تحلیل خرابی یک برش‌کننده گاز فشرده نوع SF₆ ظرفیت ۷۵۰ کیلوولت

پدیده شکست
اطلاعات شکست و حالت عملیاتی قبل از شکست

در تاریخ ۱۶ مه ۲۰۱۶، ساعت ۱۷:۵۳:۵۰، دستگاه‌های محافظ دو سطح خط جینچوان II به ترتیب عمل کردند. فاز B برای قطع انتخاب شد و فاز B شیرهای ۷۵۲۲ و ۷۵۲۰ باز شد. محافظ شیر ۷۵۲۲ یک خرابی دائمی در دستگاه محافظ دو خطی را با تأخیر ۰/۶ ثانیه تشخیص داد. پس از آن، فازهای ABC شیر ۷۵۲۲ قطع شد.

در طول این فرآیند، محافظ شکست فاز B شیر ۷۵۲۲ محافظ تفاضلی بوس II را فعال کرد و شیر ۷۵۱۲ باز شد، که منجر به قطع برق بوس ۷۵۰kV II شد. حالت عملیاتی سیستم قبل از شکست و شرایط عملیاتی واحد در شکل ۱ نشان داده شده است. توان فعال واحد #۱ ۶۴۵MW و واحد #۲ ۶۰۲MW بود. خطوط جینچوان I و II به طور عادی عمل می‌کردند. حالت سیم‌پیچی زیراستانیون ۳/۲ بود و زیراستانیون در حالت حلقه‌بسته عمل می‌کرد.

وضعیت بررسی خرابی
بررسی بصری محلی

بررسی محلی شیر ۷۵۲۲ نشان داد که نشانگرهای مکانیکی باز/بسته فازهای A/B/C در موقعیت باز (موقعیت "۰") بودند. ساختار عملیاتی هیدرولیک در موقعیت فشار انباشتگی بود. برای شیر WB-2C، فازهای A/B/

برای فاز C، بررسی محلی صفحه کنترل عملیات نشان داد که چراغ قرمز نشانگر TWJ روشن بود. فشار گاز SF₆ فازهای A/B/C شیرها ۰/۶۲MPa (فشار نسبی) بود و هیچ ناهماهنگی واضحی در شیر ۷۵۲۲ وجود نداشت.

اطلاعات عملیات محافظ

• دستگاه محافظ خط جینچوان II IRCS-931BM: در تاریخ ۱۶ مه ۲۰۱۶، ساعت ۱۷:۵۳:۵۰:۴۰۴، محافظ تفاضلی جریان فاز B عمل کرد. محافظ تفاضلی جریان فازهای A، B و C را در ۷۶۷ms قطع کرد و تماس‌های موقعیت قطع فازهای A، B و C در ۸۲۵ms بازگشتند.

• دستگاه محافظ خط جینچوان II IICS-103C: در تاریخ ۱۶ مه ۲۰۱۶، ساعت ۱۷:۵۳:۵۰:۴۵۴، محافظ تفاضلی جریان فاز B عمل کرد و محافظ تفاضلی فازهای ABC را در ۷۹۰ms قطع کرد.

• صفحه محافظ شیر ۷۵۲۲ PRS-721S: شیر ۷۵۲۲ در فاز B قطع شد. عملیات قطع پیگیری انجام شد. پس از ۰/۶s، عملیات بازبسته انجام شد و عملیات قطع سه‌فاز ابلاغ شد. پس از ۰/۱۵s، شکست محلی شیر اتفاق افتاد و پس از ۰/۲۵s، شکست شیرهای مجاور اتفاق افتاد.

• صفحه محافظ شیر ۷۵۲۰ PRS-721S: شیر ۷۵۲۰ در فاز B قطع شد. عملیات قطع پیگیری انجام شد و قطع سه‌فاز پیگیری انجام شد. از آنجا که بازبسته شیر ۷۵۲۰ دارای تأخیر ۰/۹s (برای بازبسته با خط خراب و کاهش تأثیر بر واحد) بود، بازبسته عمل نکرد.

