Análisis del fallo de un interruptor de gas comprimido SF₆ tipo tanque de 750 kV

Fenómeno de Fallo
Información del Fallo y Modo Operativo Antes del Fallo

A las 17:53:50 del 16 de mayo de 2016, los dispositivos de protección de dos conjuntos en la Línea Jingchuan II operaron sucesivamente. Se seleccionó la fase B para el salto, y se abrió la fase B de los interruptores 7522 y 7520. La protección del interruptor 7522 detectó un fallo permanente en el dispositivo de protección de línea doble, con un retraso de 0.6s. Posteriormente, saltaron las fases ABC del interruptor 7522.

Durante este proceso, la protección contra fallos de la fase B del interruptor 7522 activó la protección diferencial de la Barra II, y se abrió el interruptor 7512, resultando en un corte de energía de la Barra 750kV II. El modo operativo del sistema antes del fallo y las condiciones de operación de las unidades se muestran en la Figura 1. La potencia activa de la Unidad #1 era de 645MW, y la de la Unidad #2 era de 602MW. Las Líneas Jingchuan I y II estaban operando normalmente. El modo de conexión de la subestación elevadora era 3/2, y la subestación elevadora estaba operando en modo cerrado.

Situación de Inspección del Fallo
Inspección Visual In Situ

Una inspección in situ del interruptor 7522 mostró que los indicadores mecánicos de apertura/cierre para las fases A/B/C indicaban la posición abierta, que estaba en la posición "0". La estructura de operación hidráulica estaba en la posición de compresión de la primavera. Para el interruptor WB - 2C, las fases A/B/

Para la fase C, la inspección in situ del panel de la caja de operación mostró que la luz roja del indicador TWJ estaba encendida. La presión de gas SF₆ de los interruptores trifásicos A/B/C era de 0.62MPa (presión relativa), y no había anomalías obvias en el interruptor 7522.

Información de Acción de Protección

• Dispositivo de Protección IRCS - 931BM de la Línea Jingchuan II: A las 17:53:50:404 del 16 de mayo de 2016, se activó la protección diferencial de corriente de la fase B. La protección diferencial de corriente saltó las fases A, B y C a 767ms, y los contactos de posición de salto de las fases A, B y C regresaron a 825ms.

• Dispositivo de Protección IICS - 103C de la Línea Jingchuan II: A las 17:53:50:454 del 16 de mayo de 2016, se activó la protección diferencial de corriente de la fase B, y la diferencia de fase saltó las fases ABC a 790ms.

• Pantalla de Protección del Interruptor 7522 PRS - 721S: El interruptor 7522 saltó en la fase B. Se produjo una acción de salto secundario. Después de 0.6s, se ejecutó la acción de recierre, y se comunicó la acción de triple salto. Después de 0.15s, se produjo el salto por fallo del propio interruptor, y después de 0.25s, se produjo el salto por fallo de los interruptores adyacentes.

• Pantalla de Protección del Interruptor 7520 PRS - 721S: El interruptor 7520 saltó en la fase B. Se produjo una acción de salto secundario, y se ejecutó un salto secundario trifásico. Dado que el recierre del interruptor 7520 tenía un retraso de 0.9s (para recerrar con la línea defectuosa y reducir el impacto en la unidad), el recierre no operó.

• Pantalla de Protección del Interruptor 7512 PRS - 721S: El interruptor 7512 saltó en tres fases, y el tiempo de retorno de los contactos de posición de salto trifásico fue de 1143ms.

• Pantalla de Protección Materna I RCS - 915E de la Barra II: A las 17:53:51:258 del 16 de mayo de 2016, se produjo el salto por fallo de la barra-línea.
  

Prueba e Inspección del Cuerpo del Interruptor

Se contactó al Instituto de Investigación Eléctrica de Ningxia para analizar los componentes de gas SF₆ de los interruptores trifásicos 7522. Los componentes de compuestos de azufre en el gas SF₆ de la fase B superaron seriamente el estándar. El contenido de productos de descomposición en esta cámara de gas era alto, lo que indica la presencia de descargas parciales de alta energía, lo que llevó a la descomposición de materiales de aislamiento sólido, como se muestra en la Tabla 1.

Después de medir el bucle de circuito de interrupción de la fase B, se confirmó que el bucle estaba abierto, lo que indica que el interruptor había estado en estado de circuito abierto. El Instituto de Investigación Eléctrica de Ningxia realizó pruebas sobre el tiempo de apertura y la resistencia del circuito de las fases A y C del interruptor 7522, y los resultados de las pruebas estaban en línea con los estándares.

