Gestió d'errors en cas de fallida d'obertura d'un interruptor de alta tensió a una subestació de 110 kV

Segons les regulacions rellevants, els interruptors de separació d'alta tensió estan autoritzats a realitzar les següents operacions:

• Commutació (obertura/tancament) de transformadors de tensió (PTs) i parafulmes en funcionament normal;

• Commutació del disjuntor de terra neutra d'un transformador principal en condicions de funcionament normals;

• Commutació de bucles de corrent petita per equilibrar les corrents circulants.

Un interruptor de separació d'alta tensió és un component elèctric sense capacitat d'extinció d'arc. Per tant, només es pot operar quan està en posició oberta. Operar un interruptor de separació sota càrrega, és a dir, mentre que el disjuntor associat estigui tancat o l'equipament estigui energitzat, pot generar arcs elèctrics intensos. En casos greus, això pot causar curts circuits entre fases, enderrocar l'equipament i fins i tot posar en perill la seguretat del personal.

Quan l'interruptor de separació està en estat obert, ha d'haver-hi una separació visible i fiable entre els seus contactes mòbils i estacionaris, complint la distància d'isolament requerida. Al contrari, quan està tancat, ha de portar de manera fiable tant la corrent de càrrega normal com la corrent de curt circuit. La funció principal d'un interruptor de separació és proporcionar un punt d'isolament fiable entre les parts vives d'alta tensió i la font d'energia o barra, assegurant una interrupció neta per a la manteniment segur de les línies desenergitzades.

Els interruptors de separació d'alta tensió també es poden utilitzar en coordinació amb les línies de transmissió de subestacions per realitzar operacions de commutació, alterant així la configuració operativa de la subestació. Per exemple, en una subestació amb operació de doble barra, la barra operativa es pot transferir a la barra de reserva o els components elèctrics d'una barra es poden commutar a l'altra utilitzant el disjuntor de barra i els interruptors de separació d'alta tensió als dos costats del disjuntor de barra. No obstant això, degut a les operacions de commutació freqüents, poden produir-se falles com la incapacitat d'obrir o tancar l'interruptor de separació. Aquests defectes han de ser diagnosticats i analitzats sistemàticament. Si existeixen defects inherent a l'interruptor de separació mateix, són necessàries milloraments en el disseny.

1. Característiques dels interruptors de separació

Normalment, es col·loca un interruptor de separació a cada costat d'un disjuntor per crear un punt d'interrupció clarament visible, augmentant la seguretat i facilitant el manteniment. L'energia s'aporta des de la barra superior a través d'un armari de distribució cap al conductor de sortida. L'interruptor de separació amont del disjuntor aïlla principalment la font d'energia. Tanmateix, ocasionalment, l'energia pot alimentar-se des del costat aval, per exemple, a través d'un flux de potència inversa d'altres circuits o condensadors, necessitant un segon interruptor de separació a l'aval del disjuntor.

Una certa subestació de 110 kV utilitza interruptors de separació d'alta tensió del tipus GW16B/17B-252. Les seves especificacions tècniques es llisten a la Taula 1. Aquest interruptor de separació és un dispositiu d'alta tensió de tres pols per a l'exterior, dissenyat per operacions de commutació sense càrrega en subestacions de 110 kV, proporcionant aïllament elèctric entre l'equipament en manteniment i els circuits energitzats.

Les característiques clau d'aquest interruptor inclouen una estructura compacta, alta resistència a l'oxidació, operació estable i forta resistència sísmica. El seu sistema de contacte mecànic adopta un disseny simple de flexió d'un sol braç, amb els components de transmissió allotjats a l'interior del tub conductor per protegir-los de les interferències ambientals externes. A l'interior del tub conductor es troben instal·lades un parell de muelles d'equilibri i un conjunt de muelles de premsatge: les primeres asseguren un equilibri mecànic fiable durant les operacions d'obertura i tancament, mentre que les segones proporcionen pressió de contacte suficient per assegurar un premsatge segur.

