Analyse des Ausfalls eines 750 kV Tanktyp SF₆-Gedrucktgas-Schalters

Ausfallerscheinung
Fehlerinformation und Betriebsmodus vor dem Ausfall

Am 16. Mai 2016 um 17:53:50 traten nacheinander die Schutzgeräte der beiden Sätze auf der Jingchuan II Leitung in Aktion. Phase B wurde für den Ausschaltvorgang ausgewählt, und die B-Phase der Schalter 7522 und 7520 wurde geöffnet. Das Schutzgerät des Schalters 7522 erkannte einen dauerhaften Fehler an der Zwei-Leitungs-Schutzeinrichtung mit einer Verzögerung von 0,6s. Daraufhin trippelten die ABC drei Phasen des Schalters 7522.

Während dieses Prozesses aktivierte der Fehlerschutz der B-Phase des Schalters 7522 den Differenzschutz des Bus II, und der Schalter 7512 wurde geöffnet, was zu einem Stromausfall des 750kV-Bus II führte. Der Betriebsmodus des Systems vor dem Fehler und der Betriebszustand der Einheiten sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Wirkleistung von Einheit #1 betrug 645MW, und die von Einheit #2 602MW. Die Jingchuan I und II Leitungen waren normal in Betrieb. Der Schaltanlagenaufbau war ein 3/2-Schaltplan, und die Umspannanlage arbeitete im Ringbetrieb.

Störungsbefund
Ortliche visuelle Prüfung

Eine ortliche Prüfung des Schalters 7522 zeigte, dass die mechanischen Öffnen/Schließen-Indikatoren für die Phasen A/B/C die offene Position anzeigten, welche bei "0" lag. Die hydraulische Betriebsstruktur befand sich in der Federverdichtungsposition. Für den WB-2C-Schalter, Phasen A/B/

Für Phase C zeigte eine ortliche Prüfung des Bedienfelds, dass das rote Licht des TWJ-Indikators eingeschaltet war. Der SF₆-Gasdruck der A/B/C dreiphasigen Schalter betrug 0,62MPa (relativer Druck), und es gab keine offensichtlichen Auffälligkeiten am Schalter 7522.

Schutzaktionsinformationen

• Jingchuan II Leitungsschutz IRCS-931BM Schutzgerät: Am 16. Mai 2016 um 17:53:50:404 trat der B-Phasen-Stromdifferenzschutz in Aktion. Der Stromdifferenzschutz schaltete die Phasen A, B und C nach 767ms aus, und die Trippositionskontakte der Phasen A, B und C kehrten nach 825ms zurück.

• Jingchuan II Leitungsschutz IICS-103C Schutzgerät: Am 16. Mai 2016 um 17:53:50:454 trat der B-Phasen-Stromdifferenzschutz in Aktion, und die Phasendifferenz schaltete die Phasen ABC nach 790ms aus.

• Schutzgerät des Schalters 7522 PRS-721S: Der Schalter 7522 schaltete in Phase B aus. Es kam zur Folgeschaltung. Nach 0,6s wurde die Wiederverschlussaktion ausgeführt, und die Dreifach-Ausschaltaktion wurde übermittelt. Nach 0,15s kam es zum Fehlerschutz-Ausschalten des Schalters selbst, und nach 0,25s zum Fehlerschutz-Ausschalten der benachbarten Schalter.

• Schutzgerät des Schalters 7520 PRS-721S: Der Schalter 7520 schaltete in Phase B aus. Es kam zur Folgeschaltung, und die Dreiphasen-Folgeschaltung wurde ausgeführt. Da die Wiederverschlussaktion des Schalters 7520 eine Verzögerung von 0,9s hatte (um mit der defekten Leitung wiederzuschließen und den Einfluss auf die Einheit zu reduzieren), wurde die Wiederverschlussaktion nicht durchgeführt.

• Schutzgerät des Schalters 7512 PRS-721S: Der Schalter 7512 schaltete in drei Phasen aus, und die Rückkehrzeit der Dreiphasen-Ausschaltkontakte betrug 1143ms.

