Análise e Melhoria do Sobreaquecimento da Bobina de Fechamento Causado pela Falha de Armazenamento de Energia do Disjuntor SF6 de Alta Tensão

Os disjuntores de SF₆ de alta tensão são equipamentos elétricos de alta tensão para exterior trifásicos de 50Hz. Eles adotam uma estrutura de câmara autônoma de extinção do arco e são equipados com mecanismos de operação por mola. Esses disjuntores apresentam uma estrutura simples, operação conveniente e alta segurança e confiabilidade. Portanto, são amplamente utilizados para o controle e proteção de linhas de transmissão e distribuição e também podem servir como disjuntores de ligação.

O sistema de 110kV de uma certa subestação emprega esse tipo de disjuntor. No entanto, à medida que aumentam os anos de operação, as imperfeições no circuito secundário gradualmente se tornam evidentes. Em particular, falhas onde a bobina de fechamento é queimada devido a problemas no circuito de armazenamento de energia ocorrem frequentemente. Este artigo toma um caso especial de falha que ocorreu durante a operação desse tipo de disjuntor como exemplo para realizar uma análise e propor medidas de melhoria correspondentes.

1 Fenômeno da Falha

O disjuntor SF₆ de 110kV em uma subestação de 220kV utiliza um mecanismo de operação por mola como dispositivo de armazenamento de energia. Quando o disjuntor está no estado aberto e o circuito elétrico de fechamento indica normalidade, o pessoal de operação envia um sinal de operação de fechamento. No entanto, o disjuntor não apenas falha em fechar, mas também tem sua bobina de fechamento queimada. Por que essa falha especial ocorre quando todas as condições de fechamento são atendidas? Para evitar a recorrência de falhas semelhantes, uma pesquisa e análise sérias devem ser realizadas.

2 Análise da Falha

No circuito de controle de fechamento deste tipo de disjuntor, YF é o interruptor de transferência "local/remoto" (como mostrado na Figura 1). Quando é necessário fechar remotamente, o polo positivo da fonte de alimentação de operação passa por C7→contatos 3-4 de YF→contatos normalmente fechados 31-32 do relé auxiliar anti-trip 52Y→contatos normalmente fechados 21-22 do relé de armazenamento de energia da mola 99CN→contatos normalmente fechados 31-32 do relé 49MX→contatos normalmente fechados 31-32 do relé de monitoramento de status da mola de fechamento 33HBX→contatos auxiliares normalmente fechados 1-2 e 5-6 do disjuntor→bobina de fechamento 52C→contatos normalmente fechados 31-32 do relé de bloqueio de baixa tensão de SF₆ 63GLX→polo negativo da fonte de alimentação de controle de operação. Quando a tensão da fonte de alimentação é aplicada à bobina de fechamento 52C, o eletroímã atua para fechar o disjuntor.

Com base na análise do circuito acima, para que a bobina de fechamento 52C seja energizada, as seguintes quatro condições devem ser atendidas:

• As bobinas de 52Y, 49MX e 33HBX não estão energizadas, e seus contatos normalmente fechados 31-32 estão conectados no circuito de controle de fechamento;

• A bobina de 99CN não está energizada, e seus contatos normalmente fechados 21-22 estão conectados ao circuito de controle de fechamento;

• 52B está na posição aberta, e seus contatos auxiliares normalmente fechados 1-2 e 5-6 estão conectados ao circuito de controle de fechamento;

• Os contatos normalmente fechados 31-32 do relé de gás SF₆ 63GLX estão fechados, conectando o circuito de controle de fechamento.

Através da análise, pode-se ver que, quando todas as condições acima são atendidas, a tensão de controle pode ser aplicada à bobina, resultando na queima da bobina de fechamento. Ao inspecionar inicialmente o chassi, constata-se que o manômetro de pressão de gás SF₆ indica normal, enquanto a indicação mecânica da mola de fechamento mostra falta de armazenamento de energia. Por que o circuito de fechamento pode ser conduzido quando não há armazenamento de energia? Portanto, é necessário realizar uma inspeção adicional do circuito de armazenamento de energia da mola de fechamento.

Como pode ser visto no circuito de armazenamento de energia do motor na Figura 1, quando a mola de fechamento deste disjuntor não está energizada, o contato normalmente fechado C-NC do interruptor limite de armazenamento de energia 33HB instalado na parte traseira do mecanismo do disjuntor controla simultaneamente os relés 99CN e 33HBX, conectando o polo positivo da fonte de alimentação de controle DC:

• O relé de armazenamento de energia da mola 99CN é energizado e opera, e sua fonte de alimentação conecta o circuito do motor, e a mola de fechamento é energizada eletricamente para armazenamento de energia; ao mesmo tempo, os contatos normalmente fechados 21-22 de 99CN são desconectados no circuito de controle de fechamento, evitando que o disjuntor feche acidentalmente durante o processo de armazenamento de energia da mola.

• Quando a bobina do relé auxiliar de monitoramento de status da mola de fechamento 33HBX é energizada, os contatos normalmente fechados 31-32 de 33HBX conectados no circuito de controle de fechamento são desconectados. Isso garante que, durante o processo de armazenamento de energia da mola, o circuito secundário de fechamento do disjuntor esteja na posição aberta, tendo uma função de travamento duplo confiável com os contatos normalmente fechados 21-22 de 99CN.

