La struttura complessiva di un interruttore automatico in vuoto per esterni di tipo-rivestito in porcellana-è la seguente:La boccola in porcellana superiore funge da boccola della camera di estinzione dell'arco-, contenente un interruttore a vuoto, mentre la boccola in porcellana inferiore funge da boccola di supporto. Sia la boccola della camera di estinzione dell'arco-che la boccola di supporto sono riempite con grasso isolante sotto vuoto con eccellenti proprietà isolanti. Durante l'attività dei fulmini, se lo scaricatore di sovratensione della linea da 35 kV è danneggiato o ha scarse caratteristiche di protezione contro i fulmini, la sovratensione può penetrare nelle apparecchiature della sottostazione lungo la linea, provocando un cortocircuito nei punti deboli dell'isolamento dell'interruttore, con conseguenti danni alle apparecchiature dovuti ai fulmini. Per risolvere questo problema è possibile adottare le seguenti misure preventive.
I. Principali modalità con cui l'attività dei fulmini influisce sugli interruttori automatici in vuoto per esterni
L'impatto dei fulmini sugli interruttori in vuoto da esterno non avviene attraverso un “impatto” diretto sull'apparecchiatura stessa, ma principalmente attraverso le seguenti due modalità, che generano sovratensioni distruttive:
Sovratensione diretta da fulmine
Colpo diretto: il fulmine colpisce direttamente il corpo dell'interruttore, le sbarre collegate o le strutture adiacenti. Ciò genera correnti e tensioni di fulmine estremamente elevate, che superano di gran lunga il livello di resistenza all'isolamento dell'apparecchiatura.
Conseguenze: ciò può portare a scariche elettriche dell'isolante, esplosioni, rottura dell'isolamento esterno dell'ampolla sotto vuoto e persino causare un cortocircuito tri-fase, con conseguenti danni permanenti all'apparecchiatura e interruzione dell'alimentazione.
Sovratensione indotta da fulmini (più comune)
Principio: quando un fulmine colpisce una linea, un palo o il terreno vicino all'interruttore, genera attorno ad esso un forte campo elettromagnetico transitorio. Questo campo magnetico variabile induce sovratensioni estremamente elevate nel circuito formato dall'interruttore, dai conduttori e dalle strutture.
Caratteristiche: Nonostante la magnitudo sia solitamente inferiore a quella di una fulminazione diretta, essa si verifica con maggiore frequenza e si propaga lungo la linea, costituendo una minaccia significativa per i punti deboli di isolamento dell'interruttore.
Sovratensione da fulmine
Principio: anche se il fulmine colpisce una linea distante, la sovratensione si propagherà lungo la linea di trasmissione sotto forma di onda viaggiante, raggiungendo l'interruttore automatico della sottostazione. Se l'impedenza dell'onda non è adattata, si verificheranno rifrazione e riflessione, causando un aumento di tensione.
Componenti interessati: minacciano principalmente l'isolamento tra i contatti dell'interruttore e l'isolamento verso terra. Soprattutto quando l'interruttore è in posizione aperta, i suoi contatti (tra i contatti mobili e fissi) devono resistere all'intera tensione di fase del sistema. La sovrapposizione delle sovratensioni da fulmine può facilmente portare alla rottura dei contatti, provocando un guasto da "fulmine".
Aumento del potenziale del suolo
Principio: Quando la corrente del fulmine viene scaricata nel terreno attraverso il dispositivo di messa a terra, genera un potenziale istantaneo estremamente elevato attorno al corpo di terra. Se i collegamenti di messa a terra di diverse apparecchiature all'interno della sottostazione (come basi di interruttori automatici, armadi di controllo) sono scadenti o c'è una differenza di potenziale, ciò può portare a sovratensione di ritorno-.
Impatto: l'elevato potenziale può "ritornare di fiamma" dal filo di terra all'involucro dell'apparecchiatura e quindi penetrare nel vulnerabile sistema di controllo secondario (come il motore del meccanismo operativo, le bobine di apertura e chiusura e i dispositivi di protezione del microprocessore), causando guasti al controllo o bruciatura dei componenti.
II. Manifestazioni specifiche di danno
Danni all'isolamento:
Isolamento esterno: il flashover superficiale sugli isolanti compositi in porcellana o gomma siliconica lascia segni di bruciatura, riducendo le future prestazioni di isolamento.
Isolamento interno: sebbene l'ampolla sottovuoto sia completamente sigillata, la sua distanza di dispersione esterna potrebbe subire scariche elettriche dovute a contaminazione e fulmini sovrapposti. Ancora più importante, la distanza tra i contatti potrebbe perforarsi in caso di sovratensione da fulmine.
Malfunzionamento o mancato funzionamento del meccanismo:
La sovratensione indotta può penetrare nel modulo di controllo del meccanismo operativo (come meccanismo a molla, meccanismo a magnete permanente) attraverso linee elettriche o cavi di controllo, causando potenzialmente lo scatto inutilmente dell'interruttore (malfunzionamento) o il mancato funzionamento durante un guasto (mancato funzionamento), ampliando così la portata dell'incidente.
Danno secondario al sistema:
Gli impulsi elettromagnetici (LEMP) generati dai fulmini possono accoppiarsi alle linee di segnale e alle linee elettriche, danneggiando i dispositivi di protezione e controllo basati su microprocessore-, i terminali intelligenti (DTU/FTU), ecc., provocando guasti al monitoraggio.
Invecchiamento accelerato del materiale:
Frequenti picchi di sovratensione accelerano l'invecchiamento dei materiali isolanti, riducendo la durata dell'apparecchiatura.
III. Misure di protezione globale ("Tre linee di difesa")
Per la protezione contro i fulmini degli interruttori automatici in vuoto da esterno da 35 kV è necessario adottare una strategia di "gestione globale e protezione a più livelli".
