Análise da Fallo dun Interruptor de Corrente de Gas Comprimido SF₆ de 750 kV de Tipo Tanque

Falha detectada
Información da falha e modo operativo antes da falha

Ao 17:53:50 do 16 de maio de 2016, os dispositivos de protección das dúas liñas de Jingchuan II actuaron sucesivamente. Selecciónase a fase B para o salto, abrindo a fase B dos interruptores 7522 e 7520. A protección do interruptor 7522 detectou unha falla permanente no dispositivo de protección de dúas liñas, cun retardo de 0,6s. Posteriormente, as fases ABC do interruptor 7522 saltaron.

Durante este proceso, a protección contra falhas da fase B do interruptor 7522 activou a protección diferencial da Barra II, e o interruptor 7512 foi aberto, resultando nun corto na corrente da Barra II de 750kV. O modo operativo do sistema antes da falha e as condicións de funcionamento das unidades están mostradas na Figura 1. A potencia activa da Unidade #1 era de 645MW, e a da Unidade #2 era de 602MW. As liñas Jingchuan I e II estaban en funcionamento normal. O modo de conmutación da subestación de elevación era 3/2, e a subestación de elevación estaba en modo de anel fechado.

Inspección da falha
Inspección visual no terreo

A inspección no terreo do interruptor 7522 mostrou que os indicadores mecánicos de apertura/cierre para as fases A/B/C indicaban a posición de apertura, que está na posición "0". A estrutura de funcionamento hidráulico estaba na posición de compresión da molla. Para o interruptor WB - 2C, as fases A/B/

Para a fase C, a inspección no terreo do panel de control mostrou que a luz vermella do indicador TWJ estaba encendida. A presión do gas SF₆ dos interruptores trifásicos 7522 era de 0,62MPa (presión relativa), e non se observaron anomalias evidentes no interruptor 7522.

Información da acción da protección

• Dispositivo de Protección IRCS - 931BM da Liña Jingchuan II: Ao 17:53:50:404 do 16 de maio de 2016, a protección diferencial de corrente da fase B actuou. A protección diferencial de corrente saltou as fases A, B e C a 767ms, e os contactos de posición de salto das fases A, B e C volvéron a 825ms.

• Dispositivo de Protección IICS - 103C da Liña Jingchuan II: Ao 17:53:50:454 do 16 de maio de 2016, a protección diferencial de corrente da fase B actuou, e a diferencia de fase saltou as fases ABC a 790ms.

• Pantalla de Protección do Interruptor 7522 PRS - 721S: O interruptor 7522 saltou na fase B. Produciuse a acción de salto posterior. Despois de 0,6s, executouse a acción de recolpe, e comunicouse a acción de triplo salto. Despois de 0,15s, produciuse o salto por falha do propio interruptor, e despois de 0,25s, produciuse o salto por falha dos interruptores adxacentes.

• Pantalla de Protección do Interruptor 7520 PRS - 721S: O interruptor 7520 saltou na fase B. Produciuse a acción de salto posterior, e executouse o salto trifásico posterior. Como o recolpe do interruptor 7520 teve un retardo de 0,9s (para recolpar coa liña defectuosa e reducir o impacto na unidade), o recolpe non funcionou.

• Pantalla de Protección do Interruptor 7512 PRS - 721S: O interruptor 7512 saltou nas tres fases, e o tempo de retorno dos contactos de posición de salto trifásico foi de 1143ms.

• Pantalla de Protección da Mãe da Barra II RCS - 915E: Ao 17:53:51:258 do 16 de maio de 2016, produciuse o salto por falha da barra-liña.
  

Ensaio e inspección do corpo do interruptor

Contactouse co Instituto de Investigación Eléctrica de Ningxia para analizar os componentes do gas SF₆ dos interruptores trifásicos 7522. Os componentes de sulfuro no gas SF₆ da fase B superaron gravemente o estándar. O contido de produtos de descomposición nesta cámara de gas era alto, indicando a presenza de descargas parciais de alta enerxía, que levou á descomposición de materiais de aislamento sólido, como se mostra na Táboa 1.

Despois de medir o circuito de interrupción da fase B, confirmouse que o circuito estaba aberto, indicando que o interruptor estaba en estado de apertura. O Instituto de Investigación Eléctrica de Ningxia realizou probas sobre o tempo de apertura e a resistencia do circuito das fases A e C do interruptor 7522, e os resultados das probas estaban de acordo coas normas.

