Manexo de fallos na apertura dun interruptor de alta tensión nunha subestación de 110 kV

Segundo as regulacións pertinentes, permítense aos interruptores de alta tensión realizar as seguintes operacións:

• Comutación (conexión/desconexión) de transformadores de potencia (TP) e pararraios en funcionamento normal;

• Comutación do interruptor de aterramento neutro dun transformador principal en condicións normais de funcionamento;

• Comutación de circuitos de corrente pequena para equilibrar correntes circulantes.

Un interruptor de alta tensión é un compoñente eléctrico sen capacidade de apagar o arco. Polo tanto, só pode ser operado cando está na posición aberta. Operar un interruptor baixo carga, é dicir, mentres o interruptor asociado está pechado ou o equipo está energizado, pode xerar arcos eléctricos intensos. En casos graves, isto pode provocar cortocircuitos entre fases, danar equipos e incluso poñer en perigo a seguridade das persoas.

Cando o interruptor está na posición aberta, debe existir unha separación claramente visible e fiable entre os contactos móveis e estacionarios, satisfacendo a distancia de aislamento requirexida. Por contra, cando está pechado, debe levar de maneira fiable tanto a corrente de carga normal como a corrente de cortocircuito. A función principal dun interruptor é proporcionar un punto de aislamento confiable entre partes vivas de alta tensión e a fonte de enerxía ou barramento, asegurando un corte claro para a manutención segura de liñas desenerxizadas.

Os interruptores de alta tensión tamén poden utilizarse en coordinación con liñas de transmisión de subestacións para realizar operacións de comutación, alterando así a configuración operativa da subestación. Por exemplo, nunha subestación con operación de dúas barras, a barra de operación pode ser transferida á barra de reserva, ou os componentes eléctricos dunha barra poden ser conmutados a outra, usando o interruptor de unión de barras e os interruptores de alta tensión dos dous lados do interruptor de unión. No entanto, debido ás frecuentes operacións de comutación implicadas, poden ocorrer fallos como a incapacidade de abrir ou pechar o interruptor. Estes fallos deben ser diagnosticados e analizados de xeito sistemático. Se existen defectos inerentes ao propio interruptor, son necesarias melloras no deseño.

1. Características dos interruptores

Xeralmente, instálase un interruptor en cada lado dun interruptor de circuito para crear un punto de corte claramente visible, aumentando a seguridade e facilitando a manutención. A enerxía provém da barra superior a través dun armario de switchgear ata a alimentación de saída. O interruptor montante do interruptor de circuito aísola principalmente a fonte de enerxía. No entanto, ocasionalmente a enerxía pode alimentarse desde o lado descendente, por exemplo, mediante fluxo inverso de enerxía de outros circuitos ou capacitores, requirindo un segundo interruptor descendente do interruptor de circuito.

Unha certa subestación de 110 kV emprega interruptores de alta tensión do tipo GW16B/17B-252. As súas especificacións técnicas están listadas na Táboa 1. Este interruptor é un dispositivo de alta tensión exterior de tres polos deseñado para operacións de conmutación sen carga en subestacións de 110 kV, proporcionando aislamento eléctrico entre equipos en mantemento e circuitos energizados.

As características principais deste interruptor inclúen unha estrutura compacta, alta resistencia á oxidación, funcionamento estable e forte desempeño sísmico. O seu sistema de contacto mecánico adopta un deseño simple de flexión de brazo único, con os componentes de transmisión aloxados dentro do tubo condutor para protexilos da interferencia ambiental externa. Dentro do tubo condutor están instalados un par de molas de equilibrio e un conxunto de molas de aperto: as primeiras aseguran un equilibrio mecánico fiábel durante as operacións de abertura e pechado, mentres que as últimas proporcionan suficiente presión de contacto para un aperto seguro.

Dado que os interruptores xeralmente están instalados ao aire libre, están suxeitos a influencias externas como o vento e a actividade sísmica. Para mellorar a fiabilidade do funcionamento, incorporouse un mecanismo de cierre no corpo do interruptor para asegurar un cierre estable e seguro. Tanto o interruptor como o seu interruptor de terra usan tubos conductores de aleación de aluminio, con contactos móveis e fixos recubertos de prata ou ouro para garantir a resistencia ao desgaste, robustez mecánica e estabilidade eléctrica nas articulacións rotativas.

O interruptor de terra presenta unha estrutura de oscilación de brazo único. Durante o cierre, o contacto móvel rota primeiro e logo se move verticalmente cara arriba para enganchar o contacto fixo, evitando o rebote ou o resalto do contacto. Este deseño asegura un cierre fiábel e estabilidade dinámica e térmica constante baixo as condicións de corrente de cortocircuito nominal.

2. Estructura e principio de funcionamento do interruptor

O proceso de funcionamento dun interruptor consiste en dúas accións principais: acción de flexión e acción de aperto.

2.1 Acción de flexión

Guiado por un mecanismo de rotación horizontal, un par de roldanas montadas no aislante de porcelana rotatorio dirixen dous conxuntos de mecanismos de ligazón de cuatro barras para realizar un movemento plano. Baixo esta tracción, o tubo condutor inferior rota cara adiante para pechar (operación de pechado) ou cara atrás para abrir (operación de abertura). A barra de actuación articulada na parte superior do tornillo de operación xera así un desprazamento axial respecto ao tubo condutor inferior.

A extremidade superior desta barra de actuación articulada está conectada a un conxunto de correa e roldana. Cando a barra se move, fai rodar a correa, que a súa vez acciona a roldana. Isto fai que o tubo condutor superior—fixado no eixo da roldana—se mova respecto ao tubo condutor inferior, endereitándose (cerrando) ou dobrándose (abriendo).

