Analyse des causes et des mesures préventives pour les accidents de brûlure des disjoncteurs à vide
1. Analyse des mécanismes de défaillance des disjoncteurs à vide
1.1 Processus d'arc lors de l'ouverture
Prenons l'exemple de l'ouverture d'un disjoncteur. Lorsque le courant déclenche le mécanisme d'actionnement, le contact mobile commence à se séparer du contact fixe. À mesure que la distance entre les contacts mobile et fixe augmente, le processus se déroule en trois étapes : séparation des contacts, formation d'arc et récupération diélectrique post-arc. Une fois la séparation entrée dans la phase d'arc, la condition de l'arc électrique joue un rôle décisif dans la santé de l'interrupteur à vide.
À mesure que le courant d'arc augmente, l'arc à vide évolue depuis la région des taches cathodiques et de la colonne d'arc vers la région anodique. Avec la réduction continue de la surface de contact, une densité de courant élevée génère des températures élevées, provoquant l'évaporation du matériau métallique cathodique. Sous l'influence du champ électrique, un plasma initial est formé dans l'interstice. Des taches cathodiques apparaissent sur la surface cathodique, émettant des électrons et formant un courant d'émission de champ, érodant continuellement le matériau métallique et soutenant la vapeur métallique et le plasma. À ce stade, avec un courant d'arc relativement faible, seule la cathode est active.
Lorsque le courant d'arc augmente encore, le plasma injecte de l'énergie dans l'anode, faisant passer le mode d'arc anodique d'un arc diffus à un arc constrictif. Cette transition est influencée par des facteurs tels que le matériau des électrodes et l'amplitude du courant.
1.2 Analyse de la défaillance par érosion des contacts
L'érosion des contacts est directement liée au courant d'interruption. Sous un courant sinusoïdal nominal, le degré de fusion des contacts est presque négligeable. L'érosion des contacts se produit sous des conditions de courant élevé et de température élevée. Lorsque le disjoncteur interrompt des courants de court-circuit supérieurs à son courant nominal, le degré d'érosion du matériau augmente fortement, créant des conditions propices à la perte de matériau.
La rugosité de la surface des contacts intensifie la concentration du courant aux aspérités, entraînant un chauffage localisé plus sévère. De plus, la durée du courant d'arc est cruciale. Même si le courant est un courant de court-circuit, si sa durée est trop courte, la quantité de matériau érodé reste faible.
La cause fondamentale de la défaillance des contacts est la perte de masse pendant le processus d'arc. La dégradation des contacts se produit en deux étapes :
Érosion du matériau : L'érosion du matériau anodique est alimentée par le plasma. La densité de flux d'énergie sur la surface anodique est un paramètre clé mesurant l'effet du plasma sur l'anode. Les recherches montrent que la densité de flux d'énergie anodique augmente avec un courant d'arc plus élevé, un écart de contact plus grand et un rayon de contact plus petit, favorisant la formation de taches anodiques et l'érosion du matériau.
Perte de matériau : Après l'extinction de l'arc, des gouttelettes de métal fondu sont expulsées de la surface des contacts en raison de la pression du plasma. Ce processus est principalement influencé par les propriétés du matériau, avec un effet minimal supplémentaire de l'arc.
2. Causes des accidents de brûlure des disjoncteurs à vide
(1) Usure électrique et variation de l'écart de contact entraînant une augmentation de la résistance de contact
Les disjoncteurs à vide sont scellés dans un interrupteur à vide, avec des contacts mobiles et fixes en contact direct face à face. Lors de l'interruption, l'érosion des contacts se produit, provoquant une usure des contacts, une diminution de l'épaisseur des contacts et des variations de l'écart de contact. À mesure que l'usure progresse, la surface de contact se détériore, augmentant la résistance de contact entre les contacts mobiles et fixes. L'usure modifie également l'écart de contact, réduisant la pression de ressort entre les contacts, augmentant ainsi davantage la résistance de contact.
(2) Fonctionnement hors phase entraînant une augmentation de la résistance dans la phase défectueuse
Si les performances mécaniques du disjoncteur à vide sont médiocres, des opérations répétées peuvent conduire à un fonctionnement hors phase en raison de problèmes mécaniques. Cela prolonge les temps d'ouverture et de fermeture, empêchant une extinction d'arc efficace. L'arc peut conduire à la soudure (fusion) des contacts, augmentant considérablement la résistance de contact entre les contacts mobiles et fixes.
(3) Réduction de l'étanchéité à vide entraînant l'oxydation des contacts et une augmentation de la résistance
Les cloches dans un interrupteur à vide sont fabriquées en acier inoxydable mince et servent d'éléments de scellement, maintenant l'étanchéité à vide tout en permettant au tige conductrice de se déplacer. La durée de vie mécanique des cloches est déterminée par les forces d'expansion et de contraction lors de l'opération du disjoncteur. La chaleur transférée de la tige conductrice aux cloches augmente leur température, affectant la résistance à la fatigue.
Si le matériau des cloches ou le processus de fabrication est défectueux, ou si le disjoncteur subit des vibrations, des impacts ou des dommages lors du transport, de l'installation ou de la maintenance, des fuites ou des micro-fissures peuvent se développer. Au fil du temps, cela conduit à une diminution du niveau de vide. Un vide réduit permet l'oxydation des contacts, formant un oxyde de cuivre à haute résistance, qui augmente la résistance de contact.
