Analisi delle Cause e Misure Preventive per gli Incidenti di Surriscaldamento degli Interruttori a Vuoto

1. Analisi del meccanismo di guasto degli interruttori a vuoto

1.1 Processo di arco durante l'apertura

Prendendo come esempio l'apertura dell'interruttore, quando la corrente attiva il meccanismo di azionamento per far scattare, il contatto mobile inizia a separarsi dal contatto fisso. Mentre aumenta la distanza tra i contatti mobile e fisso, il processo si svolge in tre fasi: separazione dei contatti, arco elettrico e recupero dielettrico post-arco. Una volta che la separazione entra nella fase dell'arco, la condizione dell'arco elettrico gioca un ruolo decisivo per la salute dell'interruttore a vuoto.

Aumentando la corrente dell'arco, l'arco a vuoto evolve dalla regione del punto catodico e della colonna d'arco verso la regione anodica. Con la riduzione continua dell'area di contatto, la densità di corrente elevata genera temperature elevate, causando l'evaporazione del materiale metallico della catoda. Sotto l'influenza del campo elettrico, si forma una plasma iniziale nella fessura. Comparsi punti catodici sulla superficie della catoda, emettono elettroni e formano una corrente di emissione di campo, erodendo continuamente il materiale metallico e mantenendo vapore metallico e plasma. In questa fase, con una corrente di arco relativamente bassa, solo la catoda è attiva.

Con un ulteriore aumento della corrente di arco, la plasma inietta energia nell'anodo, causando la transizione del modo di arco anodico da un arco diffuso a un arco ristretto. Questa transizione è influenzata da fattori come il materiale degli elettrodi e la magnitudine della corrente.

1.2 Analisi del guasto per erosione dei contatti

L'erosione dei contatti è direttamente correlata alla corrente di interruzione. A corrente di rete nominale, il grado di fusione dei contatti è quasi trascurabile. L'erosione dei contatti avviene in condizioni di alta corrente e alta temperatura. Quando l'interruttore interrompe correnti di cortocircuito superiori alla corrente nominale, il grado di erosione del materiale aumenta drasticamente, creando le condizioni per la perdita di materiale.

La rugosità della superficie dei contatti intensifica la concentrazione della corrente nelle protuberanze superficiali, causando un riscaldamento locale più grave. Inoltre, la durata della corrente di arco è critica. Anche se la corrente è una corrente di cortocircuito, se la sua durata è troppo breve, la quantità di erosione del materiale rimane piccola.

La causa radicale del guasto dei contatti è la perdita di massa durante il processo di arco. Il danno ai contatti si verifica in due fasi:

• Erosione del materiale: l'erosione del materiale anodico è alimentata dalla plasma. La densità di flusso di energia sulla superficie anodica è un parametro chiave per misurare l'effetto della plasma sull'anodo. Le ricerche mostrano che la densità di flusso di energia dell'anodo aumenta con correnti di arco più elevate, maggiore distanza tra i contatti e raggio di contatto più piccolo, promuovendo la formazione di punti anodici e l'erosione del materiale.

• Perdita di materiale: dopo l'estinzione dell'arco, goccioline di metallo fuso vengono espulse dalla superficie di contatto a causa della pressione della plasma. Questo processo è principalmente influenzato dalle proprietà del materiale, con un effetto minimo ulteriore dell'arco.

2. Cause degli incidenti di bruciatura degli interruttori a vuoto

(1) Usura elettrica e variazione della distanza di contatto che portano a un aumento della resistenza di contatto
Gli interruttori a vuoto sono sigillati all'interno di un interruttore a vuoto, con contatti mobile e fisso in contatto diretto faccia a faccia. Durante l'interruzione, si verifica l'erosione dei contatti, causando usura, riduzione dello spessore dei contatti e cambiamenti nella distanza di contatto. Con il progredire dell'usura, la superficie di contatto si degrada, aumentando la resistenza di contatto tra i contatti mobile e fisso. L'usura modifica anche la distanza di contatto, riducendo la pressione della molla tra i contatti, aumentando ulteriormente la resistenza di contatto.

(2) Operazioni fuori fase che portano a un aumento della resistenza nella fase difettosa
Se le prestazioni meccaniche dell'interruttore a vuoto sono cattive, operazioni ripetute possono portare a operazioni fuori fase a causa di problemi meccanici. Questo prolunga i tempi di apertura e chiusura, impedendo l'estinzione efficace dell'arco. L'arco può portare alla saldatura (fusione) dei contatti, aumentando significativamente la resistenza di contatto tra i contatti mobile e fisso.

(3) Riduzione dell'integrità del vuoto che porta all'ossidazione dei contatti e all'aumento della resistenza
I campanelli negli interruttori a vuoto sono realizzati in acciaio inossidabile sottile e servono come elemento di sigillaggio, mantenendo l'integrità del vuoto consentendo allo stelo conduttore di muoversi. La vita meccanica dei campanelli è determinata dalle forze di espansione e contrazione durante l'operazione dell'interruttore. Il calore trasmesso dallo stelo conduttore ai campanelli ne aumenta la temperatura, influenzando la resistenza alla fatica.

Se il materiale o il processo di fabbricazione dei campanelli sono difettosi, o se l'interruttore subisce vibrazioni, impatti o danni durante il trasporto, l'installazione o la manutenzione, possono svilupparsi fughe o microfessure. Nel tempo, ciò porta a una diminuzione del livello di vuoto. Un vuoto ridotto permette l'ossidazione dei contatti, formando ossido di rame ad alta resistenza, che aumenta la resistenza di contatto.

