Una Breve Discussione sul Rinnovo e l'Applicazione dei Contatti Fissi nei Disgiuntori ad Alta Tensione all'Aperto da 220 kV

Il disconnettore è il tipo di apparecchiatura di commutazione ad alta tensione più ampiamente utilizzato. Nei sistemi elettrici, i disconnettori ad alta tensione sono dispositivi elettrici ad alta tensione utilizzati in coordinazione con gli interruttori ad alta tensione per eseguire operazioni di commutazione. Svolgono un ruolo critico durante l'operazione normale del sistema elettrico, le operazioni di commutazione e la manutenzione delle sottostazioni. A causa della loro frequente operatività e dei requisiti elevati di affidabilità, i disconnettori hanno un impatto significativo sulla progettazione, costruzione e sicura operatività delle sottostazioni e delle centrali elettriche.

Il principio di funzionamento e la struttura dei disconnettori sono relativamente semplici. La loro caratteristica principale è la mancanza di capacità di spegnimento dell'arco; possono aprire o chiudere circuiti solo sotto corrente senza carico o con correnti molto basse (tipicamente < 2 A). I disconnettori ad alta tensione possono essere classificati in base all'ambiente di installazione in tipi esterni e interni. In base alla struttura dei loro supporti isolanti, possono essere ulteriormente categorizzati come disconnettori a colonna singola, doppia o tripla.

La sottostazione a 220 kV di una centrale elettrica di un'azienda di alluminio è una sottostazione completamente automatizzata che ha operato per quasi 19 anni. Fornisce principalmente energia continua alle celle elettrolitiche da 200 kA e fornisce energia produttiva, ausiliaria e residenziale ad altre impianti secondari all'interno dell'azienda. Il switchyard esterno a 220 kV utilizza disconnettori AC ad alta tensione outdoor GW7-220—dispositivi elettrici ad alta tensione a tre colonne, a rotazione orizzontale, trifase, 50 Hz per uso esterno.

Dalla messa in servizio nel 1998, questi disconnettori AC ad alta tensione esterni hanno permesso il trasferimento di bus senza carico e fornito isolamento elettrico tra attrezzature smaltite (come busbar e interruttori in manutenzione) e linee ad alta tensione alimentate. Dopo 19 anni di servizio, si è osservato un riscaldamento diffuso dei contatti dei disconnettori (le letture del termometro a infrarossi raggiungono fino a 150°C), rappresentando un serio pericolo di sicurezza. Questo problema potrebbe portare al bruciamento dei disconnettori a 220 kV, causando perdita di fase, saldatura dei contatti o cortocircuiti dovuti a fiammate—potenzialmente provocando un blackout totale e la paralisi di tutto il sistema della sottostazione.

In risposta, sono stati condotti raccolta di dati e analisi delle cause radice, identificando le cause principali del riscaldamento dei contatti. Sono state implementate misure di retrofit efficaci e successivamente promosse per applicazioni più ampie.

Struttura e Principio di Funzionamento del Disconnettore AC Esterno a 220 kV GW7-220

Questo disconnettore presenta una struttura a tre colonne con rotazione orizzontale, composta da una base, supporti isolanti, un sistema conduttore, un interruttore di terra (eccetto per le versioni non a terra) e un meccanismo di azionamento. La base è saldata con profili in acciaio e lastre d'acciaio, con tre supporti di montaggio: due fissi alle estremità e uno rotante al centro. All'interno della scatola in acciaio ci sono collegamenti di trasmissione e piastre di blocco. Sotto la base sono saldate piastre di montaggio per un fissaggio sicuro alla fondazione. Le basi sono disponibili in tre configurazioni: non a terra, a terra singola e a terra doppia. Per le versioni a terra, i supporti per l'interruttore di terra sono saldati a una o entrambe le estremità della base, con interruttori di terra montati di conseguenza, selezionati in base ai requisiti del circuito.

L'insieme conduttore è fisso in cima alle colonne isolanti e comprende una lama mobile (coltello conduttore) e contatti stazionari. Il coltello è composto da due tubi di rame collegati tramite due blocchi di rame a un rivestimento in alluminio, con una punta di contatto cilindrica saldata all'estremità. I contatti stazionari presentano un design a dita multi-punto. Ogni dito di contatto ha una molla di tensione indipendente, fornendo un adeguato spazio di inserimento per mantenere un contatto affidabile anche sotto forze di tensione della busbar. Una molla di ritorno inclina leggermente il contatto stazionario per assicurare movimenti di apertura/chiusura fluidi e coordinati.

