Gestione dei guasti del disconnettore ad alta tensione che non si apre in una sottostazione a 110 kV

Secondo le normative pertinenti, gli interruttori ad alto voltaggio sono autorizzati a eseguire le seguenti operazioni:

• Commutazione (apertura/chiusura) di trasformatori di tensione (PT) e parafuoco in funzione normale;

• Commutazione del disgiuntore di messa a terra del neutro del trasformatore principale in condizioni operative normali;

• Commutazione di circuiti a corrente ridotta per bilanciare le correnti circolanti.

Un interruttore ad alto voltaggio è un componente elettrico privo di capacità di spegnimento dell'arco. Pertanto, può essere manovrato solo quando si trova in posizione aperta. L'operazione di un interruttore sotto carico, ovvero con l'interruttore associato chiuso o l'equipaggiamento sottoposto a tensione, può generare archi elettrici intensi. In casi gravi, ciò può causare cortocircuiti tra fasi, danneggiare l'equipaggiamento e mettere a rischio la sicurezza del personale.

Quando l'interruttore è in stato aperto, deve esserci una separazione visibile e affidabile tra i contatti mobili e fissi, che soddisfi la distanza di isolamento richiesta. Al contrario, quando è chiuso, deve portare in modo affidabile sia la corrente di carico normale che la corrente di cortocircuito. La funzione principale di un interruttore è fornire un punto di isolamento affidabile tra parti viventi ad alto voltaggio e la fonte di alimentazione o la barra, garantendo un'interruzione chiara per la manutenzione sicura delle linee senza tensione.

Gli interruttori ad alto voltaggio possono anche essere utilizzati in coordinazione con le linee di trasmissione della sottostazione per eseguire operazioni di commutazione, modificando così la configurazione operativa della sottostazione. Ad esempio, in una sottostazione con doppia barra, la barra operativa può essere trasferita alla barra di riserva o i componenti elettrici su una barra possono essere commutati sull'altra utilizzando l'interruttore di collegamento tra le barre e gli interruttori ad alto voltaggio su entrambi i lati dell'interruttore di collegamento. Tuttavia, a causa delle frequenti operazioni di commutazione, possono verificarsi guasti come l'impossibilità di aprire o chiudere l'interruttore. Questi guasti devono essere diagnosticati e analizzati sistematicamente. Se esistono difetti intrinseci all'interruttore stesso, sono necessarie migliorie progettuali.

1. Caratteristiche degli interruttori

Di solito, un interruttore è installato su ciascun lato di un interruttore per creare un punto di interruzione visibile, migliorando la sicurezza e facilitando la manutenzione. L'alimentazione viene fornita dalla barra superiore attraverso un armadio di distribuzione al ramo uscente. L'interruttore a monte dell'interruttore principale isola principalmente la fonte di alimentazione. Tuttavia, occasionalmente, l'alimentazione può provenire dal lato a valle, ad esempio tramite flusso inverso da altri circuiti o condensatori, rendendo necessario un secondo interruttore a valle dell'interruttore principale.

Una certa sottostazione a 110 kV utilizza interruttori ad alto voltaggio di tipo GW16B/17B-252. Le loro specifiche tecniche sono elencate nella Tabella 1. Questo interruttore è un dispositivo ad alto voltaggio a tre poli per uso esterno, progettato per operazioni di commutazione a vuoto in sottostazioni a 110 kV, fornendo isolamento elettrico tra l'equipaggiamento in manutenzione e i circuiti sottoposti a tensione.

Le caratteristiche principali di questo disconnettore includono una struttura compatta, alta resistenza all'ossidazione, funzionamento stabile e forte resistenza sismica. Il suo sistema di contatto meccanico adotta un semplice design a braccio singolo flessibile, con i componenti di trasmissione alloggiati all'interno del tubo conduttore per proteggerli dall'interferenza ambientale esterna. All'interno del tubo conduttore sono installate una coppia di molle di bilanciamento e un set di molle di serraggio: le prime garantiscono un equilibrio meccanico affidabile durante le operazioni di apertura e chiusura, mentre queste ultime forniscono una pressione sufficiente per il serraggio sicuro.