• صفحه محافظ شیر ۷۵۱۲ PRS-721S: شیر ۷۵۱۲ در سه فاز قطع شد و زمان بازگشت تماس‌های موقعیت قطع سه‌فاز ۱۱۴۳ms بود.

• صفحه محافظ مادر بوس II RCS-915E: در تاریخ ۱۶ مه ۲۰۱۶، ساعت ۱۷:۵۳:۵۱:۲۵۸، شکست بوس-خط اتفاق افتاد.
  

آزمایش و بررسی بدنه شیر

با مراجعه به مؤسسه تحقیقات برق نینگشیا برای تجزیه و تحلیل مولفه‌های گاز SF₆ شیرهای سه‌فاز ۷۵۲۲، مشخص شد که مولفه‌های سولفیدی در گاز SF₆ فاز B به طور جدی از استاندارد بیرون رفته بود. محتوای محصولات تجزیه در این حیطه گاز بالا بود، که نشان‌دهنده وجود دیسچارژ محلی با انرژی بالا بود که منجر به تجزیه مواد عایقی جامد شد، همانطور که در جدول ۱ نشان داده شده است.

بعد از اندازه‌گیری حلقه قطع‌مدار فاز B، تأیید شد که حلقه باز بود، که نشان می‌دهد شیر در حالت باز بود. مؤسسه تحقیقات برق نینگشیا آزمایش‌های زمان باز و مقاومت مدار فازهای A و C شیر ۷۵۲۲ را انجام داد و نتایج آزمایش‌ها با استاندارد‌ها مطابقت داشت.

تجزیه و بررسی پس از خرابی

برای شیر ۷۵۲۲، گاز SF₆ داخل فاز B خارج شد، نیتروژن ریخته شد و درب بدنه شیر باز شد. غبار (محصولات تجزیه دیسچارژ) در داخل پیدا شد. بعد از رسیدن فن‌آوران کارخانه ABB، عایق تجزیه شد و ۲ الکترود شکسته پیدا شد. الکترودهای شکسته به دیواره بیرونی متصل بودند. میله‌ی اتصال و تماس متحرک نشانه‌های واضح آبله داشتند و مکانیسم عملیاتی تماس متحرک محصولات تجزیه آبکی مشهود بود. مکانیسم عملیاتی ساختار عملیاتی هیدرولیک-فنری شیر بررسی شد و مشخص شد که به طور عادی عمل می‌کرد.

تحلیل علل
اصل خاموشی قوس

بهترین زمان برای خاموشی یک قوس AC زمانی است که جریان قوس از صفر عبور می‌کند هر نیم دوره. در طول دوره عبور از صفر، قوس دو فرآیند بازیابی را می‌گذراند:

• فرآیند بازیابی مقاومت عایقی: به دلیل تقویت فرآیند دی-یونیزاسیون، مقاومت عایقی بین الکترودهای قوس به تدریج بازیابی می‌کند.

• فرآیند بازیابی ولتاژ قوس: ولتاژ منبع دوباره به تماس‌ها اعمال می‌شود. ولتاژ قوس از ولتاژ خاموشی قوس به ولتاژ منبع بالا می‌رود. اگر فرآیند بازیابی مقاومت عایقی سریع‌تر از فرآیند بازیابی ولتاژ قوس باشد و دامنه فرآیند بازیابی ولتاژ قوس بزرگ باشد، فرآیند بازیابی ولتاژ قوس سریع‌تر از فرآیند بازیابی مقاومت عایقی خواهد بود، که منجر به شکست عایق بین الکترودها و بازسوز قوس می‌شود. اگر فرآیند بازیابی ولتاژ قوس قبل از شروع فرآیند بازیابی مقاومت عایقی شروع شود، قوس بازسوز خواهد شد.

نتیجه‌گیری

با توجه به شکل موج ضبط شده توسط دستگاه محافظ CSL103، بعد از بازبسته شدن فاز B شیر ۷۵۲۲، محافظ در ۷۶۷ ms دستور قطع سه‌فاز را صادر کرد و سه فاز شیر ۷۵۲۲ در ۸۲۵ ms کاملاً باز شدند، با زمان عمل ۵۸ ms. در طول فرآیند خاموشی قوس شیر فاز B، شکل موج جریان از صفر عبور نکرد و قوس به طور مداوم جریان کوتاه‌مدار را در داخل شیر تأمین کرد.

