Analyse de la défaillance d'un disjoncteur à gaz comprimé SF₆ de type cuve 750 kV

Phénomène de défaillance
Informations sur la défaillance et mode opératoire avant la défaillance

Le 16 mai 2016 à 17h53m50s, les dispositifs de protection des deux ensembles de la ligne Jingchuan II ont fonctionné successivement. La phase B a été sélectionnée pour le déclenchement, et les disjoncteurs 7522 et 7520 de la phase B ont été ouverts. Le dispositif de protection du disjoncteur 7522 a détecté une défaillance permanente sur le dispositif de protection de la ligne double, avec un délai de 0,6s. Par la suite, les trois phases ABC du disjoncteur 7522 se sont déclenchées.

Au cours de ce processus, la protection de défaillance de la phase B du disjoncteur 7522 a activé la protection différentielle de la barre II, et le disjoncteur 7512 s'est ouvert, entraînant une coupure de courant de la barre II de 750kV. Le mode opératoire du système avant la défaillance et les conditions d'exploitation des unités sont illustrés à la Figure 1. La puissance active de l'unité n°1 était de 645MW, et celle de l'unité n°2 de 602MW. Les lignes Jingchuan I et II fonctionnaient normalement. Le mode de câblage de la sous-station d'élévation de tension était un câblage 3/2, et la sous-station d'élévation de tension fonctionnait en boucle fermée.

Situation de l'inspection de la défaillance
Inspection visuelle sur site

Une inspection sur site du disjoncteur 7522 a montré que les indicateurs mécaniques d'ouverture/fermeture pour les phases A/B/C indiquaient la position ouverte, qui était à la position "0". La structure d'exploitation hydraulique était dans la position de compression du ressort. Pour le disjoncteur WB - 2C, les phases A/B/

Pour la phase C, l'inspection sur site du panneau de l'armoire de commande a montré que la lumière rouge de l'indicateur TWJ était allumée. La pression de gaz SF₆ des disjoncteurs triphasés A/B/C était de 0,62MPa (pression relative), et il n'y avait pas d'anomalies évidentes sur le disjoncteur 7522.

Informations sur l'action de protection

• Dispositif de protection IRCS - 931BM de la ligne Jingchuan II : Le 16 mai 2016 à 17h53m50s404, la protection différentielle de courant de la phase B a fonctionné. La protection différentielle de courant a déclenché les phases A, B et C à 767ms, et les contacts de position de déclenchement des phases A, B et C sont revenus à 825ms.

• Dispositif de protection IICS - 103C de la ligne Jingchuan II : Le 16 mai 2016 à 17h53m50s454, la protection différentielle de courant de la phase B a fonctionné, et la protection différentielle de phase a déclenché les phases ABC à 790ms.

• Dispositif de protection PRS - 721S du disjoncteur 7522 : Le disjoncteur 7522 s'est déclenché en phase B. Une action de déclenchement suivi s'est produite. Après 0,6s, l'action de reclosing a été exécutée, et l'action de triple déclenchement a été communiquée. Après 0,15s, le déclenchement de défaillance du disjoncteur lui-même s'est produit, et après 0,25s, le déclenchement de défaillance des disjoncteurs adjacents s'est produit.

• Dispositif de protection PRS - 721S du disjoncteur 7520 : Le disjoncteur 7520 s'est déclenché en phase B. Une action de déclenchement suivi s'est produite, et un déclenchement suivi triphasé a été exécuté. Comme le reclosing du disjoncteur 7520 avait un délai de 0,9s (pour recloser avec la ligne défectueuse et réduire l'impact sur l'unité), le reclosing n'a pas fonctionné.

• Dispositif de protection PRS - 721S du disjoncteur 7512 : Le disjoncteur 7512 s'est déclenché en trois phases, et le temps de retour des contacts de position de déclenchement triphasé était de 1143ms.

• Dispositif de protection RCS - 915E de la barre mère II : Le 16 mai 2016 à 17h53m51s258, le déclenchement de défaillance de la barre-ligne s'est produit.
  

Essais et inspections du corps du disjoncteur

L'Institut de Recherche Électrique de Ningxia a été contacté pour analyser les composants de gaz SF₆ des disjoncteurs triphasés 7522. Les composants de sulfures dans le gaz SF₆ de la phase B dépassaient sérieusement la norme. La teneur en produits de décomposition dans cette chambre de gaz était élevée, indiquant la présence d'une décharge partielle à haute énergie, ce qui a conduit à la décomposition des matériaux d'isolation solides, comme illustré dans le Tableau 1.

Après avoir mesuré la boucle de circuit de rupture de la phase B du disjoncteur, il a été confirmé que la boucle était ouverte, indiquant que le disjoncteur était en état de circuit ouvert. L'Institut de Recherche Électrique de Ningxia a effectué des tests sur le temps d'ouverture et la résistance de circuit des phases A et C du disjoncteur 7522, et les résultats des tests étaient conformes aux normes.

