Una Breve Discusión sobre la Modernización y Aplicación de Contactos Estacionarios en Interruptores de Mano de Alta Tensión al Aire Libre de 220 kV

El interruptor es el tipo de equipo de conmutación de alta tensión más ampliamente utilizado. En los sistemas de energía, los interruptores de alta tensión son dispositivos eléctricos de alta tensión utilizados en coordinación con los interruptores de circuito de alta tensión para realizar operaciones de conmutación. Desempeñan un papel crucial durante la operación normal del sistema de energía, las operaciones de conmutación y el mantenimiento de las subestaciones. Debido a su frecuente operación y altos requisitos de confiabilidad, los interruptores tienen un impacto significativo en el diseño, construcción y operación segura de las subestaciones y centrales eléctricas.

El principio de funcionamiento y la estructura de los interruptores son relativamente simples. Su característica principal es la falta de capacidad de apagado de arco; solo pueden abrir o cerrar circuitos bajo corriente de carga nula o muy baja (típicamente < 2 A). Los interruptores de alta tensión se pueden clasificar según el entorno de instalación en tipos de exterior e interior. Según la estructura de sus columnas de soporte aislante, se pueden categorizar aún más como interruptores de una columna, dos columnas o tres columnas.

La subestación de 220 kV en una central eléctrica de una empresa de aluminio es una subestación completamente automatizada de paso descendente que ha estado en operación durante casi 19 años. Principalmente suministra energía DC a celdas electrolíticas de 200 kA y proporciona energía de producción, auxiliar y residencial a otras plantas secundarias dentro de la empresa. El patio de maniobras de 220 kV al aire libre utiliza interruptores de alta tensión AC al aire libre GW7-220—equipos eléctricos de alta tensión de tres columnas, de apertura horizontal, trifásicos, de 50 Hz para exteriores.

Desde su puesta en marcha en 1998, estos interruptores de alta tensión AC 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 de circuito en mantenimiento) y líneas de alta tensión en vivo. Después de 19 años de servicio, se ha observado un sobrecalentamiento generalizado de los contactos de los interruptores (lecturas de termómetro infrarrojo alcanzando hasta 150°C), lo que representa un peligro grave de seguridad. Este problema podría llevar a la quema de los interruptores de 220 kV, resultando en pérdida de fase, soldadura de contactos o cortocircuitos por arco eléctrico—potencialmente causando un apagón total y parálisis del sistema de la subestación.

En respuesta, se realizó la recolección de datos y análisis de la causa raíz, lo que llevó a la identificación de las principales causas del sobrecalentamiento de los contactos. Se implementaron medidas de renovación efectivas y se promovieron para una aplicación más amplia.

Estructura y Principio de Funcionamiento del Interruptor de Alta Tensión AC al Aire Libre GW7-220

Este interruptor tiene una estructura de tres columnas con rotación horizontal, compuesta por una base, columnas de soporte aislante, un sistema conductor, un interruptor de tierra (excepto en versiones no aterrizadas) y un mecanismo de accionamiento. La base está soldada con acero en canal y placas de acero, con tres soportes de montaje: dos fijos en los extremos y uno giratorio en el centro. Dentro de la carcasa de acero en canal hay varillas de transmisión y placas de interbloqueo. Las placas de montaje están soldadas debajo de la base para un anclaje seguro a la fundación. Las bases están disponibles en tres configuraciones: no aterrizadas, aterrizadas simple y doble. Para las versiones aterrizadas, los soportes del interruptor de tierra están soldados a uno o ambos extremos de la base, con los interruptores de tierra montados en consecuencia, seleccionados según los requisitos del circuito.

El conjunto conductor se fija en la parte superior de las columnas aislantes y consta de una hoja móvil (cuchilla conductora) y contactos estacionarios. La cuchilla consiste en dos tubos de cobre conectados a través de dos bloques de cobre a una cubierta de aluminio, con un contacto puntual cilíndrico soldado en el extremo. Los contactos estacionarios tienen un diseño de contacto múltiple en forma de dedo. Cada dedo de contacto tiene un resorte de tensión independiente, proporcionando un recorrido de inserción suficiente para mantener un contacto confiable incluso bajo fuerzas de tensión de la barra. Un resorte de retorno inclina ligeramente el contacto estacionario para asegurar movimientos de apertura/cierre suaves y coordinados.