Ao mesmo tempo, a medida que a barra de actuación articulada experimenta un movemento axial, as molas de equilibrio dentro do tubo condutor almacenan e liberan enerxía de forma continua. Isto contraresta eficazmente o elevado torque de frenado, asegurando un funcionamento suave e estable durante todo o ciclo de conmutación.

2.2 Acción de aperto

Cando o interruptor se move desde a posición aberta cara a posición pechada e se aproxima á alineación completa (isto é, configuración case recta), a roldana encaixa nun plano inclinado da caixa de cambios e continua deslizando por ela. Neste punto, baixo a forza reactiva da mola de retorno, a barra de actuación articulada—ligada á correa-rodana—move cara adiante.

Este movemento adiante transmite a través do conxunto de contactos móveis, onde unha barra impulsora converte o movemento linear nunha acción de aperto dos dedos de contacto. Unha vez que a varilla de contacto fixo está seguramente agarrada, a roldana desliza ligeramente cara arriba polo plano inclinado para lograr o cierre mecánico completo.

Nesta etapa, a mola de aperto dentro do tubo condutor está máis comprimida e exerce forza sobre a barra impulsora, asegurando unha forza de propulsión estable que mantén unha presión de contacto constante e fiábel entre os dedos de contacto e a varilla fixa.

Durante a operación de abertura, a roldana segue movéndose cara fóra polo plano inclinado ata que se desengancha completamente. A mola de retorno entón puxa a barra impulsora, facendo que os dedos de contacto se abran en forma de "V", rompendo así a conexión eléctrica.

3. Estudo de caso

3.1 Observación e análise de fallos

En certo ano, durante unha operación de conmutación na subestación de 110 kV, un interruptor de alta tensión non conseguiu abrirse. Realizouse inmediatamente unha inspección comprehensiva do sistema de terra, do sistema principal de conducción, do interbloqueo mecánico, dos tubos conductores superior e inferior e do mecanismo de operación motorizado. A investigación revelou que a roldana de transmisión dentro da caixa do mecanismo motor estaba danada, e os compoñentes como os pinos e articulacións estaban fracturados. O persoal de operación e manutención informou do defecto, e implementáronse medidas correctivas segundo o calendario de manutención anual.

3.2 Medidas de mellora

(1) Componentes auxiliares actualizados
Os pinos e articulacións foron substituídos por acero inoxidable de alta calidade para prevenir a corrosión durante a operación a longo prazo. Adoptáronse coxíns impregnados de grafito e compostos—resistentes á corrosión e con coeficientes de fricción baixos—para mellorar a eficiencia de transmisión. Todos os compoñentes ferrosos expostos foron galvanizados por inmersión a calor, mellorando significativamente o rendemento antiferrugín. A experiencia en campo confirma que o galvanizado por inmersión a calor é adecuado para aplicacións ao aire libre.

(2) Mecanismo de operación motorizado mellorado
O mecanismo motor CJ7A orixinal foi substituído polo modelo CJ11 máis recente. Na figura 1 amósase unha fotografía do mecanismo CJ11 actualizado.

(3) Deseño avanzado do interruptor auxiliar
O interruptor auxiliar é un compoñente secundario crítico que proporciona sinais de estado de abertura/pechado. Un fallo podería resultar en sinais incorrectos e malfuncionamento operativo. O novo deseño emprega un mecanismo de microinterruptor de leva impulsado internacionalmente avanzado, asegurando un conmutación fiábel, rotación suave e inmunidade a fallos durante as transicións de abertura/pechado.

(4) Protección de control do motor
Despois de completar unha operación de abertura ou pechado, o poder do motor corta primeiro polo interruptor auxiliar. Se o interruptor auxiliar falla, os interruptores de límite nos lados de abertura e pechado desconectan o motor. Se tamén fallan, os topes mecánicos nos dous lados activan un relé térmico para cortar o poder. Este sistema de protección de tres niveis detén de forma fiábel o motor despois de cada operación, evitando o movemento non controlado e o posible dano mecánico.

(5) Sistema de transmisión mecánica
Úsase un sistema de ligazón por roldana de tornillo. A roldana de tornillo, as ligazóns e outros compoñentes de redución están maquinados con precisión e selados dentro dunha carcasa de aleación de aluminio. Este deseño asegura un funcionamento suave, baixo ruido e sen impactos.

(6) Sistema de control secundario
O panel de control presenta un deseño racional e esteticamente agradábel cunha estrutura de porta articulada, facilitando o cableado e a manutención no local, ao mesmo tempo que asegura un funcionamento seguro e fiable do sistema secundario.

(7) Estanqueidade da carcasa
A carcasa do mecanismo usa un sistema de estanqueidade por coxín de aire na porta. Tanto a porta como a cuberta superior están feitas de acero inoxidable de 2,5 mm de espesor, mentres que o corpo principal usa acero inoxidable de 2 mm de espesor, proporcionando unha excelente resistencia ao vento, á area e á corrosión.

4. Conclusión

Basándose en anos de experiencia operativa e análise de fallos dos mecanismos motores de interruptores de esta subestación de 110 kV, o mecanismo orixinal foi actualizado ao modelo CJ11 desenvolvido polo Grupo Pinggao, un novo mecanismo motorizado de tipo roldana de tornillo deseñado e desenvolvido de forma independente. Este deseño mellorado supera as deficiencias anteriores tanto en xénese como en fabricación, ofrecendo alta fiabilidade operativa, movemento suave, alta eficiencia de transmisión, ausencia de impacto inercial, baixo ruido, forte intercambiabilidade e aspecto atractivo.

Ademais da operación eléctrica local e remota, o mecanismo CJ11 tamén admite a operación manual. As probas prácticas baixo condicións de carga nominal demostraron a súa capacidade para realizar máis de 10.000 operacións mecánicas de maneira fiable.