Gestion des pannes de disjoncteur haute tension ne s'ouvrant pas dans un poste électrique de 110 kV

Conformément aux réglementations pertinentes, les disjoncteurs haute tension sont autorisés à effectuer les opérations suivantes :

• Commutation (ouverture/fermeture) des transformateurs de tension (PTs) et des parafoudres en fonctionnement normal ;

• Commutation du disjoncteur de mise à la terre du neutre d'un transformateur principal dans des conditions de fonctionnement normales ;

• Commutation des boucles de faible intensité pour équilibrer les courants de circulation.

Un disjoncteur haute tension est un composant électrique sans capacité d'extinction d'arc. Par conséquent, il ne peut être manœuvré que lorsqu'il est en position ouverte. Le maniement d'un disjoncteur sous charge—c'est-à-dire lorsque l'interrupteur associé est fermé ou que l'équipement est sous tension—peut générer des arcs électriques intenses. Dans les cas graves, cela peut causer des courts-circuits entre phases, endommager l'équipement et même mettre en danger la sécurité des personnes.

Lorsque le disjoncteur est en position ouverte, il doit y avoir une séparation visible et fiable entre ses contacts mobiles et fixes, répondant à la distance d'isolement requise. Inversement, lorsqu'il est fermé, il doit pouvoir supporter de manière fiable le courant de charge normal ainsi que le courant de court-circuit. La fonction principale d'un disjoncteur est de fournir un point d'isolement sûr entre les parties sous tension haute tension et la source d'alimentation ou la barre de collecte, assurant une coupure claire pour la maintenance sûre des lignes hors tension.

Les disjoncteurs haute tension peuvent également être utilisés en coordination avec les lignes de transmission de postes électriques pour effectuer des opérations de commutation, modifiant ainsi la configuration opérationnelle du poste. Par exemple, dans un poste avec une opération à double barre, la barre de fonctionnement peut être transférée vers la barre de secours—ou les composants électriques sur une barre peuvent être commutés sur l'autre—en utilisant l'interrupteur de liaison de barre et les disjoncteurs haute tension de chaque côté de l'interrupteur de liaison. Cependant, en raison des nombreuses opérations de commutation, des défaillances telles qu'une incapacité à ouvrir ou fermer le disjoncteur peuvent se produire. Ces pannes doivent être diagnostiquées et analysées systématiquement. Si des défauts intrinsèques existent au sein du disjoncteur lui-même, des améliorations de conception sont nécessaires.

1. Caractéristiques des disjoncteurs

Typiquement, un disjoncteur est installé de chaque côté d'un interrupteur pour créer un point de rupture visiblement clair—améliorant la sécurité et facilitant la maintenance. L'alimentation est fournie depuis la barre supérieure via un armoire de distribution vers la ligne de sortie. Le disjoncteur en amont de l'interrupteur isole principalement la source d'alimentation. Cependant, l'alimentation peut parfois être fournie du côté aval—par exemple, par un flux inverse provenant d'autres circuits ou de condensateurs—nécessitant un second disjoncteur en aval de l'interrupteur.

Un certain poste électrique de 110 kV utilise des disjoncteurs haute tension de type GW16B/17B-252. Leurs spécifications techniques sont répertoriées dans le Tableau 1. Ce disjoncteur est un dispositif haute tension extérieur à trois pôles conçu pour des opérations de commutation sans charge dans les postes de 110 kV, offrant une isolation électrique entre l'équipement en maintenance et les circuits sous tension.

Les principales caractéristiques de ce disjoncteur incluent une structure compacte, une haute résistance à l'oxydation, un fonctionnement stable et une forte performance sismique. Son système de contact mécanique adopte un design simple à bras unique flexible, avec des composants de transmission logés à l'intérieur du tube conducteur pour les protéger des interférences environnementales externes. À l'intérieur du tube conducteur sont installés un couple de ressorts d'équilibrage et un ensemble de ressorts de serrage : le premier assure un équilibre mécanique fiable lors des opérations d'ouverture et de fermeture, tandis que le second fournit une pression de contact suffisante pour un serrage sécurisé.