El mecanismo de operación incluye opciones tanto eléctricas como manuales. El mecanismo eléctrico utiliza un motor asíncrono que acciona un engranaje reductor mecánico para girar el eje principal 180°. La fuerza se transmite a través de tubos de acero al interruptor, y las varillas de transmisión giran la columna aislante central 71°, haciendo que los contactos móviles en ambos extremos de la barra conductora se inserten o retiren de los contactos estacionarios, completando las operaciones de cierre o apertura. Las posiciones de muerte mecánica en las varillas de transmisión proporcionan un bloqueo automático en los puntos finales del recorrido. La operación manual está disponible para la puesta en marcha o en caso de fallo del mecanismo eléctrico.

Análisis de las Causas del Sobrecalentamiento de los Contactos en los Interruptores de Alta Tensión al Aire Libre

El patio de maniobras de 220 kV al aire libre de la empresa de aluminio tiene 24 conjuntos de interruptores GW7-220 que sirven a dos líneas entrantes de 220 kV, unidades rectificadoras #1–#4 y transformadores de potencia #1 y #2, totalizando 144 contactos estacionarios. Durante las inspecciones de rutina, el sobrecalentamiento se evaluó observando el brillo térmico, el cambio de color o mediciones de temperatura superiores a 70°C en los puntos de contacto. Las estadísticas muestran que de enero a diciembre de 2014, hubo 13 interrupciones no programadas debido al sobrecalentamiento de los contactos de los interruptores—un promedio de 1.08 incidentes por mes.

Pruebas y análisis repetidos de la dinámica de los contactos revelaron las siguientes causas fundamentales:

• Cada contacto estacionario consta de seis contactos en forma de dedo independientes con geometría de contacto puntual, lo que resulta en un área de contacto total insuficiente y una distribución desigual de la corriente a través de los dedos—un defecto estructural.

• Múltiples componentes de contacto móvil permiten que la corriente fluya a través de los resortes de contacto, causando reblandecimiento, pérdida de elasticidad, reducción de la presión de contacto y empeoramiento de la resistencia de contacto, lo que acentúa el calentamiento.

• Condiciones adversas al aire libre (sol, lluvia) combinadas con una selección de materiales subóptima (acero estándar para resortes de tensión y pines de contacto) llevaron a una corrosión severa, envejecimiento, fatiga de los resortes, degradación de las propiedades mecánicas, fuerza de contacto insuficiente y resistencia de bucle excesiva.

• La erosión por arco ha causado picaduras y oxidación severa en las superficies de contacto, aumentando aún más la resistencia.

Medidas de Renovación y Prevención para los Contactos Estacionarios

• Interconectar los contactos en forma de dedo originalmente independientes utilizando correas flexibles de cobre para aumentar el área de contacto efectiva entre los contactos móviles y estacionarios.

• Reemplace y actualice los resortes de tensión y los pasadores para aumentar la fuerza del resorte y mejorar la estanqueidad del contacto.

• Aplique un recubrimiento de plata a las superficies de contacto móviles y fijas.

• Aplique un lubricante sólido a las superficies de contacto para reducir la fricción y prevenir la oxidación.

• Implemente el monitoreo de temperatura por infrarrojos, especialmente en los puntos de conexión de los contactos, y establezca una base de datos de temperaturas.

• Realice mantenimiento, inspección y limpieza regular de los interruptores de desconexión.

Verificación y resultados de aplicación

El monitoreo posterior a la modificación muestra:

• Bajo idéntica temperatura ambiente (17°C) y condiciones de operación, las temperaturas de los contactos disminuyeron de ~23°C (sin modificar) a ~19°C (modificados).

• Las inspecciones visuales durante el mantenimiento revelaron significativamente menos puntos de daño por arco en los contactos modificados en comparación con los no modificados.

Hasta la fecha de redacción, se han modificado 5 unidades de interruptores de desconexión (30 contactos fijos). Esta solución técnica se está implementando progresivamente en todos los interruptores de desconexión GW7-220 en el parque de interruptores al aire libre de 220 kV de la empresa.

Conclusión

A través del análisis sistemático del sobrecalentamiento generalizado de los contactos en los interruptores de desconexión al aire libre de alta tensión AC GW7-220, se desarrollaron e implementaron con éxito modificaciones específicas en los contactos fijos. Esta iniciativa ha mejorado significativamente la seguridad del suministro de energía y la estabilidad operativa, proporcionando también valiosa experiencia para futuras operaciones, mantenimientos y servicios de los interruptores de desconexión GW7-220.