Com que els interruptors s'instalen normalment a l'exterior, estan subjectes a influències externes com el vent i l'activitat sísmica. Per augmentar la fiabilitat operativa, s'integra un mecanisme de bloqueig al cos de l'interruptor per assegurar un tancament estable i segur. Tant l'interruptor com el seu commutador de terra utilitzen tubs conductors d'alliuratge d'alumini, amb contactes mòbils i estacionaris platejats o dorats per garantir la resistència a l'usura, la robustesa mecànica i la estabilitat elèctrica en les articulacions rotatives.

El commutador de terra disposa d'una estructura de balanç d'un sol braç. Durant el tancament, el contacte mòbil gira primer i després es mou verticalment cap amunt per enganxar-se al contacte estacionari, prevenint el reboteig o el rebot del contacte. Aquest disseny assegura un tancament fiable i una estabilitat dinàmica i tèrmica consistent sota condicions de corrent de curtcircuït nominal.

2. Estructura i principi de funcionament de l'interruptor

El procés d'operació d'un interruptor consta de dues accions principals: l'acció de flexió i l'acció de premsatge.

2.1 Acció de flexió

Guiada per un mecanisme de rotació horitzontal, un parell de rodes dentades montades en el aïllant de porcellana rotatiu impulsa dos conjunts de mecanismes de quatre barres per realitzar un moviment planar. Sota aquest impuls, el tub conductor inferior gira endavant per tancar (operació de tancament) o enrere per obrir (operació d'obertura). La barra d'acció articulada a la part superior del tornill d'operació genera així un desplaçament axial relatiu al tub conductor inferior.

La part superior d'aquesta barra d'acció articulada està connectada a un conjunt de roda-cadena. Quan la barra es mou, fa girar la cadena, que a la vegada impulsa la roda. Això fa que el tub conductor superior, fixat al eix de la roda, es mogui relatiu al tub conductor inferior, endreçant-se (tancament) o doblant-se (obertura).

Simultàniament, a mesura que la barra d'acció articulada experimenta un moviment axial, les muelles d'equilibri a l'interior del tub conductor emmagatzemen i alliberen energia de forma contínua. Això contrareste efectivament el gran moment de frenat, assegurant una operació suau i estable a lo llarg de tot el cicle de commutació.

2.2 Acció de premsatge

Quan l'interruptor es mou de la posició oberta cap a la posició tancada i s'aproxima a l'alignament total (és a dir, configuració quasi recta), la roda entra en contacte amb un pla inclinat de la caixa de canvis i continua desllicant-se sobre ell. En aquest punt, sota la força reactiva de la molla de retorn, la barra d'acció articulada, connectada a la roda-cadena, es mou endavant.

Aquest moviment endavant es transmet a través de l'ensamblatge de contacte mòbil, on una barra de punxó converteix el moviment lineal en una acció de premsatge dels dits de contacte. Un cop el rod de contacte estacionari està agafat de manera segura, la roda es desplaça lleugerament cap amunt pel pla inclinat per assolir el tancament mecànic total.

En aquesta etapa, la molla de premsatge a l'interior del tub conductor es comprimeix més i exerceix força sobre la barra de punxó, assegurant una força motora estable que manté una pressió de contacte consistente i fiable entre els dits de contacte i el rod estacionari.

Durant l'operació d'obertura, la roda continua movent-se cap fora pel pla inclinat fins que es desconnecta completament. La molla de retorn aleshores arrossega la barra de punxó, fent que els dits de contacte s'obreixin en forma de "V", rompent així la connexió elèctrica.

