Manuseio de Falhas de Não Abertura do Disjuntor de Alta Tensão em uma Subestação de 110 kV

Conforme as regulamentações relevantes, os desligadores de alta tensão são permitidos para realizar as seguintes operações:

• Comutação (abertura/fechamento) de transformadores de potencial (PTs) e pára-raios em operação normal;

• Comutação do desligador de aterramento neutro de um transformador principal em condições normais de operação;

• Comutação de circuitos de baixa corrente para equilibrar correntes circulantes.

Um desligador de alta tensão é um componente elétrico sem capacidade de extinção de arco. Portanto, ele só pode ser operado quando está na posição aberta. Operar um desligador sob carga—ou seja, enquanto o disjuntor associado está fechado ou o equipamento está energizado—pode gerar arcos elétricos intensos. Em casos graves, isso pode causar curtos-circuitos entre fases, danificar equipamentos e até mesmo colocar em risco a segurança das pessoas.

Quando o desligador está na posição aberta, deve haver uma separação visível e confiável entre seus contatos móveis e fixos, atendendo à distância de isolamento necessária. Por outro lado, quando fechado, ele deve suportar confiavelmente tanto a corrente de carga normal quanto a corrente de curto-circuito. A função principal de um desligador é fornecer um ponto de isolamento confiável entre partes vivas de alta tensão e a fonte de energia ou barramento, garantindo uma interrupção clara para a manutenção segura de linhas desenergizadas.

Os desligadores de alta tensão também podem ser usados em coordenação com linhas de transmissão de subestações para realizar operações de comutação, alterando, assim, a configuração operacional da subestação. Por exemplo, em uma subestação com operação de duplo barramento, o barramento de operação pode ser transferido para o barramento de reserva—ou componentes elétricos em um barramento podem ser comutados para outro—usando o disjuntor de ligação de barramento e os desligadores de alta tensão dos dois lados do disjuntor de ligação. No entanto, devido às frequentes operações de comutação envolvidas, podem ocorrer falhas, como a incapacidade de abrir ou fechar o desligador. Essas falhas devem ser diagnosticadas e analisadas sistematicamente. Se existirem defeitos inerentes ao próprio desligador, melhorias no design são necessárias.

1. Características dos Desligadores

Geralmente, um desligador é instalado de cada lado de um disjuntor para criar um ponto de interrupção visível—melhorando a segurança e facilitando a manutenção. A energia é fornecida do barramento superior através de um quadro de distribuição para o alimentador de saída. O desligador montante do disjuntor isola principalmente a fonte de energia. No entanto, a energia pode ocasionalmente ser fornecida do lado jusante—por exemplo, por meio de fluxo reverso de outras linhas ou capacitores—necessitando um segundo desligador jusante do disjuntor.

Uma certa subestação de 110 kV emprega desligadores de alta tensão do tipo GW16B/17B-252. Suas especificações técnicas estão listadas na Tabela 1. Este desligador é um dispositivo de alta tensão ao ar livre de três polos, projetado para operações de comutação sem carga em subestações de 110 kV, fornecendo isolamento elétrico entre o equipamento em manutenção e circuitos energizados.

As principais características deste disjuntor incluem uma estrutura compacta, alta resistência à oxidação, operação estável e forte desempenho sísmico. Seu sistema de contato mecânico adota um design simples de flexão de braço único, com componentes de transmissão alojados dentro do tubo condutor para protegê-los de interferências ambientais externas. Dentro do tubo condutor são instalados um par de molas de equilíbrio e um conjunto de molas de aperto: o primeiro garante um equilíbrio mecânico confiável durante as operações de abertura e fechamento, enquanto o último fornece pressão de contato suficiente para o aperto seguro.

Como os disjuntores geralmente são instalados ao ar livre, estão sujeitos a influências externas, como vento e atividade sísmica. Para aumentar a confiabilidade operacional, um mecanismo de travamento é integrado no corpo do disjuntor para garantir o fechamento estável e seguro. Tanto o disjuntor quanto seu interruptor de aterramento usam tubos condutores de liga de alumínio, com contatos móveis e fixos revestidos de prata ou ouro para garantir resistência ao desgaste, robustez mecânica e estabilidade elétrica nas juntas rotativas.

O interruptor de aterramento apresenta uma estrutura de balanço de braço único. Durante o fechamento, o contato móvel primeiro gira e depois se move verticalmente para cima para engajar o contato fixo, prevenindo o rebote ou salto do contato. Este design garante o fechamento confiável e a estabilidade dinâmica e térmica consistente sob condições de corrente de curto-circuito nominal.

2. Estrutura e Princípio de Funcionamento do Disjuntor

O processo de operação de um disjuntor consiste em duas ações principais: ação de dobragem e ação de aperto.

2.1 Ação de Dobra

Guiada por um mecanismo de rotação horizontal, um par de engrenagens montadas no isolador de porcelana rotativo impulsiona dois conjuntos de quatro barras de ligação para realizar movimento plano. Sob este impulso, o tubo condutor inferior gira para frente para fechar (operação de fechamento) ou para trás para abrir (operação de abertura). A haste articulada de acionamento no topo do parafuso de operação, assim, gera deslocamento axial em relação ao tubo condutor inferior.

A extremidade superior desta haste articulada de acionamento está conectada a um conjunto de engrenagem-corrente. À medida que a haste se move, ela gira a corrente, que, por sua vez, impulsiona a engrenagem. Isso faz com que o tubo condutor superior—fixado no eixo da engrenagem—se mova em relação ao tubo condutor inferior, endireitando-se (fechamento) ou dobrando-se (abertura).

