Una Breu Discussió sobre la Retrobòtica i l'Aplicació de Contactes Estacionaris en Dissoldors d'Alta Tensió Exterior de 220 kV
El interruptor de maniobra és el tipus més utilitzat d'equips d'interconnexió de alta tensió. En els sistemes elèctrics, els interruptors de maniobra de alta tensió són dispositius elèctrics de alta tensió utilitzats en coordinació amb els interruptors automàtics de alta tensió per realitzar operacions de commutació. Juguin un paper crític durant l'operació normal del sistema elèctric, les operacions de commutació i la manteniment de les subestacions. Degut a la seva operació freqüent i als requisits elevats de fiabilitat, els interruptors de maniobra tenen un impacte significatiu en el disseny, la construcció i l'operació segura de les subestacions i les centrals elèctriques.
El principi de funcionament i la estructura dels interruptors de maniobra són relativament simples. La seva característica principal és la falta de capacitat d'extinció d'arc; només poden obrir o tancar circuits en condicions de corrent sense càrrega o molt baixa (normalment < 2 A). Els interruptors de maniobra de alta tensió es poden classificar segons l'entorn d'instal·lació en tipus exterior i interior. Segons l'estructura dels seus suports aïllants, es poden categoritzar com a interruptors de maniobra de una columna, dues columnes o tres columnes.
La subestació de 220 kV d'una central elèctrica d'una empresa d'alumini és una subestació de reducció totalment automatitzada que ha estat en funcionament durant gairebé 19 anys. Principalment proporciona alimentació DC a cèl·lules electrolítiques de 200 kA i subministra energia de producció, auxiliar i residencial a altres subestacions secundàries dins de l'empresa. El parquing de 220 kV exterior utilitza interruptors de maniobra de corrent alternada de alta tensió al aire lliure del tipus GW7-220—interruptors de tres columnes, d'obertura horitzontal, trifàsic, de 50 Hz, equipament elèctric de alta tensió al aire lliure.
Des de la seva puesta en servicio en 1998, estos interruptores de maniobra de corriente alterna al aire libre han permitido la transferencia de barras bajo condiciones sin carga y han proporcionado aislamiento eléctrico entre equipos desenergizados (como barras y interruptores automáticos en mantenimiento) y líneas de alta tensión con carga. Después de 19 años de servicio, se ha observado un sobrecalentamiento generalizado de los contactos de los interruptores de maniobra (lecturas de termómetro infrarrojo llegando hasta 150°C), lo que supone un grave peligro de seguridad. Este problema podría provocar el derretimiento de los interruptores de maniobra de 220 kV, resultando en pérdida de fase, soldadura de contactos o cortocircuitos por arco eléctrico, lo que potencialmente causaría un apagón total y la parálisis de todo el sistema de la subestación.
En resposta, es van recollir dades i s'analitzaren les causes arrel, identificant-se les principals causes del sobrecalentament dels contactes. Es van implementar mesures de reforma eficients i posteriorment es van promoure per a una aplicació més ampla.
Estructura i principi de funcionament de l'interruptor de maniobra de corrent alternada de alta tensió al aire lliure GW7-220
Aquest interruptor de maniobra té una estructura de tres columnes, rotació horitzontal, i consta d'una base, suports aïllants, un sistema conductor, un interruptor de terra (excepte en versions no anclades a terra) i un mecanisme de conducció. La base està soldada amb perfils de canal i plaques d'acer, amb tres braços de muntatge: dos fixos als extrems i un giratori al mig. Dins de la carcassa de perfils de canal hi ha enllaços de transmissió i plaques de bloqueig. Sota la base es solden plaques de muntatge per assegurar l'ancoratge a la fundació. Les bases estan disponibles en tres configuracions: no anclades a terra, anclades a terra unilateralment i anclades a terra bilateralment. Per a les versions anclades a terra, es solden braços de muntatge de l'interruptor de terra a un o tots dos extrems de la base, amb interruptors de terra montats en conseqüència, seleccionats basant-se en els requisits del circuit.
L'ensamblat conductor està fixat al capdavall de les columnes aïllants i consta d'una lamina mòbil (cuchilla conductora) i contactes estacionaris. La cuchilla consisteix en dos tubs de cobre connectats a través de dos blocs de cobre a una coberta d'alumini, amb una punta de contacte cilíndrica soldada al final. Els contactes estacionaris tenen un disseny de contacte múltiple de tipus dits. Cada dit té un ressort de tensió independent, proporcionant un recorregut d'insertció suficient per mantenir un contacte fiable fins i tot sota forces de tensió de les barres. Un ressort de retorn inclina lleugerament el contacte estacionari per assegurar accions d'obertura/tancament suaus i coordinades.
