Anàlisi de les causes i mesures preventives per a accidents de crematge d'interruptors de màquina buit

1. Anàlisi del mecanisme d'aturament en interruptors de buit

1.1 Processos d'arc durant l'obertura

Prenent com a exemple l'obertura d'un interruptor, quan la corrent activa el mecanisme d'operació per disparar, el contacte mòbil comença a separar-se del contacte fix. A mesura que augmenta la distància entre els contactes mòbil i fix, el procés es desenvolupa en tres etapes: separació dels contactes, arcing i recuperació dielèctrica post-arc. Un cop s'ha entrat en l'estadi d'arcing, la condició de l'arc elèctric joca un paper decisiu en la salut de l'interruptor de buit.

A mesura que augmenta la corrent de l'arc, l'arc de buit evoluciona des de la regió del punt catedràtic i la columna d'arc cap a la regió anòdica. Amb la reducció contínua de l'àrea de contacte, la densitat de corrent alta genera temperatures altes, causant l'evaporació del material metàl·lic del catedrati. Sota l'influència del camp elèctric, es forma una plasma inicial en el gap. Es produeixen punts catedràtics a la superfície del catedrati, emetent electrons i formant corrent d'emissió de camp, erodint continuament el material metàl·lic i mantenint vapor metàl·lic i plasma. En aquest estadi, amb una corrent d'arc relativament baixa, només el catedrati és actiu.

Quan la corrent d'arc augmenta més, la plasma injecta energia a l'anòdi, fent que el mode d'arc de l'anòdi passi d'un arc difús a un arc concentrat. Aquesta transició està influenciada per factors com el material dels electrodes i la magnitud de la corrent.

1.2 Anàlisi de l'aturament per erosió del contacte

L'erosió del contacte està directament relacionada amb la corrent d'interrupció. Sota la corrent de freqüència de potència nominal, el grau de fusió del contacte és gairebé negligible. L'erosió del contacte ocorre en condicions d'alta corrent i alta temperatura. Quan l'interruptor interromp corrents de curtcircuït que superen la seva corrent nominal, el grau d'erosió del material augmenta nítidament, creant condicions per a la pèrdua de material.

La rugositat superficial dels contactes intensifica la concentració de corrent en les protuberàncies de la superfície, causant un escalfament localitzat més sever. A més, la durada de la corrent d'arc és crítica. Encara que la corrent sigui una corrent de curtcircuït, si la seva durada és massa curta, la quantitat d'erosió del material roman petita.

La causa raonable de l'aturament del contacte és la pèrdua de massa durant el procés d'arcing. El dany del contacte ocorre en dos etapes:

• Erosió del material: L'erosió del material anòdic està alimentada per la plasma. La densitat de flux d'energia a la superfície de l'anòdi és un paràmetre clau per mesurar l'efecte de la plasma sobre l'anòdi. Les investigacions mostren que la densitat de flux d'energia de l'anòdi augmenta amb una corrent d'arc més alta, un gap de contacte més gran i un radi de contacte més petit, promocionant la formació de punts anòdics i l'erosió del material.

• Pèrdua de material: Després de l'extinció de l'arc, les gotes de metall fonit són expulsades de la superfície del contacte degut a la pressió de la plasma. Aquest procés està principalment influenciat per les propietats del material, amb un efecte mínim addicional de l'arc.

2. Causas d'accidents de sobrecalentament en interruptors de buit

(1) Usura elèctrica i variació del gap de contacte que provoquen un increment de la resistència de contacte
Els interruptors de buit estan sellats dins d'un interruptor de buit, amb contactes mòbils i fixes en contacte directe cara a cara. Durant l'interrupció, ocorre l'erosió del contacte, causant usura del contacte, reducció de l'espessor del contacte i canvis en el gap de contacte. A mesura que avança l'usura, la superfície del contacte es deteriora, incrementant la resistència de contacte entre els contactes mòbils i fixes. L'usura també altera el gap de contacte, reduint la pressió de la molla entre els contactes, incrementant encara més la resistència de contacte.

(2) Operació fora de fase que provoca un increment de la resistència en la fase defectuosa
Si el rendiment mecànic de l'interruptor de buit és deficient, les operacions repetitives poden provocar una operació fora de fase degut a problemes mecànics. Això allarga els temps d'obertura i tancament, impediscent una extinció d'arc eficient. L'arcing pot portar a la soldadura (fusió) dels contactes, incrementant significativament la resistència de contacte entre els contactes mòbils i fixes.

(3) Reducció de l'integritat del buit que provoca oxidació del contacte i increment de la resistència
Les campanes en un interruptor de buit estan fetes de fusta inoxidable fina i serveixen com a element de sellatge, mantenint l'integritat del buit mentre permeten el moviment de la barra conductora. La vida mecànica de les campanes està determinada per les forces d'expansió i contractació durant l'operació de l'interruptor. El calor transferit de la barra conductora a les campanes eleva la seva temperatura, afectant la resistència a la fatiga.

Si el material de les campanes o el procés de fabricació són defectuosos, o si l'interruptor experimenta vibracions, impactes o danys durant el transport, instal·lació o manteniment, poden desenvolupar-se fugues o microfractures. A llarg termini, això porta a una disminució del nivell de buit. Un buit reduït permet l'oxidació del contacte, formant òxid de cobre de alta resistència, que incrementa la resistència de contacte.

