Os disjuntores de alta tensão (HVDs) são dispositivos de comutação críticos nas redes elétricas, principalmente usados para isolar fontes de energia em conjunto com disjuntores. Com a proposta de "redes digitais", avanços contínuos na tecnologia de equipamentos de alta tensão e a expansão da rede elétrica chinesa, as aplicações de HVDs aumentaram tanto em quantidade quanto em diversidade. O mecanismo de operação elétrico, um componente vital que controla os movimentos de comutação dos HVDs, exige excepcional confiabilidade e estabilidade.
Os HVDs têm uma taxa de falhas elevada entre os equipamentos de alta tensão, com os mecanismos de operação sendo a principal causa de falhas. As falhas comuns nos mecanismos de operação incluem recusa de comutação, falha operacional e abertura/fechamento incompleto. A fuga do mecanismo de operação - onde o motor continua funcionando - pode levar a grandes interrupções de energia no equipamento da rede. Dentre essas, as falhas de abertura/fechamento (incluindo recusa de comutação, operação incompleta e baixa precisão de comutação) afetam significativamente a estabilidade da rede.
Pesquisas indicam que as falhas de HVD causadas por mecanismos de operação elétrica provêm principalmente de problemas no circuito secundário, como falhas de controle devido a componentes elétricos de baixa qualidade ou conexões soltas no circuito secundário. Para os mecanismos de operação elétrica do tipo CJx amplamente utilizados, os motores internos são protegidos por disjuntores termomagnéticos e dispositivos de proteção eletrônica do motor. Expostos ao exterior por longos períodos, esses mecanismos mantêm posturas operacionais por 3-6 anos após a comissão, mas seus componentes de controle elétrico são frágeis e altamente suscetíveis a fatores ambientais.
A operação prolongada pode afrouxar interruptores de fim de curso e parafusos, levando a comutação incompleta se não detectada (por exemplo, o desvio posicional de 5° na Figura 1 representa riscos à rede). Os interruptores de fim de curso, cruciais para as transições do processo de comutação, sofrem com contatos oxidados e vida útil reduzida devido às influências ambientais.
Em resumo, as principais causas das falhas de abertura/fechamento dos disjuntores de alta tensão (HVD) podem ser categorizadas em dois tipos: falhas no circuito de controle elétrico e falhas no sistema mecânico. Este artigo se concentra no circuito de controle elétrico, que inclui principalmente falhas no circuito do motor, malfuncionamento de interruptores de fim de curso e problemas no circuito secundário. A análise mostra que as altas taxas de falha de comutação são predominantemente atribuídas a falhas no motor e no circuito secundário, impactando significativamente a operação dos HVDs. Portanto, resolver a segurança e a confiabilidade dos mecanismos de operação dos HVDs é urgente.
1. Status de Pesquisa dos Disjuntores de Alta Tensão
Pesquisadores e engenheiros relevantes realizaram extensos estudos sobre essas questões e propuseram soluções construtivas, resumidas em dois aspectos-chave:
1.1 Status de Pesquisa das Falhas no Circuito Secundário
Numerosos estudos abordaram questões de componentes elétricos no circuito secundário. A má vedação da caixa do mecanismo de operação permite a entrada de água da chuva, causando corrosão de componentes, falha de interruptores auxiliares/reles, contatos de botão soltos e travamentos mecânicos - levando a recusa de comutação ou operação incompleta. Soluções propostas incluem manutenção regular, proteção contra umidade e fluxogramas de falhas para solução rápida de problemas.
Para desgaste mecânico, como pinos deformados, parafusos de fim de curso soltos ou parafusos desgastados devido à inércia do motor, recomenda-se inspeções frequentes e eliminação oportuna de defeitos. Materiais anti-oxidação são sugeridos para juntas de fios corroídos, enquanto métodos de teste de tensão/resistência ajudam a diagnosticar falhas no circuito secundário - reforçados pelo registro de defeitos para melhorar a eficiência na solução de problemas. Dispositivos de aquecimento foram propostos para abordar problemas causados pela umidade, como desalinhamento de interruptores auxiliares e contato ruim em mecanismos de operação elétrica.
No entanto, estudos existentes apenas listam pontos de falha e enfatizam a manutenção sem soluções fundamentais, refletindo baixa atenção aos circuitos secundários. Pessoal de manutenção frequentemente subestima componentes elétricos em relação às partes mecânicas, e a falta de familiaridade com estruturas/princípios de componentes secundários - combinada com inspeções regulares negligenciadas - são causas indiretas de falhas.
1.2 Status de Pesquisa de Problemas de Precisão de Comutação
Para abordar a precisão de comutação e a inércia mecânica, acadêmicos melhoraram o controle do motor, projetando mecanismos de operação com motores de corrente contínua sem escova (BLDC) e motores síncronos de ímã permanente (PMSM). Um mecanismo de HVD baseado em BLDC com núcleo DSP e estratégia de controle de dupla malha fechada demonstrou regulação eficaz da velocidade de comutação. Métodos semelhantes para monitoramento em tempo real da velocidade garantem operação suave e melhora a precisão de fechamento, estabelecendo uma base para o desenvolvimento de redes inteligentes. Notavelmente, esses designs permanecem em estágios de pesquisa teórica e simulação laboratorial, com confiabilidade não comprovada em aplicações práticas.