Poiché i disconnettori sono tipicamente installati all'esterno, sono soggetti a influenze esterne come vento e attività sismica. Per migliorare la affidabilità operativa, è integrato nel corpo del disconnettore un meccanismo di bloccaggio che assicura una chiusura stabile e sicura. Entrambi il disconnettore e l'interruttore di messa a terra utilizzano tubi conduttori in lega di alluminio, con contatti mobili e fissi rivestiti d'argento o d'oro per garantire resistenza all'usura, robustezza meccanica e stabilità elettrica nelle giunture rotanti.

L'interruttore di messa a terra presenta una struttura a braccio singolo oscillante. Durante la chiusura, il contatto mobile ruota prima e poi si muove verticalmente verso l'alto per ingaggiare il contatto fisso, prevenendo rimbalzi o rinculi. Questo design assicura una chiusura affidabile e stabilità dinamica e termica costante in condizioni di corrente cortocircuitale nominale.

2. Struttura e principio di funzionamento del disconnettore

Il processo di funzionamento di un disconnettore consiste in due azioni principali: l'azione di flessione e l'azione di serraggio.

2.1 Azione di flessione

Guidata da un meccanismo rotativo orizzontale, una coppia di ingranaggi montati sull'isolatore ceramico rotante guida due set di quattro barre a catena per eseguire un movimento piano. Sotto questa guida, il tubo conduttore inferiore ruota in avanti per chiudere (operazione di chiusura) o indietro per aprire (operazione di apertura). L'asta di comando articolata in cima allo spindolo di manovra genera quindi uno spostamento assiale rispetto al tubo conduttore inferiore.

L'estremità superiore di questa asta di comando articolata è collegata a un insieme di ingranaggi e catene. Mentre l'asta si muove, fa ruotare la catena, che a sua volta aziona l'ingranaggio. Ciò causa il movimento del tubo conduttore superiore, fissato all'albero dell'ingranaggio, rispetto al tubo conduttore inferiore, sia rettificando (chiudendo) che piegando (aprendo).

Simultaneamente, mentre l'asta di comando articolata subisce uno spostamento assiale, le molle di bilanciamento all'interno del tubo conduttore accumulano e rilasciano continuamente energia. Questo bilancia efficacemente il forte momento frenante, assicurando un funzionamento fluido e stabile durante l'intero ciclo di commutazione.

2.2 Azione di serraggio

Mentre il disconnettore si muove dalla posizione aperta verso quella chiusa e si avvicina all'allineamento completo (cioè, configurazione quasi rettilinea), l'ingranaggio si impegna con un piano inclinato sulla scatola riduttrice e continua a scivolare lungo di esso. A questo punto, sotto la reazione della molla di ritorno, l'asta di comando articolata, collegata all'ingranaggio-catena, si muove in avanti.

Questo movimento in avanti viene trasmesso attraverso l'insieme dei contatti mobili, dove un'asta di spinta converte il movimento lineare in un'azione di serraggio delle dita di contatto. Una volta che l'asta del contatto fisso è saldamente afferrata, l'ingranaggio scivola leggermente verso l'alto lungo il piano inclinato per raggiungere la chiusura meccanica completa.

A questo stadio, la molla di serraggio all'interno del tubo conduttore viene ulteriormente compressa e esercita forza sull'asta di spinta, assicurando una forza di guida stabile che mantiene una pressione di contatto costante e affidabile tra le dita di contatto e l'asta fissa.

Durante l'operazione di apertura, l'ingranaggio continua a muoversi all'esterno lungo il piano inclinato fino a disimpegnarsi completamente. La molla di ritorno tira quindi l'asta di spinta, causando l'apertura delle dita di contatto in forma di "V", interrompendo così la connessione elettrica.

3. Studio di caso

3.1 Osservazione e analisi del guasto

In un certo anno, durante un'operazione di commutazione in una sottostazione a 110 kV, un disconnettore ad alta tensione non è riuscito ad aprirsi. È stata immediatamente condotta un'ispezione completa del sistema di messa a terra, del sistema conduttore principale, dell'interblocco meccanico, dei tubi conduttori superiori/inferiori e del meccanismo di manovra motorizzato. L'indagine ha rivelato che l'ingranaggio di trasmissione all'interno della scatola del meccanismo motore era danneggiato, e componenti come perni e giunti erano fratturati. Il personale di manutenzione ha segnalato il difetto, e sono state implementate misure correttive secondo il programma di manutenzione annuale.

