Anàlisi de l'aviament d'un interruptor de gas comprimit SF₆ de tipus tanque de 750 kV

Fenòmen de fallada
Informació de la fallada i mode operatiu abans de la fallada

El 16 de maig de 2016, a les 17:53:50, els dispositius de protecció de dos conjunts de la Línia Jingchuan II es van activar successivament. Es va seleccionar la fase B per al disparador, i es van obrir les fases B dels interruptors 7522 i 7520. La protecció de l'interruptor 7522 va detectar una falla permanent en el dispositiu de protecció de línia doble, amb un retard de 0,6 segons. Posteriorment, es van disparar les tres fases ABC de l'interruptor 7522.

Durant aquest procés, la protecció contra fallades de la fase B de l'interruptor 7522 va activar la protecció diferencial de la Barra II, i es va obrir l'interruptor 7512, resultant en un apagat de la Barra II de 750 kV. El mode operatiu del sistema abans de la fallada i les condicions d'operació de les unitats es mostren a la Figura 1. La potència activa de la Unitat #1 era de 645 MW, i la de la Unitat #2 era de 602 MW. Les Línies Jingchuan I i II estaven funcionant normalment. El mode de connexió de la subestació elevadora era 3/2, i la subestació elevadora estava funcionant en mode tancat.

Situació de la inspecció de la fallada
Inspecció visual in situ

Una inspecció in situ de l'interruptor 7522 va mostrar que els indicadors mecànics d'obertura/tancament per les fases A/B/C indicaven la posició oberta, que era la posició "0". L'estructura d'operació hidràulica estava en la posició de compressió de la molla. Per a l'interruptor WB - 2C, les fases A/B/

Per a la fase C, la inspecció in situ del quadre frontal de control va mostrar que la llum vermella de l'indicador TWJ estava encesa. La pressió de gas SF₆ dels interruptors trifàsics A/B/C era de 0,62 MPa (pressió relativa), i no hi havia anomalies evidents en l'interruptor 7522.

Informació de l'acció de protecció

• Dispositiu de protecció IRCS - 931BM de la Línia Jingchuan II: El 16 de maig de 2016, a les 17:53:50:404, es va activar la protecció diferencial de corrent de la fase B. La protecció diferencial de corrent va disparar les fases A, B i C a 767 ms, i els contactes de posició de disparador de les fases A, B i C van tornar a 825 ms.

• Dispositiu de protecció IICS - 103C de la Línia Jingchuan II: El 16 de maig de 2016, a les 17:53:50:454, es va activar la protecció diferencial de corrent de la fase B, i la diferencial de fase va disparar les fases ABC a 790 ms.

• Pantalla de protecció de l'interruptor 7522 PRS - 721S: L'interruptor 7522 va disparar la fase B. Va tenir lloc l'acció de disparador posterior. Després de 0,6 segons, es va executar l'acció de reconexionament, i es va comunicar l'acció de disparador tríplex. Després de 0,15 segons, va tenir lloc el disparador de fallada de l'interruptor mateix, i després de 0,25 segons, va tenir lloc el disparador de fallada dels interruptors adjacents.

• Pantalla de protecció de l'interruptor 7520 PRS - 721S: L'interruptor 7520 va disparar la fase B. Va tenir lloc l'acció de disparador posterior, i es va executar el disparador tríplex posterior. Com que el reconexionament de l'interruptor 7520 tenia un retard de 0,9 segons (per reconectar amb la línia defectuosa i reduir l'impacte en la unitat), no s'activà el reconexionament.

• Pantalla de protecció de l'interruptor 7512 PRS - 721S: L'interruptor 7512 va disparar les tres fases, i el temps de retorn dels contactes de posició de disparador tríplex va ser de 1143 ms.

• Pantalla de protecció RCS - 915E de la Barra Matriu II: El 16 de maig de 2016, a les 17:53:51:258, es va produir el disparador de fallada de la barra-línia.
  

Prova i inspecció del cos de l'interruptor

Es va contactar amb l'Institut d'Investigació Elèctrica de Ningxia per analitzar els components de gas SF₆ dels interruptors trifàsics 7522. Els components de sulfurs en el gas SF₆ de la fase B superaven greument l'estàndard. El contingut de productes de descomposició en aquest compartiment de gas era alt, indicant la presència d'una descàrrega parcial d'alta energia, que va portar a la descomposició de materials d'aislament sòlids, com es mostra a la Taula 1.

Després de mesurar el circuit d'interrompiment de la fase B, es va confirmar que el circuit estava obert, indicant que l'interruptor estava en estat de circuit obert. L'Institut d'Investigació Elèctrica de Ningxia va realitzar proves sobre el temps d'obertura i la resistència del circuit de les fases A i C de l'interruptor 7522, i els resultats de les proves eren en conformitat amb els estàndards.