Simultaneamente, à medida que a haste articulada de acionamento sofre movimento axial, as molas de equilíbrio dentro do tubo condutor armazenam e liberam energia continuamente. Isso compensa efetivamente o torque de frenagem pesado, garantindo operação suave e estável durante todo o ciclo de comutação.

2.2 Ação de Aperto

Conforme o disjuntor se move da posição aberta para a fechada e se aproxima do alinhamento total (ou seja, configuração quase reta), a engrenagem engaja-se com um plano inclinado na caixa de engrenagens e continua deslizando ao longo dele. Neste ponto, sob a força reativa da mola de retorno, a haste articulada de acionamento—ligada à engrenagem-corrente—move-se para frente.

Este movimento para frente é transmitido através do conjunto de contato móvel, onde uma haste de empurrão converte o movimento linear em uma ação de aperto dos dedos de contato. Uma vez que a haste de contato fixo é seguramente agarrada, a engrenagem desliza levemente para cima ao longo do plano inclinado para alcançar o fechamento mecânico completo.

Nesta etapa, a mola de aperto dentro do tubo condutor é ainda mais comprimida e exerce força sobre a haste de empurrão, garantindo uma força motriz estável que mantém a pressão de contato consistente e confiável entre os dedos de contato e a haste fixa.

Durante a operação de abertura, a engrenagem continua se movendo para fora ao longo do plano inclinado até se desengatar completamente. A mola de retorno então puxa a haste de empurrão, fazendo com que os dedos de contato se abram em forma de "V", rompendo, assim, a conexão elétrica.

3. Estudo de Caso

3.1 Observação e Análise de Falhas

Em certo ano, durante uma operação de comutação na subestação de 110 kV, um disjuntor de alta tensão não conseguiu abrir. Foi imediatamente realizada uma inspeção abrangente no sistema de aterramento, no sistema principal de condução, no intertravamento mecânico, nos tubos condutores superiores e inferiores e no mecanismo de operação motorizado. A investigação revelou que a engrenagem de transmissão dentro da caixa do mecanismo motorizado estava danificada, e componentes como pinos e junções estavam fraturados. O pessoal de operação e manutenção relatou o defeito, e medidas corretivas foram implementadas de acordo com o programa de manutenção anual.

3.2 Medidas de Melhoria

(1) Componentes Auxiliares Atualizados
Pinos e junções foram substituídos por aço inoxidável de alta qualidade para prevenir a corrosão durante a operação a longo prazo. Foram adotados buchas impregnadas de grafite e compostas—resistentes à corrosão e com baixos coeficientes de atrito—para melhorar a eficiência de transmissão. Todas as partes ferrosas expostas foram galvanizadas a quente, melhorando significativamente o desempenho anticorrosivo. A experiência em campo confirma que a galvanização a quente é bem adequada para aplicações ao ar livre.

(2) Mecanismo de Operação Motorizada Aperfeiçoado
O mecanismo motorizado CJ7A original foi substituído pelo modelo CJ11 mais recente. Uma fotografia do mecanismo CJ11 atualizado é mostrada na Figura 1.

(3) Design Avançado de Interruptor Auxiliar
O interruptor auxiliar é um componente secundário crítico que fornece sinais de status de abertura/fechamento. A falha pode resultar em sinalização incorreta e mal funcionamento operacional. O novo design utiliza um mecanismo de microinterruptor de comando por cam, internacionalmente avançado, garantindo comutação confiável, rotação suave e imunidade a falhas durante as transições de abertura/fechamento.

(4) Proteção de Controle do Motor
Após a conclusão de uma operação de abertura ou fechamento, a alimentação do motor é cortada primeiro pelo interruptor auxiliar. Se o interruptor auxiliar falhar, os interruptores de limite terminais nos lados de abertura e fechamento desconectam o motor. Se estes também falharem, os paradores mecânicos em ambos os lados ativam um relé térmico para cortar a energia. Este sistema de proteção em três níveis interrompe confiavelmente o motor após cada operação, evitando movimento descontrolado e potenciais danos mecânicos.

(5) Sistema de Transmissão Mecânica
É utilizado um sistema de acoplamento por engrenagem cilíndrica. A engrenagem cilíndrica, os acoplamentos e outros componentes de redução são usinados com precisão e selados dentro de uma caixa de liga de alumínio. Este design garante operação suave, baixo ruído e ausência de choques de impacto.

(6) Sistema de Controle Secundário
O painel de controle apresenta um layout racional e esteticamente agradável com estrutura de porta articulada, facilitando a fiação e a manutenção no local, ao mesmo tempo em que assegura o funcionamento seguro e confiável do sistema secundário.

(7) Vedação da Caixa
A caixa do mecanismo utiliza vedação por almofada de ar na porta. Tanto a porta quanto a tampa superior são feitas de aço inoxidável com espessura de 2,5 mm, enquanto o corpo principal usa aço inoxidável com espessura de 2 mm, oferecendo excelente resistência ao vento, areia e corrosão.

4. Conclusão

Com base em anos de experiência operacional e análise de falhas nos mecanismos de motorização dos disjuntores desta subestação de 110 kV, o mecanismo original foi atualizado para o modelo CJ11 desenvolvido pelo Grupo Pinggao—um novo mecanismo de operação motorizada do tipo engrenagem cilíndrica, projetado e desenvolvido independentemente. Este design aprimorado supera as deficiências anteriores tanto em engenharia quanto em fabricação, oferecendo alta confiabilidade operacional, movimento suave, alta eficiência de transmissão, ausência de choque inercial, baixo ruído, forte intercambiabilidade e aparência atraente.

Além da operação elétrica local e remota, o mecanismo CJ11 também suporta operação manual. Testes práticos sob condições de carga nominal demonstraram sua capacidade de realizar mais de 10.000 operações mecânicas de forma confiável.