Comme les disjoncteurs sont généralement installés en extérieur, ils sont soumis à des influences externes telles que le vent et l'activité sismique. Pour améliorer la fiabilité opérationnelle, un mécanisme de verrouillage est intégré au corps du disjoncteur pour assurer une fermeture stable et sécurisée. Le disjoncteur et son interrupteur de terre utilisent des tubes conducteurs en alliage d'aluminium, avec des contacts mobiles et fixes plaqués d'argent ou d'or pour garantir une résistance à l'usure, une robustesse mécanique et une stabilité électrique aux articulations rotatives.

L'interrupteur de terre présente une structure à balancement à bras unique. Lors de la fermeture, le contact mobile tourne d'abord puis se déplace verticalement vers le haut pour engager le contact fixe, évitant ainsi tout rebond ou réaction du contact. Cette conception assure une fermeture fiable et une stabilité dynamique et thermique constante dans des conditions de courant de court-circuit nominal.

2. Structure et principe de fonctionnement du disjoncteur

Le processus de fonctionnement d'un disjoncteur comprend deux actions principales : l'action de flexion et l'action de serrage.

2.1 Action de flexion

Guidée par un mécanisme de rotation horizontal, une paire de pignons montés sur l'isolateur céramique rotatif entraîne deux ensembles de liaisons à quatre barres pour effectuer un mouvement planaire. Sous cet entraînement, le tube conducteur inférieur tourne vers l'avant pour fermer (opération de fermeture) ou vers l'arrière pour ouvrir (opération d'ouverture). La tige d'actionnement articulée au sommet de la vis d'entraînement génère ainsi un déplacement axial par rapport au tube conducteur inférieur.

La partie supérieure de cette tige d'actionnement articulée est connectée à un ensemble de chaîne-pignon. Alors que la tige se déplace, elle fait tourner la chaîne, qui à son tour entraîne le pignon. Cela provoque le déplacement du tube conducteur supérieur—fixé à l'arbre du pignon—par rapport au tube conducteur inférieur, soit en se redressant (fermeture) soit en se pliant (ouverture).

Simultanément, alors que la tige d'actionnement articulée subit un déplacement axial, les ressorts d'équilibrage à l'intérieur du tube conducteur stockent et libèrent continuellement de l'énergie. Ceci compense efficacement le couple de freinage important, assurant un fonctionnement fluide et stable tout au long du cycle de commutation.

2.2 Action de serrage

Alors que le disjoncteur passe de la position ouverte vers la position fermée et approche de l'alignement complet (c'est-à-dire une configuration presque droite), le pignon s'engage avec un plan incliné sur la boîte de vitesses et continue de glisser dessus. À ce stade, sous l'effet de la force de rappel du ressort de retour, la tige d'actionnement articulée—liée à l'ensemble chaîne-pignon—se déplace vers l'avant.

Ce mouvement vers l'avant est transmis à travers l'assemblage de contact mobile, où une tige de poussée convertit le mouvement linéaire en une action de serrage des doigts de contact. Une fois que la tige de contact fixe est solidement saisie, le pignon glisse légèrement vers le haut le long du plan incliné pour atteindre la fermeture mécanique complète.

À ce stade, le ressort de serrage à l'intérieur du tube conducteur est davantage comprimé et exerce une force sur la tige de poussée, assurant une force motrice stable qui maintient une pression de contact constante et fiable entre les doigts de contact et la tige fixe.

Lors de l'opération d'ouverture, le pignon continue de se déplacer vers l'extérieur le long du plan incliné jusqu'à ce qu'il se désengage complètement. Le ressort de retour tire ensuite la tige de poussée, faisant ouvrir les doigts de contact en forme de "V", rompant ainsi la connexion électrique.

3. Étude de cas

3.1 Observation et analyse des défauts

Dans une certaine année, lors d'une opération de commutation dans une sous-station de 110 kV, un disjoncteur haute tension n'a pas pu s'ouvrir. Une inspection complète a été immédiatement menée sur le système de mise à la terre, le système conducteur principal, l'interverrouillage mécanique, les tubes conducteurs supérieurs et inférieurs, et le mécanisme d'entraînement motorisé. L'enquête a révélé que le pignon de transmission à l'intérieur de la boîte du mécanisme motorisé était endommagé, et que des composants tels que les goupilles et les articulations étaient fracturés. Le personnel d'exploitation et de maintenance a signalé le défaut, et des mesures correctives ont été mises en œuvre selon le programme de maintenance annuel.