Desmuntatge i inspecció després de la fallada

Per a l'interruptor 7522, es va evacuar el gas SF₆ de la fase B, es va purgar amb nitrògen i es va obrir la porta del cos de l'interruptor. S'hi va trobar pols (productes de descomposició d'ablatament d'arc). Després de l'arribada dels tècnics de la fàbrica ABB, es va desmuntar l'aislant, i es van trobar 2 electrodes trencades. Les electrodes trencades estaven connectades a la paret exterior. La barra de connexió i el contacte mòbil mostraven marques d'ablatament evidents, i el mecanisme d'operació del contacte mòbil tenia productes de fusió i descomposició evidents. El mecanisme d'operació de l'estructura d'operació hidràulica de ressort de l'interruptor va ser inspeccionat i es va trobar que funcionava normalment.

Anàlisi de causes
Principi d'extinció d'arc

El moment òptim per extingir un arc AC és quan la corrent de l'arc passa pel zero cada mig cicle. Durant el període de creuament de zero de la corrent, l'arc experimenta 2 processos de recuperació:

• Procés de recuperació de la resistència dielèctrica: Degut a l'increment del procés de desionització, la resistència dielèctrica entre els electrodes de l'arc es recupera gradualment.

• Procés de recuperació de la tensió d'arc: La tensió de la font d'alimentació es reaplica als contactes. La tensió d'arc augmenta de la tensió d'extinció a la tensió de la font d'alimentació. Si el procés de recuperació de la resistència dielèctrica és més ràpid que el procés de recuperació de la tensió d'arc, i l'amplitud del procés de recuperació de la tensió d'arc és gran, el procés de recuperació de la tensió d'arc serà més ràpid que el procés de recuperació de la resistència dielèctrica, provocant la ruptura del dielèctric entre els electrodes, i l'arc es reiniciarà. Si el procés de recuperació de la tensió d'arc comença abans que comenci el procés de recuperació de la resistència dielèctrica, l'arc es reiniciarà.

Conclusió

Combinant la forma d'ona de registre de fallada del dispositiu de protecció CSL103, després de que la fase B de l'interruptor 7522 es va reconectar, la protecció va emitir una ordre de disparador tríplex a 767 ms, i les tres fases de l'interruptor 7522 es van obrir completament a 825 ms, amb un temps d'acció de 58 ms. Durante el procés d'extinció de l'arc de la fase B de l'interruptor, la forma d'ona de corrent no va creuar zero, i l'arc continuà proporcionant corrent de curt-circuit dins de l'interruptor.

Segons l'anàlisi del rendiment d'extinció d'arc del gas SF₆: sota l'acció de l'arc, el gas SF₆ absorbeix energia elèctrica i genera compostos de baix fluor. Tanmateix, quan la corrent de l'arc creua zero, els compostos de baix fluor poden recombinar ràpidament en gas SF₆. La resistència dielèctrica de l'interval d'arc es recupera relativament ràpidament. Com que la corrent de l'arc no va creuar zero, el rendiment d'extinció d'arc del gas SF₆ disminuí. En aquest moment, només activant la protecció contra fallades de l'interruptor es podria tallar la corrent de fallada mitjançant l'interruptor 7512 adjacent. El temps des del retorn del contacte de posició de disparador tríplex de l'interruptor 7522 fins al retorn del contacte de posició de disparador tríplex de l'interruptor 7512 va ser de 317 ms en total, indicant que l'arc d'alta energia de la fase B de l'interruptor va cremar durant 317 ms. Després que l'interruptor 7512 es va obrir, l'arc es va extinguir.

En conclusió, en aquest esdeveniment, tant la protecció de línia com la protecció contra fallades de l'interruptor van funcionar normalment, i l'interruptor va disparar normalment. Les accions de l'equipament primari i secundari van ser totes correctes. Per a la fase B de l'interruptor 7522, a partir de l'anàlisi de la composició del gas, hi havia energia d'alta intensitat a la cambra d'extinció d'arc, suficient per augmentar la pressió del gas. Tanmateix, la corrent de la fase B de 7522 no va creuar zero, i l'arc no es va extinguir. Però la válvula de la cambra de compressió inferior ja s'havia obert, i el gas excedent s'havia evacuat per la part inferior, que podria portar l'arc i cremar la barra d'aislament del contacte mòbil i el capacitor de derivació.

Anàlisi de les causes de la cremada de la resistència de tancament de l'interruptor i la ruptura de la coberta d'escudament uniforme a l'exterior de la resistència

L'operació de l'interruptor és la causa de la majoria de les sobretensions de commutació. Instal·lar una resistència de tancament pot limitar eficacement les sobretensions durant el tancament de la línia i el reconexionament monofàsic. L'interruptor de gas SF₆ de 550/800PMSF₆ fabricat per la companyia ABB utilitzat a la nostra empresa té una resistència de tancament composta per plaques de resistència de carbide de silici apilades. Segons el manual de l'abricant, la capacitat tèrmica de la resistència de tancament és la següent: quan es tanca 4 vegades a 1,3 vegades la tensió nominal de fase, el temps d'interval entre les dues primeres vegades és de 3 minuts, i el temps d'interval entre les dues últimes vegades és de 3 minuts; el temps d'interval entre els dos grups de proves (front i darrera) no ha de superar els 30 minuts.

