Une Brève Discussion sur la Rétrofit et l'Application des Contacts Fixes dans les Disjoncteurs à Haute Tension Extérieurs de 220 kV
Le disjoncteur est le type d'équipement de commutation haute tension le plus largement utilisé. Dans les systèmes électriques, les disjoncteurs haute tension sont des dispositifs électriques à haute tension utilisés en coordination avec les disjoncteurs haute tension pour effectuer des opérations de commutation. Ils jouent un rôle crucial lors de l'exploitation normale du système électrique, des opérations de commutation et de la maintenance des postes électriques. En raison de leur utilisation fréquente et de leurs exigences élevées en termes de fiabilité, les disjoncteurs ont un impact significatif sur la conception, la construction et l'exploitation sûre des postes électriques et des centrales électriques.
Le principe de fonctionnement et la structure des disjoncteurs sont relativement simples. Leur caractéristique principale est l'absence de capacité d'extinction d'arc ; ils ne peuvent ouvrir ou fermer des circuits que sous des conditions de courant nul ou très faible (généralement < 2 A). Les disjoncteurs haute tension peuvent être classés par environnement d'installation en types extérieurs et intérieurs. Selon la structure de leurs colonnes de support isolantes, ils peuvent être catégorisés comme des disjoncteurs monopoteaux, bipoteaux ou tri-poteaux.
Le poste électrique de 220 kV d'une entreprise d'aluminium est un poste électrique de réduction entièrement automatisé qui est en service depuis près de 19 ans. Il fournit principalement de l'énergie continue aux cuves électrolytiques de 200 kA et alimente en énergie de production, auxiliaire et résidentielle les autres installations secondaires de l'entreprise. Le parc de commutation extérieur de 220 kV utilise des disjoncteurs haute tension alternatifs GW7-220 extérieurs—à trois poteaux, à ouverture horizontale, triphasés, équipements électriques haute tension extérieurs de 50 Hz.
Depuis sa mise en service en 1998, ces disjoncteurs haute tension alternatifs extérieurs ont permis le transfert de bus sous charge nulle et ont assuré l'isolement électrique entre les équipements hors tension (comme les barres de collecteur et les disjoncteurs en maintenance) et les lignes haute tension sous tension. Après 19 ans de service, une surchauffe généralisée des contacts des disjoncteurs a été observée (les lectures de thermomètres infrarouges atteignant jusqu'à 150°C), posant un danger grave de sécurité. Ce problème pourrait entraîner la destruction des disjoncteurs de 220 kV, aboutissant à une perte de phase, une soudure des contacts ou des courts-circuits par arc, potentiellement causant une panne totale et la paralysie du système entier du poste électrique.
En réponse, une collecte de données et une analyse des causes profondes ont été menées, conduisant à l'identification des causes principales de la surchauffe des contacts. Des mesures de rétrofit efficaces ont été mises en œuvre et promues pour une application plus large.
Structure et principe de fonctionnement du disjoncteur haute tension alternatif extérieur GW7-220
Ce disjoncteur présente une structure à trois poteaux, à rotation horizontale, composée d'une base, de colonnes de support isolantes, d'un système conducteur, d'un interrupteur de terre (sauf pour les versions non mises à la terre) et d'un mécanisme de commande. La base est soudée à partir de cornières et de tôles d'acier, avec trois supports de montage : deux fixes aux extrémités et un rotatif au milieu. À l'intérieur du boîtier en cornière se trouvent des bielles de transmission et des plaques d'interverrouillage. Des plaques de montage sont soudées sous la base pour une fixation solide de la fondation. Les bases sont disponibles en trois configurations : non mises à la terre, à simple mise à la terre et à double mise à la terre. Pour les versions mises à la terre, des supports d'interrupteur de terre sont soudés à une ou aux deux extrémités de la base, avec des interrupteurs de terre montés en conséquence, sélectionnés selon les besoins du circuit.
L'ensemble conducteur est fixé au sommet des colonnes isolantes et comprend une lame mobile (couteau conducteur) et des contacts fixes. Le couteau conducteur est constitué de deux tubes en cuivre reliés par deux blocs en cuivre à un couvercle en aluminium, avec une pointe de contact cylindrique soudée à l'extrémité. Les contacts fixes présentent un design de contact multipoint à doigts. Chaque doigt de contact dispose d'un ressort de tension indépendant, fournissant un déplacement d'insertion suffisant pour maintenir un contact fiable même sous l'effet des forces de tension des barres de collecteur. Un ressort de rappel incline légèrement le contact fixe pour assurer des actions d'ouverture/fermeture fluides et coordonnées.
