Uma Breve Discussão sobre a Reforma e Aplicação de Contatos Estacionários em Desconectores de Alta Tensão ao Ar Livre de 220 kV

O disjuntor é o tipo mais amplamente utilizado de equipamento de comutação de alta tensão. Nos sistemas de energia, os disjuntores de alta tensão são dispositivos elétricos de alta tensão usados em coordenação com disjuntores de alta tensão para realizar operações de comutação. Eles desempenham um papel crucial durante a operação normal do sistema de energia, as operações de comutação e a manutenção da subestação. Devido à sua frequente operação e aos altos requisitos de confiabilidade, os disjuntores têm um impacto significativo no projeto, construção e operação segura das subestações e usinas de energia.

O princípio de funcionamento e a estrutura dos disjuntores são relativamente simples. Sua principal característica é a falta de capacidade de extinção de arco; eles só podem abrir ou fechar circuitos sob corrente de carga nula ou muito baixa (geralmente < 2 A). Os disjuntores de alta tensão podem ser classificados pelo ambiente de instalação em tipos externos e internos. Com base na estrutura de suas colunas de suporte isolantes, eles podem ser ainda categorizados como disjuntores de coluna única, dupla ou tripla.

A subestação de 220 kV de uma usina de uma empresa de alumínio é uma subestação totalmente automatizada que está em operação há quase 19 anos. Ela fornece principalmente energia DC para células eletrolíticas de 200 kA e fornece energia de produção, auxiliar e residencial para outras plantas secundárias dentro da empresa. O pátio de comutação externo de 220 kV usa disjuntores de alta tensão AC externos do tipo GW7-220—dispositivos elétricos de alta tensão externos de três colunas, abertura horizontal, trifásico, 50 Hz.

Desde a entrada em operação em 1998, esses disjuntores de alta tensão AC externos permitiram a transferência de barramentos sob condições de carga nula e forneceram isolamento elétrico entre equipamentos desenergizados (como barramentos e disjuntores em manutenção) e linhas de alta tensão energizadas. Após 19 anos de serviço, foi observado um superaquecimento generalizado nos contatos dos disjuntores (leituras de termômetro infravermelho atingindo até 150°C), representando um sério risco de segurança. Esse problema poderia levar ao superaquecimento dos disjuntores de 220 kV, resultando em perda de fase, soldagem de contatos ou curto-circuito por arco elétrico—potencialmente causando um apagão total e paralisia do sistema de subestação inteiro.

Em resposta, foram realizadas coleta de dados e análise de causa raiz, levando à identificação das principais causas do superaquecimento dos contatos. Medidas eficazes de retrofit foram implementadas e subsequentemente promovidas para aplicação mais ampla.

Estrutura e Princípio de Funcionamento do Disjuntor de Alta Tensão AC Externo GW7-220

Este disjuntor possui uma estrutura de três colunas, rotação horizontal, composta por uma base, colunas de suporte isolantes, um sistema condutor, um disjuntor de terra (exceto versões não aterradas) e um mecanismo de acionamento. A base é soldada a partir de aço canal e chapas de aço, com três suportes de montagem: dois fixos nas extremidades e um rotativo no meio. Dentro da caixa de aço canal estão as ligas de transmissão e as placas de intertravamento. Placas de montagem são soldadas abaixo da base para fixação segura na fundação. As bases estão disponíveis em três configurações: não aterradas, aterradas em um lado e aterradas em ambos os lados. Para as versões aterradas, suportes de disjuntores de terra são soldados em um ou ambos os lados da base, com disjuntores de terra montados conforme necessário, selecionados com base nos requisitos do circuito.

O conjunto condutor é fixado no topo das colunas isolantes e consiste em uma lâmina móvel (faca condutora) e contatos estacionários. A faca consiste em dois tubos de cobre conectados por dois blocos de cobre a uma tampa de alumínio, com uma ponta de contato cilíndrica soldada no final. Os contatos estacionários apresentam um design de contato múltiplo em forma de dedo. Cada dedo de contato tem uma mola de tensão independente, fornecendo um curso de inserção suficiente para manter o contato confiável mesmo sob forças de tensão do barramento. Uma mola de retorno inclina ligeiramente o contato estacionário para garantir movimentos de abertura/fechamento suaves e coordenados.