بر اساس تحلیل عملکرد خاموشی گاز SF₆: تحت تأثیر قوس، گاز SF₆ انرژی الکتریکی را جذب می‌کند و ترکیبات پایین‌فلورینی تولید می‌کند. اما وقتی جریان قوس از صفر عبور می‌کند، ترکیبات پایین‌فلورینی به سرعت به گاز SF₆ بازترکیب می‌شوند. مقاومت عایقی شکاف قوس به سرعت بازیابی می‌کند. از آنجا که جریان قوس از صفر عبور نکرد، عملکرد خاموشی گاز SF₆ کاهش یافت. در این زمان، فقط با فعال کردن محافظ شکست شیر می‌توان شیر مجاور ۷۵۱۲ را برای قطع جریان خرابی فعال کرد. زمان از بازگشت تماس‌های موقعیت قطع سه‌فاز شیر ۷۵۲۲ تا بازگشت تماس‌های موقعیت قطع سه‌فاز شیر ۷۵۱۲ در مجموع ۳۱۷ ms بود، که نشان می‌دهد قوس با انرژی بالا فاز B شیر ۷۵۲۲ برای ۳۱۷ ms سوخت. بعد از باز شدن شیر ۷۵۱۲، قوس خاموش شد.

در نتیجه، محافظ خط و محافظ شکست شیر در این رویداد به طور عادی عمل کردند و شیر به طور عادی قطع شد. عملکرد تجهیزات اولیه و ثانویه همه صحیح بود. برای فاز B شیر ۷۵۲۲، با توجه به تجزیه و تحلیل ترکیبات گاز، انرژی با شدت بالا در حیطه خاموشی قوس وجود داشت که کافی بود فشار گاز را افزایش دهد. اما جریان فاز B شیر ۷۵۲۲ از صفر عبور نکرد و قوس خاموش نشد. اما شیر پایین حیطه فشرده شده باز شده بود و گاز اضافه از قسمت پایین خارج شد که ممکن است قوس را خارج کرده و عایق میله تماس متحرک و خازن شکاف را سوخت.

تحلیل علل سوختن مقاومت بسته شیر و شکست پوشش یکنواخت بیرونی مقاومت

عملکرد شیر عامل بیشترین ولتاژهای سوئیچینگ است. نصب مقاومت بسته می‌تواند به طور موثر ولتاژهای سوئیچینگ خط و بازبسته یک‌فاز را محدود کند. شیر گازی ۵۵۰/۸۰۰PMSF₆ تولید شده توسط شرکت ABB که در شرکت ما استفاده می‌شود، شامل مقاومت بسته‌ای از صفحات مقاومت کربید سیلیکوم پیل‌شده است. بر اساس دستورالعمل سازنده، ظرفیت حرارتی مقاومت بسته به شرح زیر است: وقتی چهار بار در ۱/۳ برابر ولتاژ فاز اسمی بسته شود، فاصله زمانی بین دو بار اول ۳ دقیقه و فاصله زمانی بین دو بار آخر ۳ دقیقه است؛ فاصله زمانی بین دو گروه آزمون (قبل و بعد) بیش از ۳۰ دقیقه نمی‌شود.

شیر دارای ساختار شکاف سری‌اندیس است که شامل ۳ شکاف اصلی، ۱ شکاف کمکی و یک مقاومت بسته ترکیبی است، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. ویژگی اصلی ساختار شکاف سری‌اندیس این است که در طول عملیات بسته شیر، شکاف کمکی پس از شکاف اصلی در حیطه خاموشی قوس بسته می‌شود و در طول عملیات باز شیر، شکاف کمکی نیز پس از شکاف اصلی در حیطه خاموشی قوس باز می‌شود.