Sota la corrent de càrrega, els contactes s'escalfen continuament, elevant encara més la temperatura de les campanes i potencialment causant-ne el fracàs. A més, amb un buit reduït, l'interruptor perd la seva capacitat d'extinció d'arc nominal. Quan interromp corrents de càrrega o de falla, la capacitat insuficient d'extinció d'arc porta a un arcing sostenut, causant finalment el sobrecalentament de l'interruptor.

3. Mesures preventives per a accidents de sobrecalentament en interruptors de buit

3.1 Mesures tècniques

Les causes de la reducció de l'integritat del buit són complexes. S'ha d'evitar la vibració i l'impacte durant el transport, l'instal·lació i el manteniment. No obstant això, la qualitat de fabricació i muntatge a l'estadi de fàbrica són factors crítics que afecten l'integritat del buit.

(1) Millorar el material i la qualitat de muntatge de les campanes
Els interruptors de buit utilitzen campanes per al moviment mecànic. Després de diverses operacions d'obertura i tancament, poden formar-se microfractures, comprometent l'integritat del buit. Per tant, els fabricants han de millorar la força del material de les campanes i la qualitat de muntatge per assegurar la fiabilitat del sellatge.

(2) Mesura regular de les característiques mecàniques i la resistència de contacte
Durant les parades anuals de manteniment, s'ha d'inspeccionar regularment l'usura elèctrica del contacte i la variació del gap. S'han de realitzar proves de sincronització, sobretorn i altres característiques mecàniques. S'ha d'utilitzar el mètode de caiguda de tensió en CC per mesurar la resistència del circuit. S'ha d'avaluar l'oxidació i l'usura del contacte basant-se en els valors de resistència i s'han de resoldre els problemes prontament.

(3) Proves regulars d'integritat del buit
Per als interruptors de buit de tipus plug-in, els operadors sovint no poden detectar visualment descàrregues externes en l'interruptor durant les rondes. En la pràctica, es fan servir habitualment proves de resistència a la tensió de freqüència de potència per avaluar periòdicament l'integritat del buit. Tot i que aquesta és una prova destructiva, identifica eficientment deficiències de buit. Alternativament, l'ús d'un test de buit per a una mesura qualitativa del buit és el millor mètode per avaluar l'integritat del buit. Si es detecta una degradació del buit, l'interruptor de buit ha de ser reemplaçat immediatament.

(4) Instal·lar dispositius de monitorització en línia del buit
Amb l'ús generalitzat de la comunicació sense fil i els sistemes SCADA en les xarxes elèctriques, la monitorització en línia del buit ha esdevingut factible. Els mètodes inclouen la detecció de pressió, el couplament capacitatiu, la conversió electro-òptica, la detecció ultrasonòrica i la detecció de microones sense contacte.

• Detecció de pressió: S'incorporen sensors de pressió a l'interruptor durant la fabricació. A mesura que el buit es degrada, la densitat de gas i la pressió interna augmenten. El canvi de pressió s'envia al sistema de control per a la monitorització en temps real.

• Detecció de microones sense contacte: Utilitza la detecció passiva per captar senyals de microones, captant senyals de retroalimentació únics quan l'integritat del buit es veu compromesa, permetent la monitorització en línia en temps real.

3.2 Mesures de gestió

En incidents passats, els operadors no van identificar correctament els errors dels interruptors, causant sobrecalentaments i l'escalada d'accidents. Això destaca la insuficiència de familiarització amb els sistemes SCADA, l'equipament a l'escena i els procediments d'operació, així com la falta de consciència en la resposta a emergències. Per tant, cal fortalecer la gestió de les operacions a les principals subestacions.

• Implementar rigorosament sistemes d'inspecció per detectar problemes precocement.

• Millorar la formació dels operadors en sistemes SCADA, operació i manteniment de commutadors i procediments de resposta a emergències.

• Realitzar exercicis regulars de plans antiaccident i de resposta a emergències.

3.3 Millorar les funcions d'interbloqueig "Cinc Prevencions" en cuadres de mitja tensió

Actualitzar tècnicament les funcions d'interbloqueig "Cinc Prevencions" dels cuadres de mitja tensió per complir plenament amb els requisits estàndard. Els cuadres de mitja tensió complet haurien de tenir totes les funcions "Cinc Prevencions" amb un rendiment fiable.

• Instal·lar indicadors de línia viva al costat de sortida dels cuadres. Aquests indicadors haurien de tenir funcionalitat de prova automàtica i estar interbloquejats amb l'interruptor de terra de la línia.

• Per a instal·lacions amb capacitat de retroalimentació, la porta de la compartiment hauria de disposar d'un bloqueig obligatori controlat per un indicador de línia viva.

A través de l'anàlisi d'accidents de sobrecalentament en interruptors de buit causats per una reducció de l'integritat del buit—que porta a l'oxidació del contacte, un increment de la resistència de contacte, un sobrescalentament i un eventual aturament—aquest article proposa mesures dirigides com millorar el material i la qualitat de muntatge de les campanes, i instal·lar dispositius de monitorització en línia del buit. Aquestes mesures ajuden a prevenir i monitoritzar la degradació del buit en temps real, evitant la recurrència d'accidents similars.