• Bus-Mutter-Schutz I Bildschirm RCS-915E Schutzgerät: Am 16. Mai 2016 um 17:53:51:258 kam es zum Fehlerschutz-Ausschalten des Bus-Leiters.
  

Prüfung und Untersuchung des Schalterkörpers

Das Ningxia Electric Power Research Institute wurde kontaktiert, um die SF₆-Gaskomponenten der dreiphasigen Schalter 7522 zu analysieren. Die Schwefelverbindungen im SF₆-Gas der Phase B überschritten den Standard erheblich. Der Gehalt an Zersetzungsprodukten in dieser Gaszelle war hoch, was auf die Anwesenheit von Hochenergie-Teilentladungen hindeutet, die zu der Zersetzung von festen Isoliermaterialien führten, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Nach der Messung des Unterbrechungsschleifens von Schalter B wurde bestätigt, dass die Schleife offen war, was darauf hinweist, dass der Schalter in der Offen-Position war. Das Ningxia Electric Power Research Institute führte Tests zur Öffnungszeit und der Schleifenwiderstand der Phasen A und C des Schalters 7522 durch, und die Testergebnisse entsprachen den Standards.

Zerlegung und Untersuchung nach dem Fehler

Für den Schalter 7522 wurde das SF₆-Gas in Phase B abgelassen, Stickstoff wurde eingeleitet, und die Tür des Schalterkörpers wurde geöffnet. Staub (Bogen-Zerfallsprodukte) wurde im Inneren gefunden. Nachdem die ABB-Fabriktechniker ankamen, wurde der Isolator zerlegt, und zwei gebrochene Elektroden wurden entdeckt. Die gebrochenen Elektroden waren mit der Außenwand verbunden. Der Verbindungsstab und der bewegliche Kontakt zeigten deutliche Abbrandspuren, und die Bewegungsmechanismus des beweglichen Kontakts wies deutliche Schmelz- und Zersetzungsprodukte auf. Der Betriebsmechanismus der hydraulischen Feder-Druckbetriebsstruktur des Schalters wurde untersucht und als normal funktionierend befunden.

Ursachenanalyse
Bogenlöschprinzip

Die optimale Zeit, um einen Wechselstrombogen zu löschen, ist, wenn der Bogenstrom jede Halbwelle durch Null geht. Während der Nullüberquerungsperiode unterliegt der Bogen zwei Wiederherstellungsprozessen:

• Dielektrische Festigkeitswiederherstellungsprozess: Aufgrund der Intensivierung des Deionisierungsprozesses erholt sich die dielektrische Festigkeit zwischen den Bogen-Elektroden allmählich.

• Bogenspannungswiederherstellungsprozess: Die Netzspannung wird erneut auf die Kontakte angewendet. Die Bogen-Spannung steigt von der Bogenlöschspannung auf die Netzspannung. Wenn der dielektrische Festigkeitswiederherstellungsprozess schneller als der Bogen-Spannungswiederherstellungsprozess ist, und die Amplitude des Bogen-Spannungswiederherstellungsprozesses groß ist, wird der Bogen-Spannungswiederherstellungsprozess schneller sein als der dielektrische Festigkeitswiederherstellungsprozess, was zur Durchschlagung der Dielektrizität zwischen den Elektroden und zur Wiederentzündung des Bogens führt. Wenn der Bogen-Spannungswiederherstellungsprozess beginnt, bevor der dielektrische Festigkeitswiederherstellungsprozess anfängt, wird der Bogen wiederentzündet.

Fazit

In Verbindung mit dem Fehleraufzeichnungsdiagramm des CSL103-Schutzgeräts, nachdem die B-Phase des Schalters 7522 wieder geschlossen wurde, gab der Schutz nach 767 ms einen Dreiphasen-Ausschaltbefehl, und die drei Phasen des Schalters 7522 wurden vollständig nach 825 ms geöffnet, mit einer Reaktionszeit von 58 ms. Während des Bogenlöschprozesses des B-Phasen-Schalters überquerte die Stromkurve nicht Null, und der Bogen lieferte weiterhin Kurzschlussstrom innerhalb des Schalters.

