Breve discusión sobre a retrofit e aplicación de contactos estacionarios en desconnectores de alta tensión ao aire de 220 kV

O interruptor de separação é o tipo máis amplamente utilizado de equipo de conmutación de alta tensión. Nos sistemas eléctricos, os interruptores de separación de alta tensión son dispositivos eléctricos de alta tensión utilizados en coordinación coas interrupcións de circuito de alta tensión para realizar operacións de conmutación. Xogan un papel crítico durante a operación normal do sistema eléctrico, as operacións de conmutación e a manutención das subestacións. Debido á súa frecuente operación e aos altos requisitos de fiabilidade, os interruptores de separación teñen un impacto significativo no deseño, construción e operación segura das subestacións e centrais eléctricas.

O principio de funcionamento e a estrutura dos interruptores de separación son relativamente simples. A súa característica principal é a falta de capacidade de apagar o arco; só poden abrir ou pechar circuitos baixas condicións de corrente nula ou moi baixa (xeralmente < 2 A). Os interruptores de separación de alta tensión poden clasificarse segundo o ambiente de instalación en tipos exteriores e interiores. Basándose na estrutura das súas columnas de soporte aislante, poden dividirse ademais en interruptores de separación de columna única, dobre ou triple.

A subestación de 220 kV dunha empresa de aluminio é unha subestación totalmente automatizada de redución de tensión que está en funcionamento desde hai case 19 anos. Principalmente fornece enerxía eléctrica CD a celdas electrolíticas de 200 kA e proporciona enerxía de produción, auxiliar e residencial a outras plantas secundarias dentro da empresa. O parque de interruptores exterior de 220 kV usa interruptores de separación AC de alta tensión ao aire libre do tipo GW7-220—equipos eléctricos de alta tensión de tres columnas, abertura horizontal, trifásicos, 50 Hz para exterior.

Desde a súa puesta en marcha en 1998, estes interruptores de separación AC de alta tensión ao aire libre permitiron a transferencia de barras baixas condicións de corrente nula e proporcionaron aislamento eléctrico entre equipos desenerxizados (como barras e interrupcións de circuito en mantemento) e liñas de alta tensión activas. Despois de 19 anos de servizo, observouse un sobreaquecemento xeralizado dos contactos dos interruptores de separación (lecturas de termómetro infravermellos chegando a 150°C), supoñendo un serio perigo de seguridade. Este problema podería levar ao derretimento dos interruptores de separación de 220 kV, resultando en perda de fase, soldadura de contactos ou curtos-circuitos por arcos eléctricos—potencialmente causando un apagón completo e a parálise de todo o sistema de subestación.

En resposta, realizáronse a recollida de datos e o análise da causa raíz, identificándose as principais causas do sobreaquecemento dos contactos. Implementáronse medidas de reforma eficaces e posteriormente promovéronse para un uso máis amplo.

Estrutura e Principio de Funcionamento do Interruptor de Separación AC de Alta Tensión ao Ar Libre GW7-220

Este interruptor de separación ten unha estrutura de tres columnas con rotación horizontal, composta por unha base, columnas de soporte aislante, un sistema conductor, un interruptor de terra (excepto nas versións non aterradas) e un mecanismo de accionamento. A base está soldada con perfis de U e chapas de acero, con tres soportes de montaxe: dous fixos nos extremos e un rotatorio no medio. Dentro da carcasa de perfil de U están os eslabóns de transmisión e as placas de bloqueo. As placas de montaxe están soldadas debaixo da base para unha fijación segura da fundación. As bases están dispoñibles en tres configuracións: non aterrada, aterrada simple e aterrada dobre. Para as versións aterradas, os soportes do interruptor de terra están soldados a un ou ambos os extremos da base, montando os interruptores de terra en consecuencia, seleccionados segundo os requisitos do circuito.

O ensamblaxe conductor está fixado na parte superior das columnas aislantes e compónese dunha lâmina móbil (faca de contacto) e contactos estacionarios. A faca de contacto consiste en dous tubos de cobre conectados mediante dous bloques de cobre a unha cuberta de aluminio, cunha punta de contacto cilíndrica soldada no final. Os contactos estacionarios teñen un deseño de contacto múltiple de tipo dedo. Cada dedo de contacto ten unha molla de tracción independente, proporcionando un suficiente desprazamento de inserción para manter un contacto fiábel incluso baixas forzas de tracción da barra. Unha molla de retorno inclina llevemente o contacto estacionario para asegurar unha acción de apertura/pechado suave e coordinada.