El mecanisme de funcionament inclou opcions tant elèctriques com manuals. El mecanisme elèctric utilitza un motor asíncron que impulsa un engranat reductor mecànic per fer girar l'eix principal 180°. La força es transmet a través de tubs d'acer connectats a l'interruptor de maniobra, i els enllaços fan girar la columna aïllant central 71°, fent que els contactes mòbils als extrems de la barra conductora s'insertin o s'extrenguin dels contactes estacionaris, completant les operacions d'obertura o tancament. Posicions de morta mecànica en els enllaços proporcionen un autobloqueig als punts finals del recorregut. L'operació manual està disponible per a la puesta en servicio o en caso de fallo del mecanismo eléctrico.
Anàlisi de les causes del sobrecalentament dels contactes en els interruptors de maniobra de alta tensió al aire lliure
El parquing de 220 kV al aire lliure de l'empresa d'alumini té 24 conjunts d'interruptors de maniobra GW7-220 que serveixen a dues línies d'entrada de 220 kV, a les unitats de retificació #1–#4 i als transformadors d'energia #1 i #2, totalitzant 144 contactes estacionaris. Durant les inspeccions rutinàries, el sobrecalentament es va avaluar observant la brillantor per calor, el canvi de color o les lectures de temperatura superiors a 70°C en els punts de contacte. Les estadístiques mostren que de gener a desembre de 2014, hi hagué 13 aturades no planificades degudes al sobrecalentament dels contactes dels interruptors de maniobra, amb una mitjana de 1,08 incidents per mes.
Les proves repetitives i l'anàlisi de la dinàmica dels contactes van revelar les següents causes arrel:
Cada contacte estacionari consta de sis dits de contacte independents amb una geometria de contacte puntual, resultant en una àrea total de contacte insuficient i una distribució desigual de la corrent entre els dits, un defecte estructural.
Diverses components de contacte mòbil permeten que la corrent flueixi a través de ressorts de contacte, causant annealing, pèrdua de elasticitat, reducció de la pressió de contacte i aggravant la resistència de contacte, el que exacerba el calentament.
Condicions exteriors severes (sol, pluja) combinades amb una selecció subòptima de materials (acer estàndard per ressorts de tensió i broquetes de contacte) van portar a una corrosió, envejecimiento, fatiga de los resortes, deterioro de las propiedades mecánicas, fuerza de contacto insuficiente y resistencia de bucle excesiva.
La erosió por arco ha causado picaduras y oxidación severa en las superficies de contacto, aumentando aún más la resistencia.
Medidas de reforma y prevención para los contactos estacionarios
Interconnecta els dits de contacte originals independents utilitzant tapes de cobre flexibles per augmentar l'àrea efectiva de contacte entre els contactes mòbils i estacionaris.
Substitueu i actualitzeu les muelles de compressió i els clavells per augmentar la força de les muelles i millorar la estanquitat del contacte.
Aplica un revestiment d'argent a les superfícies de contacte, tant mòbils com estacionàries.
Aplica un lubrificant sòlid a les superfícies de contacte per reduir la fricció i prevenir l'oxidació.
Implementa la monitorització de temperatura per infrarojos, especialment als punts de connexió dels contactes, i establiu una base de dades de temperatures.
Realitza manteniments, inspeccions i netejats regulars dels interruptors de desconnexió.
Verificació i resultats de l'aplicació
La monitorització posterior a la retrofita mostra:
En condicions ambientals idèntiques (17°C) i operatives, les temperatures dels contactes van passar d'uns ~23°C (sense modificar) a uns ~19°C (retrofitat).
Les inspeccions visuals durant el manteniment van revelar significativament menys punts de dany per arc en els contactes retrofitats en comparació amb els no modificats.
Al moment de redactar aquest text, s'han retrofitat 5 unitats d'interruptors de desconnexió (30 contactes estacionaris). Aquesta solució tècnica es va implementant progressivament en tots els interruptors de desconnexió GW7-220 de la subestació exterior de 220 kV de l'empresa.
Conclusió
A través d'una anàlisi sistemàtica de l'escalfament generalitzat dels contactes en els interruptors de desconnexió alts de tensió AC exteriors GW7-220, s'han desenvolupat i implementat modificacions específiques en els contactes estacionaris. Aquesta iniciativa ha millorat significativament la seguretat de subministrament d'energia i l'estabilitat operativa, mentre també proporciona experiència valuosa per a futurs funcionaments, manteniments i serveis en els interruptors de desconnexió GW7-220.