یعنی ترتیب عملیات شکاف کمکی بسته شدن بعدی و باز شدن بعدی است. اصل کار آن به شرح زیر است: در زمان بسته شدن، شکاف اصلی ابتدا بسته می‌شود و حلقه جریانی در سری با مقاومت ایجاد می‌کند و مقاومت بسته متصل می‌شود. پس از حدود ۸-۱۱ ms (بر اساس دستورالعمل سازنده)، حلقه جریانی از طریق تماس بسته شیر کمکی ایجاد می‌شود و مقاومت بسته کوتاه می‌شود؛ در زمان باز شدن، شکاف اصلی ابتدا جدا می‌شود، حلقه جریان اصلی باز می‌شود و سپس شکاف کمکی جدا می‌شود.

بنابراین، شکاف کمکی جریان اسمی و جریان کوتاه مدار را در زمان باز شدن تحمل می‌کند. بعد از باز شدن مکانیکی فاز B، مقاومت بسته به مدار متصل شد. از آنجا که قوس بین شکاف‌های فاز B از طریق مقاومت بسته برای ۳۱۷ ms جریان داشت و جریان قوس حدود ۱۶۲۰ A بود، بر اساس محاسبات، ظرفیت حرارتی که توسط مقاومت بسته تحمل شد بیش از ظرفیت اسمی آن بود. این منجر به گذشتن ظرفیت حرارتی حلقه اتصال بین مقاومت بسته و شکاف کمکی شد، در نهایت منجر به ذوب، تخلیه به حلقه تقسیم‌بندی بیرونی، شکست حلقه تقسیم‌بندی و تاریک شدن مقاومت شد.

تحلیل علل عملکرد محافظ شکست شیر

در محافظ شکست شیر، وقتی عنصر جریان فعال شده و معیار محافظ شکست را برآورده کند، محافظ شکست هر زمان که ورودی قطع محافظ دریافت شود و جریان فاز مربوطه بیش از ۰/۰۵ In باشد، فعال خواهد شد.

همانطور که از گزارش‌های ۷۵۲۲ مشخص است، از ۷۷۵ ms که دستگاه محافظ PRS-721S صفحه محافظ شیر ۷۵۲۲ ورودی سیگنال قطع سه‌فاز از دستگاه محافظ IRC-931BM محافظ خط جینچوان II دریافت کرد، تا ۹۲۵ ms که شیر محلی را به دلیل شکست قطع کرد و تا ۱۰۲۵ ms که شیر مجاور را به دلیل شکست قطع کرد، با تأخیر ۰/۱۵ s برای قطع شیر محلی و ۰/۲۵ s برای قطع شیر مجاور، که با منطق عمل محافظ شکست مطابقت دارد و محافظ به درستی عمل کرد، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است. در شکل موج، مشاهده می‌شود که اگرچه تماس موقعیت قطع فاز B شیر ۷۵۲۲ در ۸۲۵ ms بازگشت، هنوز جریان (قوس) بین تماس‌های متحرک و ثابت وجود داشت.

نتیجه‌گیری‌ها

• به دلیل تحریف شدید جریان خرابی، شکل موج به سمت پایین محور زمان جابجا شد. عدم عبور شکل موج از صفر در طول زمان خاموشی موثر شیر، علت اصلی عدم خاموشی قوس بود. عدم بازیابی عایق شکاف پس از باز شدن شیر و کاهش عملکرد خاموشی گاز SF₆ علل ثانویه عدم خاموشی قوس بودند.

• عدم خاموشی قوس و خارج شدن گاز باقی‌مانده از حیطه خاموشی قوس که قوس را خارج کرد، علل اصلی تاریک شدن میله عایقی و دیواره بیرونی خازن بودند.

• پس از باز شدن مکانیکی فاز B، مقاومت بسته به مدار متصل شد. از آنجا که قوس بین شکاف‌های فاز B از طریق مقاومت بسته برای ۳۱۷ ms جریان داشت، ظرفیت حرارتی منجر به شکست حلقه اتصال بین مقاومت بسته و شکاف کمکی شد، در نهایت منجر به ذوب، تخلیه به حلقه تقسیم‌بندی بیرونی، شکست حلقه تقسیم‌بندی و تاریک شدن مقاومت شد.

• وجود جریان قوس در فاز B و تطابق آن با منطق عمل محافظ شکست شیر، علل اصلی قطع بوس بودند.