Análise das Causas e Medidas Preventivas para Acidentes de Queima em Disjuntores a Vácuo

1. Análise do Mecanismo de Falha dos Interruptores a Vácuo

1.1 Processo de Arco Durante a Abertura

Tomando como exemplo a abertura do interruptor, quando a corrente ativa o mecanismo de operação para disparar, o contato móvel começa a se separar do contato fixo. Conforme a distância entre os contatos móvel e fixo aumenta, o processo passa por três estágios: separação dos contatos, arco e recuperação dielétrica pós-arco. Uma vez que a separação entra no estágio de arco, a condição do arco elétrico desempenha um papel decisivo na saúde do interrompedor a vácuo.

À medida que a corrente do arco aumenta, o arco a vácuo evolui da região do ponto catódico e coluna de arco em direção à região ânodo. Com a redução contínua da área de contato, a alta densidade de corrente gera altas temperaturas, causando a evaporação do material metálico do cátodo. Sob a influência do campo elétrico, forma-se uma plasmaz inicial no intervalo. Pontos catódicos aparecem na superfície do cátodo, emitindo elétrons e formando corrente de emissão de campo, continuamente erodindo o material metálico e sustentando vapor metálico e plasma. Nesta etapa, com corrente de arco relativamente baixa, apenas o cátodo está ativo.

À medida que a corrente do arco aumenta ainda mais, o plasma injeta energia no ânodo, fazendo com que o modo de arco do ânodo passe de um arco difuso para um arco restrito. Esta transição é influenciada por fatores como o material do eletrodo e a magnitude da corrente.

1.2 Análise de Falha por Erosão dos Contatos

A erosão dos contatos está diretamente relacionada à corrente de interrupção. Sob corrente de frequência nominal, o grau de fusão dos contatos é quase negligenciável. A erosão dos contatos ocorre sob condições de alta corrente e alta temperatura. Quando o interruptor interrompe correntes de curto-circuito que excedem sua corrente nominal, o grau de erosão do material aumenta drasticamente, criando condições para perda de material.

A rugosidade da superfície dos contatos intensifica a concentração da corrente nas saliências da superfície, levando a um aquecimento localizado mais severo. Além disso, a duração da corrente de arco é crucial. Mesmo que a corrente seja uma corrente de curto-circuito, se sua duração for muito curta, a quantidade de erosão de material permanece pequena.

A causa raiz da falha do contato é a perda de massa durante o processo de arco. A danificação do contato ocorre em duas etapas:

• Erosão do Material: A erosão do material do ânodo é alimentada pelo plasma. A densidade de fluxo de energia na superfície do ânodo é um parâmetro chave para medir o efeito do plasma no ânodo. Pesquisas mostram que a densidade de fluxo de energia no ânodo aumenta com maior corrente de arco, maior distância entre contatos e menor raio de contato, promovendo a formação de pontos no ânodo e a erosão do material.

• Perda de Material: Após a extinção do arco, gotículas de metal fundido são expelidas da superfície do contato devido à pressão do plasma. Este processo é primariamente influenciado pelas propriedades do material, com pouco efeito adicional do arco.

2. Causas de Acidentes de Queima de Interruptores a Vácuo

(1) Desgaste Elétrico e Variação do Intervalo de Contato Levando ao Aumento da Resistência de Contato
Os interruptores a vácuo estão selados dentro do interrompedor a vácuo, com contatos móveis e fixos em contato direto face a face. Durante a interrupção, ocorre erosão dos contatos, causando desgaste, redução da espessura dos contatos e alterações no intervalo de contato. À medida que o desgaste progride, a superfície do contato deteriora-se, aumentando a resistência de contato entre os contatos móvel e fixo. O desgaste também altera o intervalo de contato, reduzindo a pressão da mola entre os contatos, aumentando ainda mais a resistência de contato.

(2) Operação Fora de Fase Levando ao Aumento da Resistência na Fase Defeituosa
Se o desempenho mecânico do interruptor a vácuo for ruim, as operações repetitivas podem resultar em operação fora de fase devido a problemas mecânicos. Isso prolonga os tempos de abertura e fechamento, impedindo a extinção eficaz do arco. O arco pode levar à soldagem (fusão) dos contatos, aumentando significativamente a resistência de contato entre os contatos móvel e fixo.

(3) Redução da Integridade do Vácuo Levando à Oxidação dos Contatos e Aumento da Resistência
As pregas no interrompedor a vácuo são feitas de aço inoxidável fino e servem como elemento de vedação, mantendo a integridade do vácuo enquanto permitem o movimento da haste condutora. A vida útil mecânica das pregas é determinada pelas forças de expansão e contração durante a operação do interruptor. O calor transferido da haste condutora para as pregas eleva sua temperatura, afetando a resistência à fadiga.

Se o material ou o processo de fabricação das pregas forem defeituosos, ou se o interruptor sofrer vibrações, impactos ou danos durante o transporte, instalação ou manutenção, podem surgir vazamentos ou microfissuras. Ao longo do tempo, isso leva a uma diminuição do nível de vácuo. O vácuo reduzido permite a oxidação dos contatos, formando óxido de cobre de alta resistência, que aumenta a resistência de contato.

