inteligência, digitalização, automação e integração são as principais tendências da rede elétrica da China, e a aplicação de tecnologias de inteligência artificial e big data acelerou esse processo de desenvolvimento. Durante a manutenção de disjuntores de SF₆, um modelo de previsão de pontos de perigo baseado em análise de dados é estabelecido, que inclui principalmente quatro etapas: coleta de dados, pré-processamento de dados, engenharia de recursos e treinamento de modelo.
- Coleta de dados: Obtida através de diversos sensores, registros de operação de equipamentos de monitoramento, etc. Para melhorar a precisão do modelo, deve-se coletar a maior quantidade possível de dados abrangentes.
- Pré-processamento de dados: Pré-processar os dados originais (detecção e tratamento de outliers, transformação de dados, etc.) para melhorar a qualidade dos dados e preparar o terreno para a engenharia de recursos e o treinamento do modelo subsequentes.
- Engenharia de recursos: Após o pré-processamento, é necessário selecionar recursos úteis para a previsão de pontos de perigo a partir de uma grande quantidade de dados. Esses recursos devem ter boa discriminatividade e capacidade preditiva para melhorar a precisão do modelo.
- Treinamento de modelo: SVM (Support Vector Machine) é um método de análise de classificação e regressão comumente utilizado. Ele separa diferentes categorias de dados encontrando o hiperplano ótimo, maximizando o intervalo de classificação entre os dois tipos de dados.
3.3 Estratégias de Tecnologias de Controle de Segurança
Para melhorar a precisão e a praticidade das tecnologias de localização, devem ser utilizadas tecnologias de big data e inteligência artificial, e algoritmos de aprendizado de máquina devem ser aplicados para identificar e prever inteligentemente pontos de perigo nos locais de manutenção de subestações, fornecendo informações de localização mais precisas para os técnicos de manutenção e reduzindo o risco de acidentes. Nos locais de manutenção de subestações, os dados de diversos sensores devem ser fundidos para melhorar a precisão da localização e a precisão do modelo. A aplicação de tecnologia de realidade aumentada (AR), que integra informações virtuais com o mundo real, pode permitir que os técnicos de manutenção entendam melhor a estrutura do equipamento e, assim, resolvam o problema de erros operacionais. As partes interessadas devem fortalecer a gestão do trabalho de manutenção no local e seguir rigorosamente os procedimentos operacionais de manutenção (veja a Figura 1). Ao mesmo tempo, desenvolver dispositivos vestíveis inteligentes para os técnicos de manutenção para obter suas informações de localização em tempo real e monitorá-los em tempo real para garantir a segurança.
4 Conclusão
Nos locais de manutenção de subestações, a identificação e localização precisas dos pontos de perigo são a chave para garantir a segurança dos locais de manutenção de disjuntores de SF₆. Através de uma pesquisa aprofundada sobre os princípios de funcionamento e as características dos disjuntores de SF₆, descobriu-se que os fatores químicos são os principais pontos de perigo não negligenciáveis durante o processo de manutenção. Para lidar efetivamente com os riscos, novas tecnologias, novos conceitos e novos métodos devem ser usados para prevenção antes do evento, prever riscos potenciais antecipadamente e fornecer informações de alerta precoce para os técnicos de manutenção, garantindo o progresso suave das operações de manutenção.