2 Esquema de Design de Mecanismo de Operação Elétrica Distribuída
Com base na análise acima, a principal causa das falhas dos mecanismos de operação é a baixa confiabilidade do circuito de controle elétrico, altamente suscetível a fatores ambientais. Manutenção atrasada ou outros problemas podem danificar componentes elétricos, levando a falhas de comutação. Em resposta, este artigo propõe um design distribuído para mecanismos de operação elétrica.
2.1 Conceito de Controle Distribuído para Mecanismos de Operação Elétrica
O controle distribuído divide o sistema inteiro em segmentos separados, cada um controlado independentemente por um controlador principal. Este design separa o módulo de controle elétrico do módulo de acionamento do motor:
O módulo de controle elétrico, composto por componentes eletrônicos com numerosos contatos de fiação, é vulnerável a influências ambientais. Portanto, é colocado em uma subestação com temperatura ambiente estável.
O módulo de acionamento do motor, mais resistente a mudanças ambientais, é posicionado perto do disjuntor de alta tensão.
Considerando o ambiente externo variável e a susceptibilidade dos cabos, adota-se uma estratégia de compartilhamento de cabos por divisão de tempo, baseada no princípio de multi-uso do TRIZ. Como os circuitos de controle do motor e os circuitos indicadores de estado de comutação não precisam ser ativados simultaneamente, esta abordagem permite a transmissão de sinais para o controle do motor e a indicação de posição do disjuntor de alta tensão usando apenas 5 cabos. Isso reduz significativamente os impactos ambientais externos no mecanismo de operação elétrica. O conceito geral de controle do mecanismo de operação elétrica distribuída é ilustrado na Figura 2.
2.2 Design de Módulos de Controle Distribuído
Os mecanismos de operação elétrica da série CJx amplamente aplicados são projetados com componentes elétricos e mecânicos integrados, operando ao ar livre durante todo o ano em uma configuração fixa desde a comissão. Esta integração é um fator chave que contribui para sua alta taxa de falhas. O design modular interrompe essa configuração tudo-em-um ao ar livre, dividindo o mecanismo em dois módulos separados: um módulo de controle elétrico e um módulo de acionamento mecânico.
O design modular oferece vantagens distintas: permite que o módulo de controle elétrico seja abrigado em um ambiente com temperatura estabilizada, reduzindo significativamente os impactos ambientais nas operações de comutação de HVDs; e minimiza a fiação entre módulos, permitindo a substituição rápida de módulos com falhas - priorizando "substituir primeiro, reparar depois" para melhorar a eficiência de manutenção e reduzir o tempo de inatividade da rede.
2.2.1 Módulo de Controle Elétrico
O módulo de controle elétrico compreende um controlador principal, interruptor de transferência de abertura/fechamento, reles, circuitos de indicação de posição e um protetor de falta de fase, conforme esboçado no conceito de design da Figura 3.
A lógica de controle funciona da seguinte forma: um sinal de comutação (abertura/fechamento) do botão é enviado ao controlador, que regula a operação do motor com base no comando. Quando o HVD está no estado de abertura, o circuito de posição aberta ativa, acendendo o indicador. Pressionar o botão de fechamento aciona o controlador para energizar o relé principal do motor e o relé de transferência de circuito de fechamento, impulsionando o HVD para fechar. Após a conclusão, o relé do motor desenergiza, ativando o circuito de posição fechada e o indicador. O protetor de falta de fase protege o circuito do motor com funcionalidade de temporizador, desconectando o circuito principal dentro de um período especificado em caso de falhas.
2.2.2 Módulo de Acionamento do Motor
O módulo de acionamento do motor consiste principalmente em um motor AC, redutor de velocidade, acoplamento de atrito, interruptor auxiliar Siemens, circuito de supressão de arco com tiristor, paradas de limite e dispositivo de bloqueio mecânico. Quando o controlador principal envia um comando de abertura/fechamento, o circuito de controle do motor é ativado, acionando o redutor de velocidade e o eixo principal através do motor para operações de comutação. As paradas de limite no topo do eixo principal, em conjunto com o dispositivo de bloqueio mecânico, controlam a precisão da posição de comutação. Ao mesmo tempo, o interruptor auxiliar Siemens trabalha com o circuito de supressão de arco com tiristor para desconectar o circuito de controle do motor, parando a operação do motor. Uma margem de rotação de 90 graus na conexão entre o redutor de velocidade e o eixo principal permite o partida sem carga do motor. A aparência do módulo de acionamento do motor é mostrada na Figura 4.
2.3 Solução para a Precisão de Fechamento do Disjuntor de Alta Tensão
A ação de fechamento é um passo crucial para o equipamento de alta tensão. A precisão inadequada de fechamento pode afetar a operação estável de todo o sistema de energia. Para aprimorar ainda mais a precisão de abertura e fechamento do mecanismo de operação elétrica, este design utiliza um dispositivo de bloqueio mecânico, em conjunto com um interruptor auxiliar Siemens e um acoplamento de atrito, para melhorar a precisão em certa medida.