3.2 Misure di miglioramento

(1) Aggiornamento dei componenti ausiliari
I perni e i giunti sono stati sostituiti con acciaio inossidabile di alta qualità per prevenire la corrosione durante l'operazione a lungo termine. Sono stati adottati cuscinetti impregnati di grafite e compositi resistenti alla corrosione e con coefficienti di attrito bassi per migliorare l'efficienza di trasmissione. Tutte le parti ferrose esposte sono state galvanizzate a caldo, migliorando significativamente le prestazioni anticorrosive. L'esperienza sul campo conferma che la galvanizzazione a caldo è ben adatta per le applicazioni all'aperto.

(2) Miglioramento del meccanismo di manovra motorizzato
Il meccanismo motore originale CJ7A è stato sostituito con il modello più recente CJ11. Una fotografia del meccanismo CJ11 aggiornato è mostrata nella Figura 1.

(3) Progettazione avanzata dell'interruttore ausiliario
L'interruttore ausiliario è un componente secondario critico che fornisce segnali di stato aperto/chiuso. Un guasto potrebbe risultare in segnalazioni errate e malfunzionamenti operativi. Il nuovo design utilizza un meccanismo di micro-interruttore a camma avanzato a livello internazionale, assicurando un commutazione affidabile, una rotazione fluida e immunità ai malfunzionamenti durante le transizioni aperto/chiuso.

(4) Protezione del controllo del motore
Dopo il completamento di un'operazione di apertura o chiusura, l'alimentazione del motore viene prima interrotta dall'interruttore ausiliario. Se l'interruttore ausiliario fallisce, gli interruttori limite terminali sui lati apertura e chiusura disconnettono il motore. Se questi dovessero anche fallire, i fermi meccanici su entrambi i lati attivano un relè termico per interrompere l'alimentazione. Questo sistema di protezione a tre livelli interrompe in modo affidabile il motore dopo ogni operazione, prevenendo movimenti incontrollati e potenziali danni meccanici.

(5) Sistema di Trasmissione Meccanico
Viene utilizzato un sistema di trasmissione a vite senza fine. La vite senza fine, i collegamenti e gli altri componenti di riduzione sono lavorati con precisione e sigillati all'interno di un alloggiamento in lega di alluminio. Questo design assicura un funzionamento regolare, un basso livello di rumore e l'assenza di scosse d'impatto.

(6) Sistema di Controllo Secondario
Il pannello di controllo presenta una disposizione razionale ed esteticamente piacevole con una struttura a porta cardine, facilitando la cablatura e la manutenzione sul posto, garantendo allo stesso tempo un funzionamento sicuro e affidabile del sistema secondario.

(7) Sigillatura dell'Involucro
L'involucro del meccanismo utilizza un sigillaggio ad aria cuscino sulla porta. Tanto la porta quanto il coperchio superiore sono realizzati in acciaio inossidabile spesso 2,5 mm, mentre il corpo principale utilizza acciaio inossidabile spesso 2 mm, offrendo un'eccellente resistenza al vento, alla sabbia e alla corrosione.

4. Conclusione

Basandosi su anni di esperienza operativa e analisi dei guasti nei meccanismi motorizzati degli interruttori di questo impianto elettrico da 110 kV, il meccanismo originale è stato aggiornato al modello CJ11 sviluppato dal Gruppo Pinggao - un nuovo meccanismo motorizzato a vite senza fine progettato e sviluppato indipendentemente. Questo design migliorato supera le carenze precedenti sia in ingegneria che nella produzione, offrendo alta affidabilità operativa, movimento regolare, alta efficienza di trasmissione, assenza di impatto inerziale, basso livello di rumore, forte interscambiabilità e un aspetto attraente.

Oltre all'operazione elettrica locale e remota, il meccanismo CJ11 supporta anche l'operazione manuale. I test pratici in condizioni di carico nominale hanno dimostrato la sua capacità di eseguire oltre 10.000 operazioni meccaniche in modo affidabile.