L'interruptor té una estructura de ruptura en sèrie, que consta de 3 ruptures principals, 1 ruptura auxiliar i una resistència de tancament combinada, com es mostra a la Figura 2. La característica principal de la ruptura en sèrie és que, durant l'operació de tancament de l'interruptor, la ruptura auxiliar es tanca després de la ruptura principal a la cambra d'extinció d'arc, i durant l'operació d'obertura, la ruptura auxiliar també es separa després de la ruptura principal a la cambra d'extinció d'arc.

És a dir, la seqüència d'acció de la ruptura auxiliar és tancar més tard i obrir més tard. El seu principi de funcionament és el següent: durant el tancament, la ruptura principal es tanca primer, formant un circuit de conducció de corrent en sèrie amb la resistència, i la resistència de tancament es connecta. Després de gairebé 8-11 ms (segons el manual de l'abricant), es forma un circuit de conducció de corrent a través del contacte de tancament de la ruptura auxiliar, curcuitant la resistència de tancament; durant l'obertura, la ruptura principal es separa primer, obrint el circuit de corrent principal, i després la ruptura auxiliar es separa.

Per tant, la ruptura auxiliar porta la corrent nominal i la corrent de curt-circuit durant l'obertura. Després de l'obertura mecànica de la fase B, la resistència de tancament es connecta al circuit. Com que l'arc entre les ruptures de la fase B va durar 317 ms a través de la resistència de tancament, i la corrent d'arc era aproximadament de 1620 A, segons el càlcul, la capacitat tèrmica suportada per la resistència de tancament era superior a la seva capacitat nominal. Això va portar a la superació de la capacitat tèrmica de l'anell de connexió entre la resistència de tancament i la ruptura auxiliar, finalment causant la fusió, la descàrrega cap a l'anell de gradació de la paret exterior, provocant la ruptura de l'anell de gradació i la foscor de la resistència.

Anàlisi de les causes de l'operació de la protecció contra fallades de l'interruptor

En la protecció contra fallades de l'interruptor, quan l'element de corrent s'activa i compleix els criteris de protecció contra fallades, la protecció contra fallades s'iniciarà sempre que s' rebut la senyal d'entrada de disparador de protecció i la corrent de la fase corresponent sigui superior a 0,05 In.

Com es pot veure en els informes de 7522, des de 775 ms, quan el dispositiu de protecció PRS - 721S de la pantalla de protecció de l'interruptor 7522 va rebre la senyal d'entrada de disparador tríplex del dispositiu de protecció IRC - 931BM de la protecció de la Línia Jingchuan II, fins a 925 ms, quan va disparar l'interruptor local per fallada, i fins a 1025 ms, quan va disparar l'interruptor adjacent per fallada, amb un retard de 0,15 s per al disparador local i 0,25 s per al disparador adjacent, respectivament, això és conforme a la lògica d'operació de la protecció contra fallades, i la protecció va funcionar correctament, com es mostra a la Figura 3. En l'oscil·lograma, es pot veure que, tot i que el contacte de posició de disparador de la fase B de 7522 havia tornat a 825 ms, encara hi havia corrent (arc) fluïnt entre els contactes mòbils i fixos.

Conclusions

• Degut a la distorsió severa de la corrent de fallada, la forma d'ona es va desplaçar cap al costat inferior de l'eix de temps. El fet que la forma d'ona no va creuar zero dins del temps efectiu d'extinció d'arc de l'interruptor va ser la raó principal per la qual l'arc no es va extinguir. El fracàs de la recuperació de l'aislament de l'interval després de l'obertura de l'interruptor i la disminució del rendiment d'extinció d'arc del gas SF₆ van ser raons secundàries per la qual l'arc no es va extinguir.

• La no-extinció de l'arc i l'expulsió del gas residu de la cambra d'extinció d'arc, que portà l'arc, van ser les raons principals per la foscor de la barra d'aislament i la paret exterior del capacitor.

• Després de l'obertura mecànica de la fase B, la resistència de tancament es va connectar al circuit. Com que l'arc entre les ruptures de la fase B va fluir a través de la resistència de tancament durant 317 ms, la capacitat tèrmica va causar la ruptura de la connexió entre la resistència de tancament i la ruptura auxiliar, finalment provocant la fusió, la descàrrega cap a l'anell de gradació de la paret exterior, provocant la ruptura de l'anell de gradació i la foscor de la resistència.

• La presència de corrent d'arc a la fase B i la seva conformitat amb la lògica d'operació de la protecció contra fallades de l'interruptor van ser les raons principals per al disparador de la barra.