Démontage et inspection après la défaillance

Pour le disjoncteur 7522, le gaz SF₆ à l'intérieur de la phase B a été évacué, l'azote a été purgé, et la porte du corps du disjoncteur a été ouverte. De la poussière (produits de décomposition par ablation d'arc) a été trouvée à l'intérieur. Après l'arrivée des techniciens de l'usine ABB, l'isolateur a été démonté, et 2 électrodes cassées ont été trouvées. Les électrodes cassées étaient connectées à la paroi extérieure. La tige de connexion et le contact mobile présentaient des marques d'ablation évidentes, et le mécanisme d'opération du contact mobile présentait des produits de décomposition évidents par fusion. Le mécanisme d'opération de la structure d'exploitation hydraulique à ressort du disjoncteur a été inspecté et a été trouvé en bon état de fonctionnement.

Analyse des causes
Principe d'extinction de l'arc

Le moment optimal pour éteindre un arc alternatif est lorsque le courant d'arc passe par zéro chaque demi-cycle. Pendant la période de passage par zéro, l'arc subit 2 processus de récupération :

• Processus de récupération de la résistance diélectrique : En raison de l'amélioration du processus de désionisation, la résistance diélectrique entre les électrodes de l'arc se rétablit progressivement.

• Processus de récupération de la tension d'arc : La tension d'alimentation est réappliquée aux contacts. La tension d'arc augmente de la tension d'extinction à la tension d'alimentation. Si le processus de récupération de la résistance diélectrique est plus rapide que le processus de récupération de la tension d'arc, et si l'amplitude du processus de récupération de la tension d'arc est grande, le processus de récupération de la tension d'arc sera plus rapide que le processus de récupération de la résistance diélectrique, conduisant à la rupture de la résistance diélectrique entre les électrodes, et l'arc se rallume. Si le processus de récupération de la tension d'arc commence avant que le processus de récupération de la résistance diélectrique ne commence, l'arc se rallume.

Conclusion

En combinant la forme d'onde d'enregistrement de défaut du dispositif de protection CSL103, après que la phase B du disjoncteur 7522 ait été reclose, la protection a émis un ordre de déclenchement triphasé à 767 ms, et les trois phases du disjoncteur 7522 ont été entièrement ouvertes à 825 ms, avec un temps de réponse de 58 ms. Pendant le processus d'extinction de l'arc du disjoncteur de la phase B, la forme d'onde du courant n'a pas traversé zéro, et l'arc a continué à fournir un courant de court-circuit à l'intérieur du disjoncteur.

Selon l'analyse des performances d'extinction de l'arc du gaz SF₆ : sous l'action de l'arc, le gaz SF₆ absorbe de l'énergie électrique et génère des composés de fluor bas. Cependant, lorsque le courant d'arc traverse zéro, ces composés de fluor bas peuvent rapidement se recombiner en gaz SF₆. La résistance diélectrique de l'intervalle d'arc se rétablit relativement rapidement. Comme le courant d'arc n'a pas traversé zéro, les performances d'extinction de l'arc du gaz SF₆ ont diminué. À ce moment-là, seule l'activation de la protection de défaillance du disjoncteur aurait permis au disjoncteur adjacent 7512 de couper le courant de défaut. Le temps entre le retour des contacts de position de déclenchement triphasé du disjoncteur 7522 et le retour des contacts de position de déclenchement triphasé du disjoncteur 7512 était de 317 ms au total, indiquant que l'arc à haute énergie de la phase B du disjoncteur a brûlé pendant 317 ms. Après l'ouverture du disjoncteur 7512, l'arc a été éteint.

En conclusion, la protection de ligne et la protection de défaillance du disjoncteur dans cet incident ont toutes deux fonctionné normalement, et le disjoncteur s'est déclenché normalement. Les actions des équipements primaires et secondaires étaient toutes correctes. Pour la phase B du disjoncteur 7522, d'après l'analyse de la composition du gaz, il y avait une énergie intense dans la chambre d'extinction d'arc, suffisante pour augmenter la pression du gaz. Cependant, le courant de la phase B du 7522 n'a pas traversé zéro, et l'arc n'a pas été éteint. Mais la vanne de la chambre de compression inférieure avait été ouverte, et le gaz excédentaire avait été évacué par la partie inférieure, ce qui aurait pu emporter l'arc et brûler la tige d'isolation du contact mobile et le condensateur shunt.

Analyse des causes de la combustion de la résistance de fermeture du disjoncteur et de la rupture de la couverture de blindage uniforme sur l'extérieur de la résistance

Le fonctionnement du disjoncteur est la cause de la plupart des surtensions de commutation. L'installation d'une résistance de fermeture peut limiter efficacement les surtensions lors de la fermeture de la ligne et de la reclosure monophasée. Le disjoncteur à souffle de gaz SF₆ 550/800PMSF₆ fabriqué par ABB utilisé dans notre entreprise comporte une résistance de fermeture constituée de plaques de résistance en carbure de silicium empilées. Selon le manuel du fabricant, la capacité thermique de la résistance de fermeture est la suivante : lors de 4 fermetures à 1,3 fois la tension nominale de phase, l'intervalle de temps entre les deux premières fermetures est de 3 minutes, et l'intervalle de temps entre les deux dernières fermetures est de 3 minutes ; l'intervalle de temps entre les deux groupes de tests (avant et après) ne dépasse pas 30 minutes.

