Manejo de Fallas por Fallo en la Apertura de un Interruptor de Alta Tensión en una Subestación de 110 kV

De acuerdo con las regulaciones pertinentes, los interruptores de alta tensión están permitidos para realizar las siguientes operaciones:

• Conmutación (apertura/cierre) de transformadores de potencia (PTs) y protectores contra sobretensiones en condiciones normales de operación;

• Conmutación del interruptor de tierra neutra de un transformador principal bajo condiciones de operación normales;

• Conmutación de bucles de corriente pequeña para equilibrar las corrientes circulantes.

Un interruptor de alta tensión es un componente eléctrico sin capacidad de extinción de arco. Por lo tanto, solo puede ser operado cuando está en posición abierta. Operar un interruptor bajo carga, es decir, mientras el interruptor asociado está cerrado o el equipo está energizado, puede generar arcos eléctricos intensos. En casos graves, esto puede causar cortocircuitos entre fases, dañar el equipo e incluso poner en peligro la seguridad del personal.

Cuando el interruptor está en estado abierto, debe haber una separación claramente visible y confiable entre sus contactos móviles y fijos, cumpliendo con la distancia de aislamiento requerida. Por el contrario, cuando está cerrado, debe llevar de manera confiable tanto la corriente de carga normal como la corriente de cortocircuito. La función principal de un interruptor es proporcionar un punto de aislamiento confiable entre las partes vivas de alta tensión y la fuente de alimentación o barras, asegurando una interrupción clara para el mantenimiento seguro de líneas desenergizadas.

Los interruptores de alta tensión también pueden utilizarse en coordinación con las líneas de transmisión de subestaciones para realizar operaciones de conmutación, alterando así la configuración operativa de la subestación. Por ejemplo, en una subestación con operación de doble barra, la barra de operación se puede transferir a la barra de reserva, o los componentes eléctricos en una barra se pueden cambiar a otra, utilizando el interruptor de acoplamiento de barras y los interruptores de alta tensión a ambos lados del interruptor de acoplamiento. Sin embargo, debido a las frecuentes operaciones de conmutación, pueden ocurrir fallas como la imposibilidad de abrir o cerrar el interruptor. Estos fallos deben ser diagnosticados y analizados sistemáticamente. Si existen defectos inherentes en el interruptor mismo, son necesarias mejoras en el diseño.

1. Características de los Interruptores

Generalmente, se instala un interruptor en cada lado de un interruptor de circuito para crear un punto de interrupción claramente visible, mejorando la seguridad y facilitando el mantenimiento. El suministro de energía se realiza desde la barra superior a través de un armario de distribución hasta la línea de salida. El interruptor aguas arriba del interruptor de circuito aísla principalmente la fuente de alimentación. Sin embargo, ocasionalmente, la energía puede alimentarse desde el lado aguas abajo, por ejemplo, a través de flujo de energía inverso de otros circuitos o capacitores, lo que requiere un segundo interruptor aguas abajo del interruptor de circuito.

Una cierta subestación de 110 kV emplea interruptores de alta tensión GW16B/17B-252. Sus especificaciones técnicas se enumeran en la Tabla 1. Este interruptor es un dispositivo de alta tensión al aire libre de tres polos diseñado para operaciones de conmutación sin carga en subestaciones de 110 kV, proporcionando aislamiento eléctrico entre el equipo en mantenimiento y los circuitos energizados.

Las características clave de este interruptor incluyen una estructura compacta, alta resistencia a la oxidación, operación estable y un rendimiento sísmico fuerte. Su sistema de contacto mecánico adopta un diseño simple de flexión de brazo único, con los componentes de transmisión alojados dentro del tubo conductor para protegerlos de las interferencias ambientales externas. En el interior del tubo conductor se instalan un par de resortes equilibradores y un conjunto de resortes de sujeción: los primeros aseguran un equilibrio mecánico confiable durante las operaciones de apertura y cierre, mientras que los segundos proporcionan suficiente presión de contacto para un agarre seguro.