Sob corrente de carga, os contatos superaquecem continuamente, elevando ainda mais a temperatura das pregas e potencialmente causando a falha das mesmas. Além disso, com o vácuo reduzido, o interruptor perde sua capacidade de extinção de arco nominal. Ao interromper correntes de carga ou de falha, a capacidade insuficiente de extinção de arco leva a um arco sustentado, resultando finalmente na queima do interruptor.

3. Medidas Preventivas para Acidentes de Queima de Interruptores a Vácuo

3.1 Medidas Técnicas

As causas da redução da integridade do vácuo são complexas. Evite vibrações e impactos durante o transporte, instalação e manutenção. No entanto, a qualidade de fabricação e montagem na etapa de fábrica são fatores críticos que afetam a integridade do vácuo.

(1) Melhorar o Material e a Qualidade de Montagem das Pregas
Os interrompedores a vácuo usam pregas para movimento mecânico. Após operações repetidas de abertura e fechamento, podem formar-se microfissuras, comprometendo a integridade do vácuo. Portanto, os fabricantes devem melhorar a resistência do material das pregas e a qualidade de montagem para garantir a confiabilidade da vedação.

(2) Medição Regular das Características Mecânicas e da Resistência de Contato
Durante as manutenções anuais, inspecione regularmente o desgaste elétrico dos contatos e a variação do intervalo de contato. Realize testes de sincronismo, sobrecurso e outras características mecânicas. Use o método de queda de tensão DC para medir a resistência do circuito. Avalie a oxidação e o desgaste dos contatos com base nos valores de resistência e trate os problemas prontamente.

(3) Testes Regulares de Integridade do Vácuo
Para interruptores a vácuo do tipo plug-in, os operadores frequentemente não conseguem detectar visualmente descargas externas no interrompedor durante as patrulhas. Na prática, testes de resistência a tensão de frequência de rede são comumente usados para avaliar periodicamente a integridade do vácuo. Embora este seja um teste destrutivo, ele identifica eficazmente defeitos de vácuo. Alternativamente, usar um teste de vácuo para medição qualitativa do vácuo é o melhor método para avaliar a integridade do vácuo. Se for detectada uma degradação do vácuo, o interrompedor a vácuo deve ser substituído imediatamente.

(4) Instalar Dispositivos de Monitoramento Online do Vácuo
Com o uso generalizado de comunicação sem fio e sistemas SCADA em redes de energia, o monitoramento online do vácuo tornou-se viável. Os métodos incluem detecção de pressão, acoplamento capacitivo, conversão eletro-óptica, detecção ultrassônica e detecção de microondas sem contato.

• Detecção de Pressão: Incorporar sensores de pressão no interrompedor durante a fabricação. À medida que o vácuo degrada, a densidade de gás e a pressão interna aumentam. A mudança de pressão é transmitida ao sistema de controle para monitoramento em tempo real.

• Detecção de Microondas Sem Contato: Usa detecção passiva para capturar sinais de microondas, capturando sinais de feedback únicos quando a integridade do vácuo é comprometida, permitindo o monitoramento online em tempo real.

3.2 Medidas de Gestão

Em incidentes passados, os operadores falharam em identificar corretamente as falhas do interruptor, levando à queima e escalonamento do acidente. Isso destaca a falta de familiaridade com os sistemas SCADA, equipamentos no local e procedimentos de operação, bem como a falta de consciência de resposta a emergências. Portanto, a gestão operacional nas principais subestações deve ser fortalecida.

• Implementar rigorosamente sistemas de inspeção para detectar problemas precocemente.

• Aprimorar o treinamento dos operadores em sistemas SCADA, operação e manutenção de quadros de distribuição, e procedimentos de resposta a emergências.

• Realizar exercícios regulares de planos antiacidentes e de resposta a emergências.

3.3 Melhorar as Funções de Intertravamento "Cinco Prevenções" em Quadros de Distribuição de Montagem Central

Tecnologicamente, atualize as funções de intertravamento "Cinco Prevenções" dos quadros de distribuição de montagem central para atender totalmente aos requisitos padrão. Os quadros de distribuição de alta tensão completos devem ter todas as funções de "Cinco Prevenções" com desempenho confiável.

• Instale indicadores de linha viva no lado de saída dos quadros de distribuição. Esses indicadores devem ter funcionalidade de auto-teste e ser intertravados com o interruptor de terra do lado da linha.

• Para instalações com capacidade de alimentação reversa, a porta do compartimento deve ser equipada com um bloqueio obrigatório controlado por um indicador de linha viva.

Através da análise de acidentes de queima de interruptores a vácuo causados pela redução da integridade do vácuo—levando à oxidação dos contatos, aumento da resistência de contato, superaquecimento e eventual falha—este artigo propõe medidas direcionadas, como melhorar o material e a qualidade de montagem das pregas, e instalar dispositivos de monitoramento online do vácuo. Essas medidas ajudam a prevenir e monitorar a degradação do vácuo em tempo real, evitando a recorrência de acidentes semelhantes.