Laut der Analyse der Bogenlöschleistung von SF₆-Gas: unter dem Einfluss des Bogens absorbiert SF₆-Gas elektrische Energie und bildet niedrigfluorierte Verbindungen. Wenn jedoch der Bogenstrom Null überquert, können diese niedrigfluorierten Verbindungen schnell wieder zu SF₆-Gas reagieren. Die dielektrische Festigkeit des Bogenraumes erholt sich relativ schnell. Da der Bogenstrom nicht Null überquerte, sank die Bogenlöschleistung von SF₆-Gas. In diesem Fall konnte nur durch Aktivierung des Schalterfehlerschutzes der benachbarte Schalter 7512 den Fehlerstrom abschalten. Die Zeit vom Rückkehren des Dreiphasen-Ausschaltkontakts des Schalters 7522 bis zum Rückkehren des Dreiphasen-Ausschaltkontakts des Schalters 7512 betrug insgesamt 317 ms, was darauf hindeutet, dass der Hochenergiebogen der B-Phase des Schalters 317 ms brannte. Nachdem der Schalter 7512 geöffnet wurde, wurde der Bogen gelöscht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl der Leitungsschutz als auch der Schalterfehlerschutz bei diesem Ereignis normal funktionierten, und der Schalter normal ausschaltete. Die Aktionen der primären und sekundären Geräte waren alle korrekt. Für die B-Phase des Schalters 7522 ergab die Gaszusammensetzungsanalyse, dass es in der Bogenlöschkammer hohe Energiedichte gab, die ausreichte, um den Gasdruck zu erhöhen. Allerdings überquerte der Strom der 7522B-Phase nicht Null, und der Bogen wurde nicht gelöscht. Aber der Ventil der unteren Kompressionskammer war geöffnet, und das überschüssige Gas wurde von unten abgegeben, was möglicherweise den Bogen mitnahm und die Isolierstange des beweglichen Kontakts und den Spannungsteiler verbrannte.

Analyse der Ursachen für das Verbrennen des Schließwiderstands des Schalters und den Durchschlag der äußeren gleichmäßigen Abschirmung des Widerstands

Der Betrieb des Schalters ist die Ursache für die meisten Schaltüberspannungen. Das Installieren eines Schließwiderstands kann die Überspannungen während des Leitungs-Schließens und des Einphasen-Wiederverschlusses wirksam begrenzen. Der von ABB hergestellte 550/800PMSF₆-Gas-Blow-Schalter, der in unserem Unternehmen verwendet wird, hat einen Schließwiderstand, der aus gestapelten Siliciumkarbid-Widerstandsplatten besteht. Laut dem Herstellerhandbuch beträgt die Wärmeleistung des Schließwiderstands folgendes: Bei 4-mal Schließen bei 1,3-facher Nennphasenspannung beträgt der Zeitabstand zwischen den ersten beiden Malen 3 Minuten, und der Zeitabstand zwischen den letzten beiden Malen 3 Minuten; der Zeitabstand zwischen den beiden Gruppen von Tests (vor und nach) beträgt nicht mehr als 30 Minuten.

Der Schalter hat eine Serienunterbrechungsstruktur, die aus 3 Hauptunterbrechungen, 1 Hilfsunterbrechung und einem kombinierten Schließwiderstand besteht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Das Hauptmerkmal der Serienunterbrechungsstruktur ist, dass während des Schließens des Schalters die Hilfsunterbrechung nach der Hauptunterbrechung in der Bogenlöschkammer schließt, und während des Öffnens trennt die Hilfsunterbrechung nach der Hauptunterbrechung in der Bogenlöschkammer.

Das heißt, die Aktion der Hilfsunterbrechung erfolgt später beim Schließen und später beim Öffnen. Ihr Arbeitsprinzip ist folgendes: Beim Schließen schließt die Hauptunterbrechung zuerst, bilden einen Stromkreis in Serie mit dem Widerstand, und der Schließwiderstand wird verbunden. Nach etwa 8-11 ms (gemäß dem Herstellerhandbuch) wird ein Stromkreis durch den Schließkontakt der Hilfsunterbrechung gebildet, der den Schließwiderstand kurzschließt; beim Öffnen trennt die Hauptunterbrechung zuerst, öffnet den Hauptschleifenkreis, und dann trennt die Hilfsunterbrechung.