Desmontaxe e inspección despois da falha

Para o interruptor 7522, o gas SF₆ dentro da fase B foi liberado, purgouse nitróxeno, e abriuse a porta do corpo do interruptor. Encontrouse pó (produtos de descomposición de arco) no interior. Despois da chegada dos técnicos da fábrica ABB, desmontouse o aislante, e atopáronse 2 electrodos rotos. Os electrodos rotos estaban conectados á parede exterior. O vástago de conexión e o contacto móvel mostraban marcas evidentes de ablación, e o mecanismo de operación do contacto móvel mostraba produtos de descomposición evidentes. O mecanismo de operación da estructura de operación de molla hidráulica do interruptor foi inspeccionado e funcionaba normalmente.

Análise da causa
Principio de extinción do arco

O momento óptimo para extinguir un arco AC é cando a corrente do arco pasa por cero cada semiciclo. Durante o período de cruce de corrente a través de cero, o arco sofre 2 procesos de recuperación:

• Proceso de recuperación da resistencia dieléctrica: Debido ao reforzamento do proceso de desionización, a resistencia dieléctrica entre os electrodos do arco recupera gradualmente.

• Proceso de recuperación da tensión do arco: A tensión da fonte volve a aplicarse aos contactos. A tensión do arco aumenta desde a tensión de extinción ata a tensión da fonte. Se o proceso de recuperación da resistencia dieléctrica é máis rápido que o proceso de recuperación da tensión do arco, e a amplitud do proceso de recuperación da tensión do arco é grande, o proceso de recuperación da tensión do arco será máis rápido que o proceso de recuperación da resistencia dieléctrica, provocando a ruptura do dielectrico entre os electrodos, e o arco reacende. Se o proceso de recuperación da tensión do arco comeza antes de que o proceso de recuperación da resistencia dieléctrica comece, o arco reacende.

Conclusión

Combinado coa forma de onda de rexistro de fallos do dispositivo de protección CSL103, despois de que a fase B do interruptor 7522 foi recolpada, a protección emitiu un comando de salto trifásico a 767 ms, e as tres fases do interruptor 7522 foron completamente abertas a 825 ms, cun tempo de acción de 58 ms. Durante o proceso de extinción do arco do interruptor de fase B, a forma de onda da corrente non cruzou cero, e o arco continuou proporcionando corrente de curto-circuíto no interior do interruptor.

Segundo a análise do rendemento de extinción do arco do gas SF₆: baixo a acción do arco, o gas SF₆ absorbe enerxía eléctrica e xera composto de flúor baixo. Pero, cando a corrente do arco cruza cero, os composto de flúor baixo poden recombinarse rapidamente en gas SF₆. A resistencia dieléctrica da brecha do arco recupera relativamente rápido. Como a corrente do arco non cruzou cero, o rendemento de extinción do arco do gas SF₆ diminuiu. Nese momento, só activando a protección contra falhas do interruptor pódense cortar a corrente de fallo co interruptor 7512 adxacente. O tempo dende que o contacto de posición de salto trifásico do interruptor 7522 voltou ata que o contacto de posición de salto trifásico do interruptor 7512 voltou foi de 317 ms en total, indicando que o arco de alta enerxía da fase B do interruptor 7522 ardeu durante 317 ms. Despois de que o interruptor 7512 abriu, o arco extinguiuse.

En conclusión, a protección da liña e a protección contra falhas do interruptor neste evento funcionaron normalmente, e o interruptor saltou normalmente. As accións do equipo primario e secundario foron todas correctas. Para a fase B do interruptor 7522, segundo a análise da composición do gas, había enerxía de alta intensidade na cámara de extinción do arco, suficiente para aumentar a presión do gas. Pero a corrente da fase B 7522 non cruzou cero, e o arco non se extinguiu. Pero a válvula da cámara de compresión inferior xa estaba aberta, e o gas sobrante foi liberado polo lado inferior, que podería levar o arco e queimarse o aislante do contacto móvel e o capacitor de deriva.