Le disjoncteur a une structure de rupture en série, qui comprend 3 ruptures principales, 1 rupture auxiliaire et une résistance de fermeture combinée, comme illustré à la Figure 2. La caractéristique principale de la structure de rupture en série est que, lors de l'opération de fermeture du disjoncteur, la rupture auxiliaire se ferme après la rupture principale dans la chambre d'extinction d'arc, et lors de l'opération d'ouverture, la rupture auxiliaire se sépare également après la rupture principale dans la chambre d'extinction d'arc.

C'est-à-dire que la séquence d'action de la rupture auxiliaire est la fermeture tardive et l'ouverture tardive. Son principe de fonctionnement est le suivant : lors de la fermeture, la rupture principale se ferme en premier, formant une boucle de conduction de courant en série avec la résistance, et la résistance de fermeture est connectée. Après environ 8 à 11 ms (selon le manuel du fabricant), une boucle de conduction de courant est formée à travers le contact de fermeture de la rupture auxiliaire, court-circuitant la résistance de fermeture ; lors de l'ouverture, la rupture principale se désengage en premier, ouvrant la boucle de courant principale, puis la rupture auxiliaire se sépare.

Par conséquent, la rupture auxiliaire transporte le courant nominal et le courant de court-circuit lors de l'ouverture. Après l'ouverture mécanique de la phase B, la résistance de fermeture a été connectée au circuit. Comme l'arc entre les ruptures de la phase B a duré 317 ms à travers la résistance de fermeture, et que le courant d'arc était d'environ 1620 A, selon le calcul, la capacité thermique supportée par la résistance de fermeture était supérieure à sa capacité nominale. Cela a conduit à une capacité thermique excessive de l'anneau de connexion entre la résistance de fermeture et la rupture auxiliaire, aboutissant finalement à une fusion, à une décharge vers le ring de gradation de la paroi extérieure, provoquant la rupture du ring de gradation et le noircissement de la résistance.

Analyse des causes de l'activation de la protection de défaillance du disjoncteur

Dans la protection de défaillance du disjoncteur, lorsque l'élément de courant est activé et répond aux critères de protection de défaillance, la protection de défaillance sera initiée dès que l'entrée de déclenchement de protection est reçue et que le courant de la phase correspondante est supérieur à 0,05 In.

Comme on peut le voir dans les rapports du 7522, de 775 ms, lorsque le dispositif de protection PRS - 721S du panneau de protection du disjoncteur 7522 a reçu l'entrée de signal de déclenchement triphasé du dispositif de protection IRC - 931BM de la protection de la ligne Jingchuan II, jusqu'à 925 ms, où il a déclenché le disjoncteur local en raison de la défaillance, et jusqu'à 1025 ms, où il a déclenché le disjoncteur adjacent en raison de la défaillance, avec un délai de 0,15 s pour déclencher le disjoncteur local et 0,25 s pour déclencher le disjoncteur adjacent, respectivement, ce qui est conforme à la logique de fonctionnement de la protection de défaillance, et la protection a fonctionné correctement, comme illustré à la Figure 3. Dans l'oscillogramme, on peut voir que bien que le contact de position de déclenchement de la phase B du 7522 soit revenu à 825 ms, il y avait encore un courant (arc) qui circulait entre les contacts mobile et fixe.

Conclusions

• En raison de la distorsion grave du courant de défaut, la forme d'onde s'est décalée vers le côté inférieur de l'axe temporel. Le fait que la forme d'onde n'ait pas traversé zéro dans le temps d'extinction d'arc effectif du disjoncteur était la principale raison de la non-extinction de l'arc. L'échec de la récupération de l'isolation de l'intervalle après l'ouverture du disjoncteur et la baisse des performances d'extinction d'arc du gaz SF₆ étaient des raisons secondaires de la non-extinction de l'arc.

• La non-extinction de l'arc et l'expulsion du gaz restant de la chambre d'extinction d'arc, qui a emporté l'arc, étaient les principales raisons du noircissement de la tige d'isolation et de la paroi extérieure du condensateur.

• Après l'ouverture mécanique de la phase B, la résistance de fermeture a été connectée au circuit. Comme l'arc entre les ruptures de la phase B a circulé à travers la résistance de fermeture pendant 317 ms, la capacité thermique a causé la rupture de la connexion entre la résistance de fermeture et la rupture auxiliaire, aboutissant finalement à une fusion, à une décharge vers le ring de gradation de la paroi extérieure, provoquant la rupture du ring de gradation et le noircissement de la résistance.

• La présence de courant d'arc dans la phase B et sa conformité à la logique de fonctionnement de la protection de défaillance du disjoncteur étaient les principales raisons du déclenchement de la barre.