Daher trägt die Hilfsunterbrechung den Nennstrom und den Kurzschlussstrom während des Öffnens. Nach dem mechanischen Öffnen der B-Phase wurde der Schließwiderstand in den Kreislauf eingeschaltet. Da der Bogen zwischen den B-Phasenunterbrechungen 317 ms durch den Schließwiderstand floss, und der Bogenstrom etwa 1620 A betrug, war gemäß der Berechnung die Wärmeleistung, die der Verbindung zwischen dem Schließwiderstand und der Hilfsunterbrechung zugefügt wurde, größer als ihre Nennkapazität. Dies führte dazu, dass die Wärmeleistung der Verbindungsringe zwischen dem Schließwiderstand und der Hilfsunterbrechung überlastet wurde, letztendlich zu einer Verschmelzung, zu einer Entladung an den äußeren Wand-Gradingring, und zum Durchschlag des Gradingrings und zum Verfärbung des Widerstands.

Analyse der Ursachen für die Aktivierung des Schalterfehlerschutzes

Im Schalterfehlerschutz wird, wenn das Stromelement aktiviert wird und den Fehlerschutzkriterien entspricht, der Fehlerschutz initiiert, sobald das Schutz-Ausschalt-Eingangssignal empfangen wird und der entsprechende Phasenstrom größer als 0,05 In ist.

Wie aus den Berichten des 7522 ersichtlich, vom Zeitpunkt, als das PRS-721S-Schutzgerät des Schutzpanels des Schalters 7522 um 775 ms das Dreiphasen-Ausschaltsignal vom IRC-931BM-Schutzgerät des Leitungsschutzes Jingchuan II empfing, bis zum Zeitpunkt, als es um 925 ms den lokalen Schalter aufgrund des Fehlers ausschaltete, und bis zum Zeitpunkt, als es um 1025 ms den benachbarten Schalter aufgrund des Fehlers ausschaltete, mit einer Verzögerung von 0,15 s für das Ausschalten des lokalen Schalters und 0,25 s für das Ausschalten des benachbarten Schalters, entspricht dies der Logik des Fehlerschutzes, und der Schutz funktionierte korrekt, wie in Abbildung 3 dargestellt. Im Oszillogramm kann man sehen, dass obwohl der B-Phasen-Ausschaltkontakt des 7522 um 825 ms zurückgekehrt war, immer noch Strom (Bogen) zwischen den beweglichen und festen Kontakten floss.

Fazit

• Aufgrund der starken Verzerrung des Fehlerstroms verschob sich die Wellenform zur unteren Seite der Zeitachse. Die Tatsache, dass die Wellenform innerhalb der effektiven Bogenlöschzeit des Schalters nicht Null überquerte, war der Hauptgrund für die Nichtlöschung des Bogens. Das Scheitern der Wiederherstellung der Lückenisolation nach dem Öffnen des Schalters und der Rückgang der Bogenlöschleistung von SF₆-Gas waren sekundäre Gründe für die Nichtlöschung des Bogens.

• Die Nichtlöschung des Bogens und die Ausstoßung des Restgases aus der Bogenlöschkammer, die den Bogen mitnahm, waren die Hauptgründe für die Verfärbung der Isolierstange und der Außenseite des Kondensators.

• Nach dem mechanischen Öffnen der B-Phase wurde der Schließwiderstand in den Kreislauf eingeschaltet. Da der Bogen zwischen den B-Phasenunterbrechungen 317 ms durch den Schließwiderstand floss, führte die Wärmeleistung dazu, dass die Verbindung zwischen dem Schließwiderstand und der Hilfsunterbrechung durchbrannte, letztendlich zu einer Verschmelzung, zu einer Entladung an den äußeren Wand-Gradingring, und zum Durchschlag des Gradingrings und zur Verfärbung des Widerstands.

• Die Anwesenheit des Bogenstroms in der B-Phase und seine Übereinstimmung mit der Logik des Schalterfehlerschutzes waren die Hauptgründe für das Ausschalten des Bus.