Desmontaje e Inspección Después del Fallo

Para el interruptor 7522, se liberó el gas SF₆ dentro de la fase B, se purgó con nitrógeno, y se abrió la puerta del cuerpo del interruptor. Se encontró polvo (productos de descomposición por arco) en el interior. Después de que llegaran los técnicos de la fábrica ABB, se desmontó el aislador, y se encontraron 2 electrodos rotos. Los electrodos rotos estaban conectados a la pared exterior. El eje de conexión y el contacto móvil mostraban marcas de ablación obvias, y el mecanismo de operación del contacto móvil tenía productos de descomposición fundidos obvios. Se inspeccionó el mecanismo de operación de la estructura de operación de resorte hidráulico del interruptor y se encontró que estaba funcionando normalmente.

Análisis de Causas
Principio de Extinción de Arco

El momento óptimo para extinguir un arco AC es cuando la corriente del arco pasa por cero cada medio ciclo. Durante el período de cruce por cero de la corriente, el arco experimenta 2 procesos de recuperación:

• Proceso de Recuperación de Resistencia Dieléctrica: Debido al fortalecimiento del proceso de desionización, la resistencia dieléctrica entre los electrodos del arco se recupera gradualmente.

• Proceso de Recuperación de Voltaje de Arco: Se vuelve a aplicar el voltaje de suministro a los contactos. El voltaje de arco aumenta desde el voltaje de extinción hasta el voltaje de suministro. Si el proceso de recuperación de resistencia dieléctrica es más rápido que el proceso de recuperación de voltaje de arco, y la amplitud del proceso de recuperación de voltaje de arco es grande, el proceso de recuperación de voltaje de arco será más rápido que el proceso de recuperación de resistencia dieléctrica, lo que llevará a la ruptura del dieléctrico entre los electrodos, y el arco se reiniciará. Si el proceso de recuperación de voltaje de arco comienza antes de que comience el proceso de recuperación de resistencia dieléctrica, el arco se reiniciará.

Conclusión

Combinado con la forma de onda de registro de fallas del dispositivo de protección CSL103, después de que la fase B del interruptor 7522 se volvió a cerrar, la protección emitió un comando de salto trifásico a 767 ms, y las tres fases del interruptor 7522 se abrieron completamente a 825 ms, con un tiempo de acción de 58 ms. Durante el proceso de extinción de arco del interruptor de la fase B, la forma de onda de corriente no cruzó cero, y el arco continuó proporcionando corriente de cortocircuito dentro del interruptor.

Según el análisis del rendimiento de extinción de arco del gas SF₆: bajo la acción del arco, el gas SF₆ absorbe energía eléctrica y genera compuestos de fluoruro bajo. Sin embargo, cuando la corriente del arco cruza cero, los compuestos de fluoruro bajo pueden recombinarse rápidamente en gas SF₆. La resistencia dieléctrica de la brecha del arco se recupera relativamente rápido. Dado que la corriente del arco no cruzó cero, el rendimiento de extinción de arco del gas SF₆ disminuyó. En ese momento, solo mediante la activación de la protección contra fallos del interruptor, el interruptor adyacente 7512 pudo cortar la corriente de falla. El tiempo desde el retorno de los contactos de posición de salto trifásico del interruptor 7522 hasta el retorno de los contactos de posición de salto trifásico del interruptor 7512 fue de 317 ms en total, lo que indica que el arco de alta energía de la fase B del interruptor 7522 quemó durante 317 ms. Después de que el interruptor 7512 se abrió, el arco se extinguió.

En conclusión, en este evento, tanto la protección de línea como la protección contra fallos del interruptor operaron normalmente, y el interruptor saltó normalmente. Las acciones de los equipos primarios y secundarios fueron todas correctas. Para la fase B del interruptor 7522, a partir del análisis de la composición del gas, hubo energía de alta intensidad en la cámara de extinción de arco, que fue suficiente para aumentar la presión del gas. Sin embargo, la corriente de la fase 7522B no cruzó cero, y el arco no se extinguió. Pero la válvula de la cámara de compresión inferior ya se había abierto, y el exceso de gas se liberó por la parte inferior, lo que podría haber llevado el arco fuera y quemado el varilla aislante del contacto móvil y el condensador de derivación.

Análisis de las Causas del Quemado de la Resistencia de Cierre del Interruptor y la Ruptura de la Cubierta de Pantalla Uniforme en el Lado Exterior de la Resistencia

La operación del interruptor es la causa de la mayoría de los sobretensiones de conmutación. Instalar una resistencia de cierre puede limitar eficazmente las sobretensiones durante el cierre de línea y el recierre monofásico. El interruptor de aire a chorro de gas SF₆ 550/800PMSF₆ fabricado por la compañía ABB utilizado en nuestra empresa tiene una resistencia de cierre compuesta por placas de resistencia de carburo de silicio apiladas. Según el manual del fabricante, la capacidad térmica de la resistencia de cierre es la siguiente: al cerrar 4 veces a 1.3 veces el voltaje nominal de fase, el intervalo de tiempo entre las primeras dos veces es de 3 minutos, y el intervalo de tiempo entre las últimas dos veces es de 3 minutos; el intervalo de tiempo entre los dos grupos de pruebas (frente y trasero) no debe exceder 30 minutos.