O mecanismo de accionamento inclúe opcións eléctricas e manuais. O mecanismo eléctrico usa un motor asíncrono que acciona unha caixa de velocidades mecánica para rotar o eixo principal 180°. A forza transmite-se mediante tubos de acero ao interruptor de separación, e os eslabóns rotan a columna aislante central 71°, provocando que os contactos móviles en ambos os extremos da barra condutora se inserten ou retiren dos contactos estacionarios, completando as operacións de pechado ou apertura. Posicións de morto mecánicas nos eslabóns proporcionan autobloqueo nos puntos finais do desprazamento. A operación manual está dispoñible para a puesta en marcha ou en caso de fallo do mecanismo eléctrico.

Análise das Causas do Sobreaquecemento dos Contactos nos Interruptores de Separación de Alta Tensión ao Ar Libre

O parque de interruptores exterior de 220 kV da empresa de aluminio ten 24 conxuntos de interruptores de separación do tipo GW7-220 que sirven a dúas liñas entrantes de 220 kV, unidades rectificadoras #1–#4 e transformadores de potencia #1 e #2, totalizando 144 contactos estacionarios. Durante as inspeccións rutinarias, o sobreaquecemento avaliouse observando brillo térmico, cambio de cor ou lecturas de temperatura superiores a 70°C nos puntos de contacto. As estatísticas amosan que de xaneiro a decembro de 2014, houbo 13 cortes non programados debido ao sobreaquecemento dos contactos dos interruptores de separación—un promedio de 1,08 incidentes por mes.

As probas repetidas e o análise da dinámica dos contactos revelaron as seguintes causas raíz:

• Cada contacto estacionario consta de seis dedos de contacto independentes con xeometría de contacto puntual, resultando nunha área de contacto total insuficiente e unha distribución desigual da corrente entre os dedos—un defecto estructural.

• Múltiples componentes de contacto móviles permíten que a corrente flua a través das molas de contacto, causando reblandecemento, perda de elasticidade, redución da presión de contacto e agravamento da resistencia de contacto, que exacerbou o aquecemento.

• As condicións adversas ao aire libre (sol, chuvia) combinadas cunha selección de materiais subóptima (acero estándar para as molas de tracción e os pinos de contacto) levou a unha corrosión grave, envelecemento, fatiga das molas, degradación das propiedades mecánicas, insuficiente forza de contacto e resistencia de bucle excesiva.

• A erosión por arco causou picado e oxidación severa nas superficies de contacto, aumentando aínda máis a resistencia.

Reforma e Medidas Preventivas para Contactos Estacionarios

• Interconectar os dedos de contacto orixinalmente independentes usando tiras flexibles de cobre para aumentar a área de contacto efectiva entre os contactos móviles e estacionarios.

• Substituir e actualizar molas de tracción e pínceis para aumentar a forza da mola e mellorar o aperto do contacto.

• Aplicar un recubrimento de prata tanto nas superficies de contacto móvel como estacionario.

• Aplicar un lubrificante sólido nas superficies de contacto para reducir a fricción e prevenir a oxidación.

• Implementar a monitorización de temperatura por infravermellos, especialmente nos puntos de conexión de contacto, e establecer unha base de datos de temperaturas.

• Realizar manutención, inspección e limpeza regular dos interruptores.

Verificación e Resultados da Aplicación

A monitorización posterior á reforma mostra:

• Baixo a mesma temperatura ambiente (17°C) e condicións de funcionamento, as temperaturas de contacto baixaron de ~23°C (sin modificar) a ~19°C (reformado).

• As inspeccións visuais durante a manutención revelaron significativamente menos puntos de danos por arco eléctrico nos contactos reformados en comparación cos non modificados.

Ao escribir isto, 5 unidades de interruptores (30 contactos estacionarios) foron reformadas. Esta solución técnica está sendo implementada progresivamente en todos os interruptores GW7-220 da subestación exterior de 220 kV da empresa.

Conclusión

A través dunha análise sistemática do sobreaquecemento generalizado de contactos nos interruptores de alta tensión AC exteriores GW7-220, foron desenvolvidas e implementadas con éxito modificaciones específicas nos contactos estacionarios. Esta iniciativa mellorou significativamente a seguridade do suministro eléctrico e a estabilidade operativa, ao mesmo tempo que proporcionou experiencia valiosa para futuras operacións, manutención e servizo dos interruptores GW7-220.