3.2 Mesures d'amélioration

(1) Composants auxiliaires mis à niveau
Les goupilles et les articulations ont été remplacées par de l'acier inoxydable de haute qualité pour prévenir la corrosion lors d'une utilisation à long terme. Des paliers imprégnés de graphite et composites—résistants à la corrosion et présentant des coefficients de frottement faibles—ont été adoptés pour améliorer l'efficacité de transmission. Toutes les parties métalliques exposées ont été galvanisées à chaud, améliorant considérablement la performance anticorrosion. L'expérience sur le terrain confirme que la galvanisation à chaud est bien adaptée aux applications en extérieur.

(2) Mécanisme d'entraînement motorisé amélioré
Le mécanisme motorisé CJ7A d'origine a été remplacé par le modèle CJ11 plus récent. Une photographie du mécanisme CJ11 mis à niveau est montrée à la Figure 1.

(3) Conception avancée de l'interrupteur auxiliaire
L'interrupteur auxiliaire est un composant secondaire critique qui fournit des signaux d'état ouvert/fermé. En cas de défaillance, cela pourrait entraîner des signaux incorrects et un dysfonctionnement opérationnel. La nouvelle conception utilise un mécanisme de micro-interrupteur à came avancé au niveau international, assurant une commutation fiable, une rotation fluide et une immunité aux défaillances lors des transitions ouvert/fermé.

(4) Protection de contrôle du moteur
Après l'achèvement d'une opération d'ouverture ou de fermeture, l'alimentation du moteur est d'abord coupée par l'interrupteur auxiliaire. Si l'interrupteur auxiliaire échoue, les interrupteurs de fin de course sur les côtés ouvert et fermé déconnectent le moteur. Si ceux-ci échouent également, les butées mécaniques sur les deux côtés activent un relais thermique pour couper l'alimentation. Ce système de protection tri-niveaux arrête de manière fiable le moteur après chaque opération, empêchant tout mouvement incontrôlé et potentiel dommage mécanique.

(5) Système de transmission mécanique
Un système d'entraînement par crémaillère et vis sans fin est utilisé. La vis sans fin, les liaisons et les autres composants de réduction sont usinés avec précision et scellés dans un boîtier en alliage d'aluminium. Cette conception assure un fonctionnement fluide, un faible niveau de bruit et l'absence de chocs d'impact.

(6) Système de contrôle secondaire
Le panneau de commande présente une disposition rationnelle et esthétique avec une structure à porte charnière, facilitant le câblage et la maintenance sur site tout en assurant un fonctionnement sûr et fiable du système secondaire.

(7) Étanchéité du boîtier
Le boîtier du mécanisme utilise un joint d'étanchéité à coussin d'air sur la porte. Tant la porte que le couvercle supérieur sont fabriqués en acier inoxydable d'une épaisseur de 2,5 mm, tandis que le corps principal est en acier inoxydable d'une épaisseur de 2 mm, offrant une excellente résistance au vent, au sable et à la corrosion.

4. Conclusion

Basée sur des années d'expérience opérationnelle et d'analyse des pannes des mécanismes de moteurs de disjoncteurs dans cette sous-station de 110 kV, le mécanisme original a été mis à niveau vers le modèle CJ11 développé par le groupe Pinggao—un nouveau mécanisme de commande motorisé à vis sans fin conçu et développé indépendamment. Cette conception améliorée surmonte les insuffisances précédentes en termes d'ingénierie et de fabrication, offrant une fiabilité opérationnelle élevée, un mouvement fluide, un rendement de transmission élevé, absence d'impact inertiel, un faible niveau de bruit, une forte interchangeabilité et une apparence attrayante.

En plus de l'opération électrique locale et à distance, le mécanisme CJ11 supporte également l'opération manuelle. Les tests pratiques sous charge nominale ont démontré sa capacité à effectuer plus de 10 000 opérations mécaniques de manière fiable.