3. Estudi de cas

3.1 Observació i anàlisi de falles

En un cert any, durant una operació de commutació a la subestació de 110 kV, un interruptor de alta tensió no va poder obrir-se. Es va realitzar immediatament una inspecció completa del sistema de terra, el sistema conductor principal, el bloqueig mecànic, els tubs conductors superiors i inferiors, i el mecanisme d'operació motoritzat. L'investigació va revelar que la roda de transmissió a l'interior de la caixa del mecanisme motoritzat estava danysada, i que components com els pins i les articulacions estaven fracturats. El personal d'operació i manteniment va informar de la deficiència, i es van implementar mesures correctives segons el programa de manteniment anual.

3.2 Mesures d'millora

(1) Actualització de components auxiliars
Els pins i les articulacions van ser substituïts per acer inoxidable de alta qualitat per prevenir la corrosió durant l'operació a llarg termini. Es van adoptar coques impregnades de grafit i compostos, resistent a la corrosió i amb coeficients de fricció baixos, per millorar l'eficiència de transmissió. Totes les parts ferroses exposades van ser galvanitzades a immersió, millorant significativament el rendiment anticorrosiu. L'experiència de camp confirma que la galvanització a immersió és adequada per a aplicacions a l'exterior.

(2) Millora del mecanisme d'operació motoritzat
El mecanisme motoritzat CJ7A original va ser substituït pel model CJ11 més nou. Una fotografia del mecanisme CJ11 actualitzat es mostra a la Figura 1.

(3) Disseny avançat del commutador auxiliar
El commutador auxiliar és un component secundari crític que proporciona senyals d'estat obert/tancat. Un fallament podria resultar en senyalització incorrecta i malfuncionament operatiu. El nou disseny utilitza un mecanisme de microinterruptor de cam avançat internacionalment, assegurant una commutació fiable, una rotació suau i immunitat a fallaments durant les transicions d'obertura i tancament.

(4) Protecció de control del motor
Després de completar una operació d'obertura o tancament, la potència del motor es talla primer per mitjà del commutador auxiliar. Si el commutador auxiliar falla, els commutadors límit finals als costats d'obertura i tancament desconecten el motor. Si aquests també fallen, els parades mecànics als dos costats activen un relé tèrmic per tallar la potència. Aquest sistema de protecció en tres nivells atura de manera fiable el motor després de cada operació, prevenint el moviment descontrolat i possibles danys mecànics.

(5) Sistema de transmissió mecànica
Es fa servir un sistema d'enllaç de roda de coll. La roda de coll, els enllaços i altres components de reducció estan mecanitzats amb precisió i s'encapsulen dins d'un closa de lligallum d'alumini. Aquest disseny assegura un funcionament suau, baix soroll i sense xocs d'impacte.

(6) Sistema de control secundari
El panell de control té una disposició raonable i estèticament agradable amb una estructura de porta articulada, facilitant el cablatge i la manteniment in situ, mentre assegura un funcionament segur i fiable del sistema secundari.

(7) Estanqueïtat de la closa
La closa del mecanisme utilitza un sistema d'estanqueïtat per coixí d'aire a la porta. Tanto la porta com la coberta superior estan fabricades amb acer inoxidable d'2,5 mm d'espessor, mentre que el cos principal utilitza acer inoxidable d'2 mm d'espessor, proporcionant excel·lent resistència al vent, la sorra i la corrosió.

4. Conclusió

Basant-se en anys d'experiència operativa i anàlisi d'errors dels mecanismes motors de desconectadors a aquesta subestació de 110 kV, el mecanisme original va ser actualitzat al model CJ11 desenvolupat pel Grup Pinggao—un nou disseny, un mecanisme motoritzat de roda de coll desenvolupat de manera independent. Aquest disseny millorat supera les deficiències anteriors tant en enginyeria com en fabricació, oferint alta fiabilitat operativa, moviment suau, alta eficiència de transmissió, cap impacte inercial, baix soroll, forta intercanviabilitat i un aspecte atractiu.

A més de l'operació elèctrica local i remota, el mecanisme CJ11 també suporta l'operació manual. Les proves pràctiques sota condicions de càrrega nominal han demostrat la seva capacitat de realitzar més de 10.000 operacions mecàniques de manera fiable.