Le mécanisme de commande comprend des options électriques et manuelles. Le mécanisme électrique utilise un moteur asynchrone entraînant un réducteur mécanique pour faire tourner l'arbre principal de 180°. La force est transmise via des tubes d'acier de connexion au disjoncteur, et les bielles font pivoter la colonne isolante centrale de 71°, provoquant l'insertion ou le retrait des contacts mobiles aux deux extrémités de la tige conductrice dans les contacts fixes, achevant les opérations de fermeture ou d'ouverture. Des positions de mort-mécanique dans les bielles fournissent un verrouillage automatique aux points finaux de course. L'opération manuelle est disponible pour la mise en service ou en cas de défaillance du mécanisme électrique.
Analyse des causes de la surchauffe des contacts dans les disjoncteurs haute tension extérieurs
Le parc de commutation extérieur de 220 kV de l'entreprise d'aluminium comporte 24 ensembles de disjoncteurs GW7-220 servant deux lignes d'entrée de 220 kV, les unités de redresseurs n°1 à n°4, et les transformateurs de puissance n°1 et n°2, totalisant 144 contacts fixes. Lors des inspections de routine, la surchauffe a été évaluée en observant la chaleur visible, la décoloration ou des mesures de température dépassant 70°C aux points de contact. Les statistiques montrent qu'entre janvier et décembre 2014, il y a eu 13 interruptions imprévues dues à la surchauffe des contacts des disjoncteurs, soit une moyenne de 1,08 incidents par mois.
Des tests et analyses répétés des dynamiques de contact ont révélé les causes suivantes :
Chaque contact fixe est composé de six doigts de contact indépendants avec une géométrie de contact ponctuel, ce qui entraîne une surface de contact totale insuffisante et une répartition inégale du courant sur les doigts, un défaut structurel.
De multiples composants de contact mobile permettent au courant de circuler à travers les ressorts de contact, provoquant un recuit, une perte d'élasticité, une diminution de la pression de contact et une aggravation de la résistance de contact, ce qui accentue la chauffe.
Les conditions extérieures sévères (soleil, pluie) combinées à un choix de matériau suboptimal (acier standard pour les ressorts de tension et les broches de contact) ont conduit à une corrosion sévère, un vieillissement, une fatigue des ressorts, une dégradation des propriétés mécaniques, une force de contact insuffisante et une résistance de boucle excessive.
L'érosion par arc a causé des cratères et une oxydation sévère sur les surfaces de contact, augmentant encore la résistance.
Rétrofit et mesures préventives pour les contacts fixes
Interconnectez les doigts de contact initialement indépendants à l'aide de bandes de cuivre flexibles pour augmenter la surface de contact effective entre les contacts mobiles et fixes.
Remplacez et mettez à niveau les ressorts de tension et les broches pour augmenter la force du ressort et améliorer la serrage des contacts.
Appliquez un revêtement d'argent sur les surfaces de contact mobiles et fixes.
Appliquez un lubrifiant solide sur les surfaces de contact pour réduire le frottement et prévenir l'oxydation.
Mettez en place une surveillance de la température par infrarouge, en particulier aux points de connexion des contacts, et établissez une base de données de température.
Effectuez régulièrement l'entretien, l'inspection et le nettoyage des disjoncteurs.
Vérification et résultats d'application
La surveillance post-réfection montre que :
Dans des conditions de température ambiante (17°C) et de fonctionnement identiques, les températures des contacts sont passées d'environ 23°C (non modifiés) à environ 19°C (réfectionnés).
Les inspections visuelles lors de l'entretien ont révélé beaucoup moins de points de dommage par arc électrique sur les contacts réfectionnés par rapport à ceux non modifiés.
À ce jour, 5 unités de disjoncteurs (30 contacts fixes) ont été réfectionnés. Cette solution technique est progressivement déployée sur tous les disjoncteurs GW7-220 de la station de commutation extérieure 220 kV de l'entreprise.
Conclusion
Grâce à une analyse systématique du surchauffe généralisée des contacts dans les disjoncteurs haute tension alternatifs extérieurs GW7-220, des modifications ciblées des contacts fixes ont été développées et mises en œuvre avec succès. Cette initiative a considérablement amélioré la sécurité de l'alimentation électrique et la stabilité opérationnelle, tout en fournissant une expérience précieuse pour l'exploitation, l'entretien et la maintenance future des disjoncteurs GW7-220.