O mecanismo de acionamento inclui opções elétrica e manual. O mecanismo elétrico usa um motor assíncrono para acionar uma redução mecânica, girando o eixo principal por 180°. A força é transmitida através de tubos de aço de conexão ao disjuntor, e as ligas giram a coluna isolante central por 71°, fazendo com que os contatos móveis nas extremidades da barra condutora se insiram ou retirem dos contatos estacionários, completando as operações de fechamento ou abertura. Posições de morto-centro mecânico nas ligas fornecem travamento automático nos pontos finais do curso. A operação manual está disponível para comissionamento ou em caso de falha do mecanismo elétrico.

Análise das Causas do Superaquecimento dos Contatos em Disjuntores de Alta Tensão Externos

O pátio de comutação externo de 220 kV da empresa de alumínio possui 24 conjuntos de disjuntores GW7-220, servindo duas linhas de entrada de 220 kV, unidades retificadoras #1–#4 e transformadores de potência #1 e #2, totalizando 144 contatos estacionários. Durante inspeções de rotina, o superaquecimento foi avaliado observando-se brilho térmico, descoloração ou medições de temperatura superiores a 70°C nos pontos de contato. As estatísticas mostram que de janeiro a dezembro de 2014, houve 13 interrupções não programadas devido ao superaquecimento dos contatos dos disjuntores—uma média de 1,08 incidentes por mês.

Testes e análises repetidos dos contatos revelaram as seguintes causas raiz:

• Cada contato estacionário consiste em seis contatos independentes em forma de dedo, resultando em área de contato total insuficiente e distribuição desigual de corrente pelos dedos—um defeito estrutural.

• Múltiplos componentes de contato móvel permitem que a corrente flua através das molas de contato, causando recristalização, perda de elasticidade, redução da pressão de contato e piora da resistência de contato, exacerbando o aquecimento.

• Condições adversas externas (sol, chuva) combinadas com seleção inadequada de materiais (aço padrão para molas de tensão e pinos de contato) levaram a corrosão severa, envelhecimento, fadiga das molas, degradação das propriedades mecânicas, força de contato insuficiente e resistência excessiva do circuito.

• A erosão por arco causou picotamento e oxidação severa nas superfícies de contato, aumentando ainda mais a resistência.

Retrofit e Medidas Preventivas para Contatos Estacionários

• Interligue os contatos em forma de dedo originalmente independentes usando tiras flexíveis de cobre para aumentar a área de contato efetiva entre os contatos móveis e estacionários.

• Substitua e atualize as molas de tensão e pinos para aumentar a força da mola e melhorar o aperto do contato.

• Aplique banho de prata nas superfícies de contato móveis e fixas.

• Aplique lubrificante sólido nas superfícies de contato para reduzir o atrito e prevenir a oxidação.

• Implemente monitoramento de temperatura por infravermelho, especialmente nos pontos de conexão dos contatos, e estabeleça um banco de dados de temperatura.

• Realize manutenção, inspeção e limpeza regulares dos desligadores.

Verificação e Resultados da Aplicação

O monitoramento pós-retrofit mostra:

• Sob a mesma temperatura ambiente (17°C) e condições de operação, as temperaturas dos contatos caíram de ~23°C (não modificados) para ~19°C (retrofitados).

• As inspeções visuais durante a manutenção revelaram significativamente menos pontos de danos por arco nos contatos retrofitados em comparação com os não modificados.

Até o momento, 5 unidades de desligadores (30 contatos fixos) foram retrofitadas. Esta solução técnica está sendo progressivamente implementada em todos os desligadores GW7-220 da subestação externa de 220 kV da empresa.

Conclusão

Através de uma análise sistemática do superaquecimento generalizado dos contatos nos desligadores de alta tensão AC externos GW7-220, modificações direcionadas aos contatos fixos foram desenvolvidas e implementadas com sucesso. Esta iniciativa aumentou significativamente a segurança do fornecimento de energia e a estabilidade operacional, além de fornecer experiência valiosa para futuras operações, manutenção e serviços em desligadores GW7-220.