Il meccanismo di azionamento include opzioni sia elettriche che manuali. Il meccanismo elettrico utilizza un motore asincrono che aziona un riduttore meccanico per far ruotare l'albero principale di 180°. La forza viene trasmessa attraverso tubi d'acciaio al disconnettore, e i collegamenti fanno ruotare la colonna isolante centrale di 71°, causando l'inserimento o l'estrazione dei contatti mobili agli estremi della barra conduttrice nei contatti stazionari, completando le operazioni di chiusura o apertura. Posizioni di morta meccanica nei collegamenti forniscono un bloccaggio automatico agli estremi del percorso. L'operazione manuale è disponibile per la messa in servizio o in caso di guasto del meccanismo elettrico.

Analisi delle Causa del Riscaldamento dei Contatti nei Disconnettori Ad Alta Tensione Esterni

Lo switchyard esterno a 220 kV dell'azienda di alluminio dispone di 24 set di disconnettori GW7-220 che servono due linee in entrata a 220 kV, unità rettificatrici #1–#4 e trasformatori di potenza #1 e #2, per un totale di 144 contatti stazionari. Durante le ispezioni di routine, il riscaldamento è stato valutato osservando tremolii termici, cambiamenti di colore o misurazioni di temperatura superiori a 70°C nei punti di contatto. Le statistiche mostrano che da gennaio a dicembre 2014, ci sono stati 13 guasti imprevisti dovuti al riscaldamento dei contatti dei disconnettori—una media di 1,08 incidenti al mese.

Test e analisi ripetuti dei dinamici dei contatti hanno rivelato le seguenti cause radice:

• Ogni contatto stazionario è composto da sei contatti a dito indipendenti con geometria a contatto puntuale, risultando in un'area totale di contatto insufficiente e una distribuzione irregolare della corrente tra le dita—un difetto strutturale.

• Molti componenti di contatto mobili permettono al flusso di corrente attraverso molle di contatto, causando annealing, perdita di elasticità, riduzione della pressione di contatto e peggioramento della resistenza di contatto, che esacerbano il riscaldamento.

• Condizioni ambientali esterne severe (sole, pioggia) unite a una scelta di materiali subottimale (acciaio standard per molle di tensione e pin di contatto) hanno portato a una corrosione severa, invecchiamento, fatica delle molle, degradazione delle proprietà meccaniche, forza di contatto insufficiente e resistenza di anello eccessiva.

• L'erosione da arco ha causato pitting e ossidazione severa sulle superfici di contatto, aumentando ulteriormente la resistenza.

Retrofit e Misure Preventive per i Contatti Stazionari

• Interconnettere i contatti a dito originariamente indipendenti utilizzando nastri flessibili di rame per aumentare l'area effettiva di contatto tra i contatti mobili e stazionari.

• Sostituire e aggiornare le molle di tensione e i perni per aumentare la forza della molla e migliorare la strettezza del contatto.

• Applicare rivestimento d'argento sia alle superfici di contatto mobili che fisse.

• Applicare un lubrificante solido sulle superfici di contatto per ridurre l'attrito e prevenire l'ossidazione.

• Implementare il monitoraggio termico a infrarossi, in particolare nei punti di connessione dei contatti, e stabilire un database delle temperature.

• Eseguire regolari manutenzioni, ispezioni e pulizie degli interruttori.

Verifica e risultati dell'applicazione

Il monitoraggio post-aggiornamento mostra:

• In condizioni ambientali identiche (17°C) e di funzionamento, le temperature dei contatti sono scese da ~23°C (non modificati) a ~19°C (modificati).

• Le ispezioni visive durante la manutenzione hanno rivelato significativamente meno aree danneggiate dagli archi sui contatti modificati rispetto a quelli non modificati.

Al momento della stesura, 5 unità di interruttori (30 contatti fissi) sono state modificate. Questa soluzione tecnica sta venendo progressivamente implementata su tutti gli interruttori GW7-220 nel campo di commutazione all'aperto da 220 kV dell'azienda.

Conclusione

Attraverso un'analisi sistematica del sovrarriscaldamento diffuso dei contatti negli interruttori ad alta tensione AC all'aperto GW7-220, sono state sviluppate e implementate con successo modifiche mirate ai contatti fissi. Quest'iniziativa ha notevolmente migliorato la sicurezza dell'energia elettrica e la stabilità operativa, fornendo anche una preziosa esperienza per le future operazioni, manutenzioni e servizi sugli interruttori GW7-220.