El interruptor tiene una estructura de interrupción en serie, que consta de 3 interrupciones principales, 1 interrupción auxiliar y una resistencia de cierre combinada, como se muestra en la Figura 2. La característica principal de la interrupción en serie es que, durante la operación de cierre del interruptor, la interrupción auxiliar cierra después de la interrupción principal en la cámara de extinción de arco, y durante la operación de apertura, la interrupción auxiliar también se separa después de la interrupción principal en la cámara de extinción de arco.

Es decir, la secuencia de acción de la interrupción auxiliar es cerrar más tarde y abrir más tarde. Su principio de funcionamiento es el siguiente: durante el cierre, la interrupción principal cierra primero, formando un bucle conductor de corriente en serie con la resistencia, y se conecta la resistencia de cierre. Después de aproximadamente 8-11 ms (según el manual del fabricante), se forma un bucle conductor de corriente a través del contacto de cierre de la interrupción auxiliar, cortocircuitando la resistencia de cierre; durante la apertura, la interrupción principal se desconecta primero, abriendo el bucle de corriente principal, y luego se separa la interrupción auxiliar.

Por lo tanto, la interrupción auxiliar lleva la corriente nominal y la corriente de cortocircuito durante la apertura. Después de la apertura mecánica de la fase B, la resistencia de cierre se conecta al circuito. Dado que el arco entre las interrupciones de la fase B duró 317 ms a través de la resistencia de cierre, y la corriente de arco fue de aproximadamente 1620 A, según el cálculo, la capacidad térmica soportada por la resistencia de cierre fue mayor que su capacidad nominal. Esto llevó a la capacidad térmica excesiva del anillo de conexión entre la resistencia de cierre y la interrupción auxiliar, lo que finalmente causó fusión, descarga hacia el anillo de gradiente de la pared exterior, resultando en la ruptura del anillo de gradiente y el ennegrecimiento de la resistencia.

Análisis de las Causas de la Operación de la Protección Contra Fallos del Interruptor

En la protección contra fallos del interruptor, cuando el elemento de corriente se activa y cumple con los criterios de protección contra fallos, la protección contra fallos se iniciará siempre que se reciba la entrada de salto de protección y la corriente de la fase correspondiente sea mayor que 0.05 In.

Como se puede ver en los informes del 7522, desde 775 ms cuando el dispositivo de protección PRS - 721S de la pantalla de protección del interruptor 7522 recibió la entrada de señal de salto trifásico del dispositivo de protección IRC - 931BM de la protección de la Línea Jingchuan II, hasta 925 ms cuando saltó el interruptor local debido a un fallo, y hasta 1025 ms cuando saltó el interruptor adyacente debido a un fallo, con un retraso de 0.15 s para el salto del interruptor local y 0.25 s para el salto del interruptor adyacente, respectivamente, lo cual está en línea con la lógica de operación de la protección contra fallos, y la protección operó correctamente, como se muestra en la Figura 3. En la forma de onda, se puede ver que aunque el contacto de posición de salto de la fase B del 7522 había regresado a 825 ms, todavía había corriente (arco) fluyendo entre los contactos móvil y fijo.

Conclusiones

• Debido a la distorsión severa de la corriente de falla, la forma de onda se desplazó hacia el lado inferior del eje de tiempo. El hecho de que la forma de onda no cruzara cero dentro del tiempo efectivo de extinción de arco del interruptor fue la razón principal de la no extinción del arco. La falta de recuperación del aislamiento de la brecha después de la apertura del interruptor y la disminución del rendimiento de extinción de arco del gas SF₆ fueron razones secundarias para la no extinción del arco.

• La no extinción del arco y la expulsión del gas residual de la cámara de extinción de arco, que llevó el arco, fueron las razones principales para el ennegrecimiento del varilla aislante y la pared exterior del condensador.

• Después de la apertura mecánica de la fase B, la resistencia de cierre se conectó al circuito. Dado que el arco entre las interrupciones de la fase B fluyó a través de la resistencia de cierre durante 317 ms, la capacidad térmica causó la ruptura de la conexión entre la resistencia de cierre y la interrupción auxiliar, lo que finalmente llevó a la fusión, descarga hacia el anillo de gradiente de la pared exterior, resultando en la ruptura del anillo de gradiente y el ennegrecimiento de la resistencia.

• La presencia de corriente de arco en la fase B y su cumplimiento con la lógica de operación de la protección contra fallos del interruptor fueron las razones principales para el salto de la barra.