Dado que los interruptores generalmente se instalan al aire libre, están sujetos a influencias externas como el viento y la actividad sísmica. Para mejorar la confiabilidad operativa, se integra un mecanismo de cierre en el cuerpo del interruptor para garantizar un cierre estable y seguro. Tanto el interruptor como su interruptor de tierra utilizan tubos conductores de aleación de aluminio, con contactos móviles y fijos chapados en plata o oro para garantizar resistencia al desgaste, robustez mecánica y estabilidad eléctrica en las articulaciones giratorias.

El interruptor de tierra presenta una estructura de oscilación de brazo único. Durante el cierre, el contacto móvil primero gira y luego se mueve verticalmente hacia arriba para enganchar el contacto fijo, evitando el rebote o retroceso del contacto. Este diseño asegura un cierre confiable y una estabilidad dinámica y térmica constante bajo condiciones de corriente de cortocircuito nominal.

2. Estructura y Principio de Funcionamiento del Interruptor

El proceso de funcionamiento de un interruptor consta de dos acciones principales: acción de flexión y acción de sujeción.

2.1 Acción de Flexión

Guiado por un mecanismo de rotación horizontal, un par de engranajes montados en el aislador de porcelana giratorio impulsa dos conjuntos de mecanismos de cuatro barras para realizar un movimiento plano. Bajo este impulso, el tubo conductor inferior gira hacia adelante para cerrar (operación de cierre) o hacia atrás para abrir (operación de apertura). El eje accionador articulado en la parte superior del tornillo de operación genera así un desplazamiento axial relativo al tubo conductor inferior.

La parte superior de este eje accionador articulado está conectada a un conjunto de engranaje-cadena. A medida que el eje se mueve, rota la cadena, que a su vez impulsa el engranaje. Esto hace que el tubo conductor superior, fijado al eje del engranaje, se mueva en relación con el tubo conductor inferior, enderezándose (cerrando) o doblándose (abriendo).

Simultáneamente, a medida que el eje accionador articulado experimenta un movimiento axial, los resortes equilibradores dentro del tubo conductor almacenan y liberan energía continuamente. Esto contrarresta eficazmente el torque de frenado pesado, asegurando un funcionamiento suave y estable a lo largo de todo el ciclo de conmutación.

2.2 Acción de Sujeción

A medida que el interruptor se mueve desde la posición abierta hacia la cerrada y se acerca a la alineación total (es decir, configuración casi recta), el engranaje se engancha con un plano inclinado en la caja de cambios y continúa deslizándose a lo largo de él. En este punto, bajo la fuerza reactiva del resorte de retorno, el eje accionador articulado, vinculado al engranaje-cadena, se mueve hacia adelante.

Este movimiento hacia adelante se transmite a través del ensamblaje de contacto móvil, donde un eje empujador convierte el movimiento lineal en una acción de sujeción de los dedos de contacto. Una vez que la barra de contacto fijo es agarrada de manera segura, el engranaje se desliza ligeramente hacia arriba a lo largo del plano inclinado para lograr el cierre mecánico completo.

En esta etapa, el resorte de sujeción dentro del tubo conductor se comprime aún más y ejerce fuerza sobre el eje empujador, asegurando una fuerza de conducción estable que mantiene una presión de contacto consistente y confiable entre los dedos de contacto y la barra fija.

Durante la operación de apertura, el engranaje continúa moviéndose hacia afuera a lo largo del plano inclinado hasta que se desengancha completamente. El resorte de retorno entonces tira del eje empujador, haciendo que los dedos de contacto se abran en forma de "V", rompiendo así la conexión eléctrica.

3. Estudio de Caso

3.1 Observación y Análisis de Fallas

En cierto año, durante una operación de conmutación en la subestación de 110 kV, un interruptor de alto voltaje no pudo abrirse. Se realizó inmediatamente una inspección exhaustiva del sistema de tierra, el sistema conductor principal, el interbloqueo mecánico, los tubos conductores superior e inferior y el mecanismo de operación motorizado. La investigación reveló que el engranaje de transmisión dentro de la caja del mecanismo motorizado estaba dañado, y componentes como pernos y articulaciones estaban fracturados. El personal de operación y mantenimiento informó el defecto, y se implementaron medidas correctivas según el programa de mantenimiento anual.