Prima linea di difesa: intercettazione e scarica (prevenzione degli attacchi diretti e riduzione dell'ampiezza delle ondate in arrivo)
Installazione di parafulmini/fili parafulmini:
Installare parafulmini indipendenti o strutturali nella sottostazione (o nell'area di distribuzione elettrica esterna in cui è installato l'interruttore) per formare una zona di protezione efficace, assicurando che apparecchiature importanti come gli interruttori automatici si trovino all'interno dell'ombrello di protezione contro i fulmini diretti.
Posizionamento ragionevole degli scaricatori di sovratensione:
Una misura cruciale! Uno scaricatore gapless all'ossido di metallo (MOA) deve essere installato all'ingresso dell'interruttore lato alimentazione (solitamente installato insieme a un sezionatore).
Luogo di installazione: deve essere installato il più vicino possibile all'interruttore per ridurre al minimo la sovratensione indotta sui cavi di collegamento tra di loro. Idealmente, la distanza elettrica tra lo scaricatore di sovratensione e l'interruttore automatico non dovrebbe superare il valore specificato (come il requisito della "distanza elettrica" nelle normative).
Funzione: quando la sovratensione da fulmine raggiunge la tensione operativa dello scaricatore di sovratensione, lo scaricatore conduce rapidamente, limitando la sovratensione a un livello sicuro che l'isolamento dell'interruttore può sopportare e scaricando la corrente del fulmine a terra.
Seconda linea di difesa: collegamento equipotenziale e messa a terra (fornendo un percorso di scarica affidabile e un potenziale di equalizzazione)
Sistema di messa a terra migliorato:
La rete di terra delle sottostazioni e dei corpi degli interruttori automatici deve essere conforme alle normative, garantendo una resistenza di terra sufficientemente bassa (solitamente richiesta inferiore o uguale a 0,5 Ω). La messa a terra a bassa-resistenza può scaricare rapidamente la corrente del fulmine e ridurre l'entità dell'aumento del potenziale di terra.
La base dell'interruttore, la scatola del meccanismo di comando e la struttura metallica devono avere almeno due punti di messa a terra affidabili.
Collegamento equipotenziale:
I componenti metallici vicino all'interruttore automatico (come supporti, condotti dei cavi e portacavi) e gli involucri della scatola di controllo devono essere ben-collegati alla rete di terra principale per evitare ritorni di fiamma causati da potenziali differenze.
Terza linea di difesa: schermatura e isolamento (protezione del sistema secondario)
Schermatura e cablaggio:
Tutti i cavi di controllo e di segnale che conducono al meccanismo di azionamento dell'interruttore e alla scatola di controllo devono essere armati o instradati attraverso condotti metallici ed entrambe le estremità dell'armatura metallica o del condotto metallico devono essere collegate a terra in modo affidabile.
Utilizzare preferibilmente cavi schermati e anche lo strato schermante deve essere messo a terra su entrambe le estremità.
Installazione di dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD):
Gli SPD del livello di tensione appropriato (ad esempio, SPD di alimentazione DC220V/AC220V, SPD di segnale) devono essere installati sull'ingresso dell'alimentazione operativa dell'interruttore e sull'ingresso del circuito del segnale di controllo.
Gli SPD possono sopprimere efficacemente i fulmini che entrano dalle linee, proteggendo le apparecchiature elettroniche secondarie. Dovrebbe essere istituito un sistema di protezione SPD coordinato in più-fasi.
Misure di isolamento:
Per importanti circuiti di segnale, è possibile utilizzare optoaccoppiatori o trasformatori di isolamento del segnale per l'isolamento elettrico per interrompere il percorso di conduzione della sovratensione da fulmine.
IV. Suggerimenti per il funzionamento e la manutenzione
Test preventivi regolari:
Eseguire test sulla tensione di riferimento CC (U1mA) e sulla corrente di dispersione sugli scaricatori di sovratensione secondo le normative per garantirne il corretto funzionamento.
Condurre test di resistenza all'isolamento e di tensione di tenuta CA sugli interruttori automatici, in particolare controllando la frequenza di alimentazione e i livelli di tensione di tenuta a impulso dei loro contatti.
Ispezione della rete di messa a terra:
Testare regolarmente la resistenza di terra e controllare la corrosione o la rottura dei conduttori di terra.
Monitoraggio delle condizioni:
Prima e dopo la stagione dei temporali, rafforzare le ispezioni per verificare la presenza di tracce di scariche elettriche sulle superfici degli isolanti, assicurarsi che la scatola del meccanismo sia adeguatamente sigillata e verificare che l'indicatore di stato dell'SPD funzioni correttamente.
Monitorare lo stato operativo:
Per gli interruttori automatici su linee in stato aperto/standby, la loro protezione contro i fulmini (principalmente gli scaricatori di sovratensione lato sbarre) deve rimanere costantemente impegnata.
Riepilogo
I fulmini rappresentano una minaccia sistemica per gli interruttori automatici in vuoto da esterno da 35 kV, colpendo sia l'isolamento primario che il sistema di controllo secondario. La misura preventiva più importante ed efficace consiste nell'installare "scaricatori all'ossido di metallo (MOA)" ad alte- prestazioni in prossimità dell'interruttore automatico", integrati da una messa a terra affidabile, da una protezione completa dalle sovratensioni per il sistema secondario e da funzionamento e manutenzione standardizzati. Solo costruendo un sistema di protezione multi-strato dall'aria alla terra e dai sistemi primari a quelli secondari è possibile massimizzare il funzionamento sicuro e stabile degli interruttori automatici sotto vuoto in condizioni di fulmini.
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