Sotto la corrente di carico, i contatti si surriscaldano continuamente, aumentando ulteriormente la temperatura dei campanelli e potenzialmente causandone il fallimento. Inoltre, con un vuoto ridotto, l'interruttore perde la sua capacità nominale di spegnimento dell'arco. Quando interrompe correnti di carico o di guasto, la capacità insufficiente di estinzione dell'arco porta a un arco sostenuto, causando infine la bruciatura dell'interruttore.

3. Misure preventive per gli incidenti di bruciatura degli interruttori a vuoto

3.1 Misure tecniche

Le cause della riduzione dell'integrità del vuoto sono complesse. Evitare vibrazioni e impatti durante il trasporto, l'installazione e la manutenzione. Tuttavia, la qualità di fabbricazione e assemblaggio in fase di produzione sono fattori critici che influiscono sull'integrità del vuoto.

(1) Migliorare il materiale e la qualità di assemblaggio dei campanelli
Gli interruttori a vuoto utilizzano campanelli per il movimento meccanico. Dopo operazioni ripetute di apertura e chiusura, possono formarsi microfessure, compromettendo l'integrità del vuoto. Pertanto, i produttori devono migliorare la resistenza del materiale dei campanelli e la qualità di assemblaggio per garantire l'affidabilità del sigillaggio.

(2) Misurazione regolare delle caratteristiche meccaniche e della resistenza di contatto
Durante le revisioni annuali, ispezionare regolarmente l'usura elettrica dei contatti e la variazione della distanza di contatto. Eseguire test sulla sincronizzazione, l'iperescursione e altre caratteristiche meccaniche. Utilizzare il metodo del drop di tensione continua per misurare la resistenza del circuito. Valutare l'ossidazione e l'usura dei contatti in base ai valori di resistenza e risolvere i problemi prontamente.

(3) Test regolari sull'integrità del vuoto
Per gli interruttori a vuoto a inserimento, gli operatori spesso non possono rilevare visivamente scariche esterne sull'interruttore durante le ispezioni. Nella pratica, si utilizzano comunemente test di resistenza alla tensione di rete per valutare periodicamente l'integrità del vuoto. Sebbene questo sia un test distruttivo, identifica efficacemente i difetti del vuoto. Alternativamente, l'uso di un tester di vuoto per la misurazione qualitativa del vuoto è il miglior metodo per valutare l'integrità del vuoto. Se si rileva una degradazione del vuoto, l'interruttore a vuoto deve essere sostituito immediatamente.

(4) Installare dispositivi di monitoraggio del vuoto online
Con l'uso diffuso della comunicazione wireless e dei sistemi SCADA nelle reti elettriche, il monitoraggio online del vuoto è diventato fattibile. I metodi includono la sensazione di pressione, l'accoppiamento capacitivo, la conversione elettro-ottica, la rilevazione ultrasonora e il rilevamento a microonde senza contatto.

• Sensazione di pressione: incorporare sensori di pressione nell'interruttore durante la fabbricazione. Con la degradazione del vuoto, la densità del gas e la pressione interna aumentano. Il cambiamento di pressione viene trasmesso al sistema di controllo per il monitoraggio in tempo reale.

• Rilevamento a microonde senza contatto: utilizza la sensazione passiva per rilevare segnali a microonde, catturando segnali di feedback unici quando l'integrità del vuoto è compromessa, consentendo il monitoraggio in tempo reale online.

3.2 Misure di gestione

In incidenti passati, gli operatori non hanno correttamente identificato i guasti degli interruttori, portando a bruciature e all'escalation degli incidenti. Ciò evidenzia una scarsa familiarità con i sistemi SCADA, l'equipaggiamento sul posto e le procedure operative, nonché una mancanza di consapevolezza delle risposte d'emergenza. Pertanto, è necessario rafforzare la gestione operativa nelle principali sottostazioni.

• Applicare rigorosamente i sistemi di ispezione per rilevare i problemi precocemente.

• Migliorare la formazione degli operatori sui sistemi SCADA, l'operazione e la manutenzione degli interruttori e le procedure di risposta d'emergenza.

• Conducere regolarmente esercitazioni per piani anti-incidenti e di risposta d'emergenza.

3.3 Migliorare le funzioni di interblocco "Cinque Prevenzioni" negli armadi a montaggio centrale

Aggiornare tecnicamente le funzioni di interblocco "Cinque Prevenzioni" negli armadi a montaggio centrale per soddisfare pienamente i requisiti standard. Gli armadi di alta tensione completi dovrebbero avere funzioni "Cinque Prevenzioni" complete con prestazioni affidabili.

• Installare indicatori di linea viva sul lato uscita degli armadi. Questi indicatori dovrebbero avere funzionalità di autotest e essere interbloccati con l'interruttore di terra sul lato linea.

• Per installazioni con capacità di retroalimentazione, la porta del compartimento dovrebbe essere dotata di un lucchetto obbligatorio controllato da un indicatore di linea viva.

Attraverso l'analisi degli incidenti di bruciatura degli interruttori a vuoto causati dalla riduzione dell'integrità del vuoto—che porta all'ossidazione dei contatti, all'aumento della resistenza di contatto, al sovrarriscaldamento e al fallimento finale—questo articolo propone misure mirate come il miglioramento del materiale e della qualità di assemblaggio dei campanelli e l'installazione di dispositivi di monitoraggio del vuoto online. Queste misure aiutano a prevenire e monitorare in tempo reale la degradazione del vuoto, evitando la ricorrenza di simili incidenti.