Análisis de Causas y Medidas Preventivas para Accidentes de Quemado en Interruptores de Circuito de Vacío

1. Análisis del Mecanismo de Fallo de los Interruptores de Circuito de Vacío

1.1 Proceso de Arco Durante la Apertura

Tomando como ejemplo la apertura del interruptor, cuando la corriente activa el mecanismo de operación para que se dispare, el contacto móvil comienza a separarse del contacto fijo. A medida que aumenta la distancia entre los contactos móvil y fijo, el proceso se desarrolla en tres etapas: separación de contactos, arco eléctrico y recuperación dieléctrica post-arc. Una vez que la separación entra en la etapa de arco, la condición del arco eléctrico juega un papel decisivo en la salud del interrumpidor de vacío.

A medida que aumenta la corriente del arco, el arco de vacío evoluciona desde la región de manchas cátodicas y columna de arco hacia la región anódica. Con la reducción continua del área de contacto, la alta densidad de corriente genera altas temperaturas, causando la evaporación del material metálico del cátodo. Bajo la influencia del campo eléctrico, se forma un plasma inicial en la brecha. Aparecen manchas cátodicas en la superficie del cátodo, emitiendo electrones y formando una corriente de emisión de campo, erosionando continuamente el material metálico y sosteniendo vapor metálico y plasma. En esta etapa, con una corriente de arco relativamente baja, solo el cátodo está activo.

A medida que la corriente del arco aumenta aún más, el plasma inyecta energía en el ánodo, causando que el modo de arco del ánodo pase de un arco difuso a un arco restringido. Esta transición está influenciada por factores como el material del electrodo y la magnitud de la corriente.

1.2 Análisis de Fallas por Erosión de Contactos

La erosión de los contactos está directamente relacionada con la corriente de interrupción. Bajo la corriente de frecuencia nominal, el grado de fusión de los contactos es casi insignificante. La erosión de los contactos ocurre bajo condiciones de alta corriente y alta temperatura. Cuando el interruptor de circuito interrumpe corrientes de cortocircuito que superan su corriente nominal, el grado de erosión del material aumenta bruscamente, creando condiciones para la pérdida de material.

La rugosidad superficial de los contactos intensifica la concentración de la corriente en las protuberancias de la superficie, lo que lleva a un calentamiento localizado más severo. Además, la duración de la corriente de arco es crítica. Incluso si la corriente es una corriente de cortocircuito, si su duración es demasiado corta, la cantidad de erosión del material permanece pequeña.

La causa raíz del fallo de los contactos es la pérdida de masa durante el proceso de arco. El daño de los contactos ocurre en dos etapas:

• Erosión del Material: La erosión del material del ánodo es impulsada por el plasma. La densidad de flujo de energía en la superficie del ánodo es un parámetro clave para medir el efecto del plasma en el ánodo. Las investigaciones muestran que la densidad de flujo de energía del ánodo aumenta con una corriente de arco más alta, una brecha de contacto mayor y un radio de contacto menor, promoviendo la formación de puntos de ánodo y la erosión del material.

• Pérdida de Material: Después de la extinción del arco, las gotas de metal fundido son expulsadas de la superficie de contacto debido a la presión del plasma. Este proceso está principalmente influenciado por las propiedades del material, con un efecto mínimo adicional del arco.

2. Causas de Accidentes de Quemadura de Interruptores de Circuito de Vacío

(1) Desgaste Eléctrico y Variación de la Brecha de Contacto que Llevan a un Aumento de la Resistencia de Contacto
Los interruptores de circuito de vacío están sellados dentro de un interrumpidor de vacío, con contactos móviles y fijos en contacto directo cara a cara. Durante la interrupción, ocurre la erosión de los contactos, causando desgaste, reducción del grosor del contacto y cambios en la brecha de contacto. A medida que avanza el desgaste, la superficie de contacto se deteriora, aumentando la resistencia de contacto entre los contactos móvil y fijo. El desgaste también altera la brecha de contacto, reduciendo la presión de resorte entre los contactos, lo que aumenta aún más la resistencia de contacto.

(2) Operación Fuera de Fase que Lleva a un Aumento de la Resistencia en la Fase Defectuosa
Si el rendimiento mecánico del interruptor de circuito de vacío es deficiente, las operaciones repetitivas pueden resultar en operación fuera de fase debido a problemas mecánicos. Esto prolonga los tiempos de apertura y cierre, impidiendo la extinción efectiva del arco. El arco puede llevar a la soldadura (fusión) de los contactos, aumentando significativamente la resistencia de contacto entre los contactos móvil y fijo.

(3) Reducción de la Integridad al Vacío que Lleva a la Oxidación de los Contactos y Aumento de la Resistencia
Las campanas en un interrumpidor de vacío están hechas de acero inoxidable fino y sirven como elemento de sellado, manteniendo la integridad al vacío mientras permiten el movimiento del eje conductor. La vida mecánica de las campanas está determinada por las fuerzas de expansión y contracción durante la operación del interruptor. El calor transferido del eje conductor a las campanas eleva su temperatura, afectando la resistencia a la fatiga.

Si el material o el proceso de fabricación de las campanas es defectuoso, o si el interruptor experimenta vibraciones, impactos o daños durante el transporte, instalación o mantenimiento, pueden desarrollarse fugas o microgrietas. Con el tiempo, esto lleva a una disminución del nivel de vacío. Un vacío reducido permite la oxidación de los contactos, formando óxido de cobre de alta resistencia, lo que aumenta la resistencia de contacto.