Sous un courant de charge, les contacts chauffent continuellement, augmentant encore la température des cloches et potentiellement causant leur défaillance. De plus, avec un vide réduit, le disjoncteur perd sa capacité d'extinction d'arc nominale. Lors de l'interruption de courants de charge ou de défaut, une capacité d'extinction d'arc insuffisante conduit à un arc durable, provoquant finalement la brûlure du disjoncteur.
3. Mesures préventives contre les accidents de brûlure des disjoncteurs à vide
3.1 Mesures techniques
Les causes de la réduction de l'étanchéité à vide sont complexes. Évitez les vibrations et les impacts lors du transport, de l'installation et de la maintenance. Cependant, la qualité de fabrication et d'assemblage en usine est un facteur critique affectant l'étanchéité à vide.
(1) Améliorer la qualité du matériau et de l'assemblage des cloches
Les interrupteurs à vide utilisent des cloches pour le mouvement mécanique. Après des opérations d'ouverture et de fermeture répétées, des micro-fissures peuvent se former, compromettant l'étanchéité à vide. Par conséquent, les fabricants doivent améliorer la résistance du matériau des cloches et la qualité de l'assemblage pour assurer la fiabilité du scellement.
(2) Mesure régulière des caractéristiques mécaniques et de la résistance de contact
Lors des arrêts annuels de maintenance, inspectez régulièrement l'usure électrique des contacts et les variations de l'écart de contact. Effectuez des tests de synchronisation, de course excessive et d'autres caractéristiques mécaniques. Utilisez la méthode de chute de tension continue pour mesurer la résistance en boucle. Évaluez l'oxydation et l'usure des contacts en fonction des valeurs de résistance, et traitez les problèmes rapidement.
(3) Tests réguliers de l'étanchéité à vide
Pour les disjoncteurs à vide à emboîtement, les opérateurs ne peuvent souvent pas détecter visuellement les décharges externes sur l'interrupteur lors des patrouilles. En pratique, des essais de tenue en tension à fréquence industrielle sont couramment utilisés pour évaluer périodiquement l'étanchéité à vide. Bien que ce soit un test destructif, il identifie efficacement les défauts de vide. Alternativement, l'utilisation d'un testeur de vide pour une mesure qualitative du vide est la meilleure méthode pour évaluer l'étanchéité à vide. Si une dégradation du vide est détectée, l'interrupteur à vide doit être remplacé immédiatement.
(4) Installer des dispositifs de surveillance en ligne du vide
Avec l'utilisation généralisée de la communication sans fil et des systèmes SCADA dans les réseaux électriques, la surveillance en ligne du vide est devenue réalisable. Les méthodes comprennent la détection de pression, le couplage capacitif, la conversion électro-optique, la détection ultrasonore et la détection micro-onde non-contact.
Détection de pression : Intégrez des capteurs de pression dans l'interrupteur lors de la fabrication. À mesure que le vide se dégrade, la densité de gaz et la pression interne augmentent. Le changement de pression est transmis au système de contrôle pour une surveillance en temps réel.
Détection micro-onde non-contact : Utilisez une détection passive pour détecter les signaux micro-ondes, captant des signaux de retour uniques lorsque l'étanchéité à vide est compromise, permettant une surveillance en ligne en temps réel.
3.2 Mesures de gestion
Dans les incidents passés, les opérateurs n'ont pas correctement identifié les défauts des disjoncteurs, conduisant à des brûlures et à l'aggravation des accidents. Cela souligne une familiarité insuffisante avec les systèmes SCADA, l'équipement sur site et les procédures de fonctionnement, ainsi qu'un manque de sensibilisation aux interventions d'urgence. Par conséquent, la gestion des opérations dans les principales sous-stations doit être renforcée.
Mettez en œuvre rigoureusement des systèmes d'inspection pour détecter les problèmes précocement.
Améliorez la formation des opérateurs sur les systèmes SCADA, l'exploitation et la maintenance des commutateurs, et les procédures d'intervention d'urgence.
Conduisez régulièrement des exercices de plan anti-accident et d'intervention d'urgence.
3.3 Améliorer les fonctions de verrouillage "Cinq Préventions" dans les tableaux de distribution moyenne tension
Faites une mise à niveau technique des fonctions de verrouillage "Cinq Préventions" des tableaux de distribution moyenne tension pour répondre pleinement aux exigences standard. Les tableaux de distribution haute tension complets doivent avoir toutes les fonctions de "Cinq Préventions" avec des performances fiables.
Installez des indicateurs de tension sur le côté sortant des tableaux de distribution. Ces indicateurs doivent avoir une fonction d'auto-test et être interverrouillés avec l'interrupteur de terre côté ligne.
Pour les installations avec possibilité de rétro-alimentation, la porte du compartiment doit être équipée d'un verrou obligatoire contrôlé par un indicateur de tension.
Par l'analyse des accidents de brûlure des disjoncteurs à vide causés par une réduction de l'étanchéité à vide, conduisant à l'oxydation des contacts, à une augmentation de la résistance de contact, à un surchauffage et à une défaillance finale, cet article propose des mesures ciblées telles que l'amélioration de la qualité du matériau et de l'assemblage des cloches, et l'installation de dispositifs de surveillance en ligne du vide. Ces mesures aident à prévenir et à surveiller en temps réel la dégradation du vide, évitant la récurrence d'accidents similaires.