2.3.1 Interruptor Auxiliar Siemens e Circuito de Supressão de Arco com Tiristor
O interruptor auxiliar está conectado ao circuito principal do motor para controlar o ligar/desligar do circuito do motor. O interruptor auxiliar não é propenso a ferrugem devido a influências ambientais externas, e seu mecanismo de atrito interno previne fechamentos acidentais. Os contatos usam um pino carregado por mola e uma capa dura para garantir conexões estáveis e confiáveis. A estrutura específica é mostrada na Figura 6.
Princípio de Design do Circuito de Supressão de Arco com Tiristor: Durante a desconexão do interruptor auxiliar, gera-se um arco. Para evitar que o arco seja muito grande e danifique o interruptor, um circuito de supressão de arco com tiristor é conectado em paralelo com o interruptor auxiliar para absorver o arco. O design específico do circuito é mostrado na Figura 7, onde os contatos 1, 2, 3 e 4 são todos contatos do interruptor auxiliar. (Os contatos 1 e 2 são usados para controlar o ligar/desligar do circuito de supressão de arco com tiristor, e os contatos 3 e 4 são usados para controlar o ligar/desligar do circuito principal do motor. É configurado que os contatos 1 e 2 se desconectem após os contatos 3 e 4 para alcançar o propósito de supressão de arco).
2.3.2 Função do Acoplamento de Atrito
O acoplamento de atrito protege o motor em qualquer condição de operação anormal. Uma vez que o disjuntor de alta tensão esteja em posição após o fechamento, o circuito principal do motor é rapidamente desconectado. No entanto, devido à inércia rotacional mecânica, o motor não pode parar imediatamente. Nesse momento, o acoplamento de atrito age como um componente de alívio de força. Permite que a engrenagem de atrito gire livremente, dissipando a inércia mecânica do motor e garantindo a posição precisa do disjuntor de alta tensão durante as operações de abertura e fechamento. Além disso, ajustando a tensão da mola, o torque de atrito pode ser modificado para se adequar às operações de abertura e fechamento de diversos disjuntores. O acoplamento de atrito é mostrado na Figura 8.
Vantagens do Esquema Proposto sobre os Mecanismos de Operação Elétrica do Tipo CJx
O projeto proposto elimina componentes elétricos como interruptores de fim de curso e paradas de limite, reduzindo fatores de instabilidade e aumentando a confiabilidade do mecanismo de operação elétrica. Também remove o bloco terminal com numerosos contatos, simplificando o circuito de fiação. Com um design modular, apenas cinco cabos conectam os dois módulos, melhorando significativamente a eficiência de reparo de falhas. Além disso, pode formar múltiplas camadas de proteção com disjuntores termomagnéticos e dispositivos de proteção eletrônica de motor existentes. Mesmo se o circuito de controle elétrico falhar, o dispositivo de bloqueio mecânico e o acoplamento de atrito garantem a segurança do motor. O acoplamento de atrito contraria a força da inércia mecânica do motor, e o dispositivo de bloqueio mecânico evita que a parada de limite "rebote", garantindo a abertura e fechamento precisos do disjuntor de alta tensão e protegendo sua integridade. Além disso, a partida sem carga do motor minimiza a corrente de partida, evitando choques no equipamento e prolongando a vida útil do mecanismo de operação.
3 Verificação Experimental
Seguindo padrões relevantes como "Disjuntores de Alta Tensão CA e Chaves de Terra" e "Requisitos Técnicos Comuns para Equipamentos e Comandos de Alta Tensão CA", a combinação de um dispositivo de bloqueio mecânico e um acoplamento de atrito melhora ainda mais a precisão de abertura e fechamento do disjuntor. Comparado com os mecanismos de operação elétrica da série CJx, oferece maior confiabilidade e segurança. A detecção de erros, através de múltiplos testes de abertura e fechamento e medições de desvio angular entre a parada de limite e o parafuso de limite, mostra que estão alinhados de perto, com um erro de usinagem real dentro de 1°, atendendo plenamente aos padrões tecnológicos. A posição real é mostrada na Figura 9.
4 Conclusão
Como um dos equipamentos-chave na rede elétrica, a confiabilidade e segurança do mecanismo de operação dos disjuntores de alta tensão são de suma importância. Este artigo toma o mecanismo de operação elétrica como objeto de estudo, realiza um design e análise detalhados de seu método de controle distribuído e o verifica através de experimentos, alcançando os resultados esperados.Com base no conceito de controle distribuído, o motor é acionado pelo controlador principal para controlar de forma segura e precisa as operações de abertura e fechamento dos disjuntores de alta tensão.
Com uma abordagem de design modular, o mecanismo de operação elétrica é dividido principalmente em um módulo de controle elétrico e um módulo de acionamento do motor, reduzindo a complexidade da fiação e melhorando a velocidade de manutenção.Um dispositivo de bloqueio mecânico é instalado. Combinado com as estruturas especiais do interruptor auxiliar Siemens e do acoplamento de atrito, a precisão de abertura e fechamento do disjuntor foi aprimorada.
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