Bajo la corriente de carga, los contactos se sobrecalientan continuamente, elevando aún más la temperatura de las campanas y potencialmente causando su falla. Además, con un vacío reducido, el interruptor de circuito pierde su capacidad de extinción de arco nominal. Al interrumpir corrientes de carga o de fallo, la capacidad insuficiente de extinción de arco lleva a un arco sostenido, causando finalmente la quema del interruptor.

3. Medidas Preventivas para Accidentes de Quemadura de Interruptores de Circuito de Vacío

3.1 Medidas Técnicas

Las causas de la reducción de la integridad al vacío son complejas. Evite las vibraciones y los impactos durante el transporte, la instalación y el mantenimiento. Sin embargo, la calidad de fabricación y montaje en la etapa de fábrica son factores críticos que afectan la integridad al vacío.

(1) Mejorar el Material y la Calidad de Montaje de las Campanas
Los interrumpidores de vacío utilizan campanas para el movimiento mecánico. Después de operaciones repetitivas de apertura y cierre, pueden formarse microgrietas, comprometiendo la integridad al vacío. Por lo tanto, los fabricantes deben mejorar la resistencia del material de las campanas y la calidad de montaje para garantizar la confiabilidad del sellado.

(2) Medición Regular de las Características Mecánicas y la Resistencia de Contacto
Durante las interrupciones de mantenimiento anuales, inspeccione regularmente el desgaste eléctrico de los contactos y la variación de la brecha de contacto. Realice pruebas de sincronismo, sobretrayecto y otras características mecánicas. Utilice el método de caída de tensión DC para medir la resistencia de bucle. Evalúe la oxidación y el desgaste de los contactos basándose en los valores de resistencia y aborde los problemas de inmediato.

(3) Pruebas Regulares de Integridad al Vacío
Para los interruptores de circuito de vacío de tipo enchufe, los operadores a menudo no pueden detectar visualmente la descarga externa en el interrumpidor durante las patrullas. En la práctica, se utilizan comúnmente pruebas de resistencia a la tensión de frecuencia de red para evaluar periódicamente la integridad al vacío. Aunque esta es una prueba destructiva, identifica eficazmente los defectos de vacío. Alternativamente, el uso de un probador de vacío para la medición cualitativa del vacío es el mejor método para evaluar la integridad al vacío. Si se detecta una degradación del vacío, el interrumpidor de vacío debe reemplazarse inmediatamente.

(4) Instalar Dispositivos de Monitoreo en Línea del Vacío
Con el uso generalizado de la comunicación inalámbrica y los sistemas SCADA en las redes de energía, el monitoreo en línea del vacío se ha vuelto factible. Los métodos incluyen la detección de presión, acoplamiento capacitivo, conversión electro-óptica, detección ultrasónica y detección de microondas sin contacto.

• Detección de Presión: Incruste sensores de presión en el interrumpidor durante la fabricación. A medida que el vacío se degrada, la densidad de gas y la presión interna aumentan. El cambio de presión se transmite al sistema de control para el monitoreo en tiempo real.

• Detección de Microondas sin Contacto: Utiliza la detección pasiva para capturar señales de microondas, capturando señales de retroalimentación únicas cuando la integridad al vacío se ve comprometida, permitiendo el monitoreo en línea en tiempo real.

3.2 Medidas de Gestión

En incidentes pasados, los operadores no pudieron identificar correctamente las fallas del interruptor de circuito, lo que llevó a la quema y a la escalada del accidente. Esto destaca la falta de familiaridad con los sistemas SCADA, el equipo en el sitio y los procedimientos de operación, así como la falta de conciencia de respuesta a emergencias. Por lo tanto, se debe fortalecer la gestión de operaciones en las subestaciones principales.

• Implemente rigurosamente sistemas de inspección para detectar problemas temprano.

• Mejore la formación de los operadores en sistemas SCADA, operación y mantenimiento de equipos de conmutación y procedimientos de respuesta a emergencias.

• Realice simulacros regulares de planes de prevención de accidentes y respuesta a emergencias.

3.3 Mejorar las Funciones de Interbloqueo "Cinco Prevenciones" en Armarios de Media Tensión

Actualice técnicamente las funciones de interbloqueo "Cinco Prevenciones" de los armarios de media tensión para cumplir plenamente con los requisitos normativos. Los equipos de conmutación de alta tensión completos deben tener funciones de "Cinco Prevenciones" completas con un rendimiento confiable.

• Instale indicadores de línea viva en el lado de salida de los equipos de conmutación. Estos indicadores deben tener funcionalidad de auto-prueba y estar interbloqueados con el interruptor de tierra del lado de la línea.

• Para instalaciones con capacidad de alimentación inversa, la puerta del compartimento debe estar equipada con un candado obligatorio controlado por un indicador de línea viva.

A través del análisis de los accidentes de quema de interruptores de circuito de vacío causados por la reducción de la integridad al vacío, que lleva a la oxidación de los contactos, aumento de la resistencia de contacto, sobrecalentamiento y eventual falla, este documento propone medidas específicas como mejorar el material y la calidad de montaje de las campanas, e instalar dispositivos de monitoreo en línea del vacío. Estas medidas ayudan a prevenir y monitorear la degradación del vacío en tiempo real, evitando la recurrencia de accidentes similares.