Quando o armazenamento de energia da mola está em lugar, os componentes mecânicos do mecanismo de armazenamento de energia desconectam o contato normalmente fechado C-NC do interruptor limite de armazenamento de energia 33HB. As bobinas de 99CN e 33HBX perdem energia, e o armazenamento de energia termina. Os contatos normalmente fechados 21-22 de 99CN e os contatos normalmente fechados 31-32 de 33HBX conectam o circuito de controle de fechamento. A partir da função dos contatos no diagrama de fiação do componente, somente quando os relés 99CN e 33HBX estão no estado energizado e ativado, o circuito de fechamento pode ser travado. Portanto, com base na análise acima, julga-se que a falha do contato normalmente fechado C-NC do interruptor limite de armazenamento de energia 33HB pode ser a causa da incapacidade do motor de armazenar energia.

O pessoal de manutenção removeu a tampa traseira do mecanismo do disjuntor no local e removiu o interruptor limite de armazenamento de energia. Após a inspeção e medição, descobriu-se que os contatos internos do interruptor limite de armazenamento de energia 33HB foram danificados durante o processo de armazenamento de energia, impedindo a passagem da fonte de alimentação através de seu contato normalmente fechado C-NC. Como resultado, as bobinas de 99CN e 33HBX não puderam receber energia. O contato 99CN não operou, e a fonte de alimentação não pôde ser conectada ao motor de armazenamento de energia. Enquanto isso, os contatos normalmente fechados 21-22 de 99CN e os contatos normalmente fechados 31-32 de 33HBX estavam conectados ao circuito de fechamento por um longo período. Como o mecanismo de mola do disjuntor não estava energizado e o circuito secundário de fechamento estava condutível, não apenas o disjuntor não podia fechar normalmente, mas a bobina de fechamento também seria queimada.

3 Tratamento e Modificação

Simplesmente substituir o interruptor limite de armazenamento de energia não pode resolver essencialmente a falha especial descrita neste artigo. Devido ao design irracional e mecanismo de intertravamento imperfeito, uma vez que o interruptor limite de armazenamento de energia é danificado, levará a uma falha no circuito de fechamento. Portanto, as seguintes modificações são feitas nos circuitos de armazenamento de energia e controle de fechamento:
(1) O interruptor limite de armazenamento de energia 33HB consiste em um par de contatos normalmente fechados e um par de contatos normalmente abertos, com os dois pares de contatos intertravados mecanicamente. De acordo com as características do interruptor de viagem, as seguintes modificações são feitas: Conectar o contato normalmente fechado C-NC de 33HB à bobina de 99CN, conforme mostrado na Figura 2. Esta modificação mantém a função do circuito de fechamento do disjuntor sendo desconectado e incapaz de fechar durante o processo de armazenamento de energia. Conectar o contato normalmente aberto O-NO de 33HB à bobina de 33HBX. Depois que o armazenamento de energia da mola está em lugar, o contato normalmente aberto O-NO de 33HB fecha para conectar a bobina de 33HBX. Ao mesmo tempo, remover os contatos normalmente fechados 31-32 do relé 33HBX conectados no circuito de controle de fechamento e substituí-los pelos contatos normalmente abertos 43-44 de 33HBX. A modificação acima muda de um par de contatos controlando dois relés para cada par de contatos controlando um relé. Isso garante que o circuito de controle de fechamento não possa ser conduzido durante os processos de não-armazenamento e armazenamento de energia. Somente após o armazenamento de energia da mola estar em lugar, quando a bobina de 33HBX é energizada e os contatos normalmente abertos 43-44 fecham, o circuito de controle de fechamento pode ser conectado. Ao mesmo tempo, também reduz a carga de longo prazo no interruptor limite de armazenamento de energia e prolonga sua vida útil.
(2) Adicionar um relé de tempo T. Conectar os contatos normalmente fechados 31-32 do relé 33HBX em série com a bobina do relé de tempo, e definir o limite de tempo de operação do relé de tempo para 15s, que é ligeiramente maior que o tempo de armazenamento de energia da mola do disjuntor. Adicionar o relé de tempo pode alcançar o seguinte: Durante os 15s em que a mola não está energizada e durante o processo de armazenamento de energia, a bobina de 33HBX não está energizada, os contatos normalmente fechados 31-32 estão fechados, e o relé de tempo envia um sinal indicando falta de armazenamento de energia. Depois que o armazenamento de energia da mola está em lugar, 33HBX é energizado e opera, os contatos normalmente fechados 31-32 são desconectados, e o relé de tempo para de enviar o sinal de falta de armazenamento de energia, indicando que o armazenamento de energia foi bem-sucedido.

4 Conclusão

Este artigo se concentra na modificação dos defeitos no circuito de controle de um disjuntor SF₆ de 110kV. O contato normalmente aberto do interruptor limite de armazenamento de energia é conectado em série ao circuito de controle do motor de 99CN, e o contato normalmente fechado do relé 33HBX conectado em série no circuito de controle de fechamento é substituído por um contato normalmente aberto. Isso garante que somente quando os componentes mecânicos pressionam o interruptor limite de armazenamento de energia 33HB, ou seja, após o armazenamento de energia da mola estar em lugar e o relé 33HBX operar, o circuito de controle de fechamento pode ser conectado.

Além disso, a adição de um relé de tempo fornece uma função de alarme para o sinal de armazenamento de energia. O circuito de controle de fechamento do disjuntor modificado não só tem uma fiação simples e confiável, mas também ajuda o pessoal de operação a determinar rapidamente se houve armazenamento de energia, evitando efetivamente a falha da queima da bobina causada pela falta de armazenamento de energia. Após a modificação e comissionamento, todos os indicadores do circuito secundário deste tipo de disjuntor operam normalmente, os testes de parâmetros estão corretos, e não ocorrem falhas anormais durante as operações de abertura e fechamento.