3.2 Medidas de Mejora

(1) Componentes Auxiliares Actualizados
Los pernos y articulaciones fueron reemplazados por acero inoxidable de alta calidad para prevenir la corrosión durante la operación a largo plazo. Se adoptaron cojinetes impregnados de grafito y compuestos, resistentes a la corrosión y con coeficientes de fricción bajos, para mejorar la eficiencia de transmisión. Todas las partes ferrosas expuestas fueron galvanizadas por inmersión en caliente, mejorando significativamente el rendimiento anticorrosivo. La experiencia en campo confirma que la galvanización por inmersión en caliente es adecuada para aplicaciones al aire libre.

(2) Mecanismo de Operación Motorizado Mejorado
Se reemplazó el mecanismo motorizado original CJ7A con el modelo CJ11 más nuevo. Se muestra una fotografía del mecanismo CJ11 actualizado en la Figura 1.

(3) Diseño Avanzado de Interruptor Auxiliar
El interruptor auxiliar es un componente secundario crítico que proporciona señales de estado de apertura/cierre. Un fallo podría resultar en señales incorrectas y mal funcionamiento operativo. El nuevo diseño emplea un mecanismo de microinterruptor de palanca de avance internacionalmente avanzado, asegurando un conmutación confiable, rotación suave e inmunidad a fallos durante las transiciones de apertura/cierre.

(4) Protección de Control del Motor
Después de completar una operación de apertura o cierre, la alimentación del motor se corta primero mediante el interruptor auxiliar. Si el interruptor auxiliar falla, los interruptores de límite terminales en ambos lados de apertura y cierre desconectan el motor. Si estos también fallan, los tope mecánicos en ambos lados activan un relé térmico para cortar la alimentación. Este sistema de protección de tres niveles detiene de manera confiable el motor después de cada operación, evitando el movimiento no controlado y el potencial daño mecánico.

(5) Sistema de transmisión mecánica
Se utiliza un sistema de transmisión por tornillo sin fin. El tornillo sin fin, los eslabones y otros componentes reductores están mecanizados con precisión y sellados dentro de una carcasa de aleación de aluminio. Este diseño asegura un funcionamiento suave, bajo ruido y sin impactos.

(6) Sistema de control secundario
El panel de control presenta una disposición racional y estéticamente agradable con una estructura de puerta abatible, facilitando el cableado y el mantenimiento en sitio, mientras se asegura un funcionamiento seguro y confiable del sistema secundario.

(7) Sellado de la carcasa
La carcasa del mecanismo utiliza un sellado neumático en la puerta. Tanto la puerta como la tapa superior están hechas de acero inoxidable de 2,5 mm de espesor, mientras que el cuerpo principal utiliza acero inoxidable de 2 mm de espesor, proporcionando una excelente resistencia al viento, la arena y la corrosión.

4. Conclusión

Basándose en años de experiencia operativa y análisis de fallas de los mecanismos motores de seccionadores en esta subestación de 110 kV, el mecanismo original fue actualizado al modelo CJ11 desarrollado por el Grupo Pinggao, un nuevo diseño de mecanismo motorizado de tipo tornillo sin fin desarrollado de forma independiente. Este diseño mejorado supera las deficiencias anteriores tanto en ingeniería como en fabricación, ofreciendo alta confiabilidad operativa, movimiento suave, alta eficiencia de transmisión, sin impacto inercial, bajo ruido, fuerte intercambiabilidad y un atractivo aspecto exterior.

Además de la operación eléctrica local y remota, el mecanismo CJ11 también admite la operación manual. Las pruebas prácticas bajo condiciones de carga nominal han demostrado su capacidad para realizar más de 10,000 operaciones mecánicas de manera confiable.