Análise das causas do derretimento da resistencia de pechado do interruptor e a ruptura da cuberta de blindaxe uniforme no lado exterior da resistencia

A operación do interruptor é a causa da maioría das sobretensiones de conmutación. Instalar unha resistencia de pechado pode limitar eficazmente as sobretensiones durante o pechado da liña e o recolpe monofásico. O interruptor de sopro de gas SF₆ 550/800PMSF₆ fabricado pola compañía ABB utilizado na nosa empresa ten unha resistencia de pechado composta por placas de resistencia de carburo de silicio empilhadas. Segundo o manual do fabricante, a capacidade térmica da resistencia de pechado é a seguinte: cando se pecha 4 veces a 1,3 veces a tensión nominal de fase, o intervalo de tempo entre as dúas primeiras veces é de 3 minutos, e o intervalo de tempo entre as dúas últimas veces é de 3 minutos; o intervalo de tempo entre os dous grupos de probas (frente e trás) non debe exceder 30 minutos.

O interruptor ten unha estrutura de interrupción en serie, que consta de 3 interrupciones principais, 1 interrupción auxiliar e unha resistencia de pechado combinada, como se mostra na Figura 2. A característica principal da interrupción en serie é que durante a operación de pechado do interruptor, a interrupción auxiliar pecha despois da principal na cámara de extinción do arco, e durante a operación de apertura, a interrupción auxiliar tamén separase despois da principal na cámara de extinción do arco.

É dicir, a secuencia de acción da interrupción auxiliar é pechar despois e abrir despois. O seu principio de funcionamento é o seguinte: durante o pechado, a interrupción principal pecha primeiro, formando un circuito de conducción de corrente en serie coa resistencia, e a resistencia de pechado está conectada. Despois de aproximadamente 8-11 ms (segundo o manual do fabricante), forma un circuito de conducción de corrente a través do contacto de pechado da interrupción auxiliar, curto-circuitando a resistencia de pechado; durante a apertura, a interrupción principal separe primeiro, abrindo o circuito de corrente principal, e despois a interrupción auxiliar separe.

Por tanto, a interrupción auxiliar transporta a corrente nominal e a corrente de curto-circuíto durante a apertura. Despois do apertura mecánica da fase B, a resistencia de pechado está conectada ao circuito. Como o arco entre as interrupcións da fase B durou 317 ms a través da resistencia de pechado, e a corrente do arco era aproximadamente 1620 A, segundo o cálculo, a capacidade térmica suportada pola resistencia de pechado foi maior que a capacidade nominal. Isto levou a unha capacidade térmica superior ao límite na conexión entre a resistencia de pechado e a interrupción auxiliar, eventualmente causando fusión, descargando ao anel de gradación da parede exterior, resultando na ruptura do anel de gradación e no escurecemento da resistencia.

Análise das causas da activación da protección contra falhas do interruptor

Na protección contra falhas do interruptor, cando o elemento de corrente se activa e cumple os criterios de protección contra falhas, a protección contra falhas se iniciará sempre que se reciba a entrada de salto de protección e a corrente correspondiente da fase sexa maior que 0,05 In.

Como se pode ver nos informes do 7522, dende 775 ms cando o dispositivo de protección PRS - 721S do painel de protección do interruptor 7522 recibiu a entrada de sinal de salto trifásico do dispositivo de protección IRC - 931BM da protección da liña Jingchuan II, a 925 ms cando saltou o interruptor local debido a unha falha, e a 1025 ms cando saltou o interruptor adxacente debido a unha falha, cun retardo de 0,15 s para saltar o interruptor local e 0,25 s para saltar o interruptor adxacente, respectivamente, que está de acordo coa lóxica de operación da protección contra falhas, e a protección funcionou correctamente, como se mostra na Figura 3. No oscilograma, pódese ver que, aínda que o contacto de posición de salto da fase B 7522 volviuse a 825 ms, aínda había corrente (arco) fluindo entre os contactos móvel e fixo.

Conclusións

• Debido á distorsión grave da corrente de fallo, a forma de onda desprazouse cara ao lado inferior do eixe temporal. O feito de que a forma de onda non cruzase cero dentro do tempo efectivo de extinción do arco do interruptor foi a razón principal da non-extinción do arco. A incapacidade de recuperación do aislamento da brecha despois de que o interruptor abriu e a diminución do rendemento de extinción do arco do gas SF₆ foron razóns secundarias da non-extinción do arco.

• A non-extinción do arco e a expulsión do gas remanente da cámara de extinción do arco, que levou o arco, foron as razóns principais do escurecemento do aislante do vástago e da parede exterior do condensador.

• Despois da apertura mecánica da fase B, a resistencia de pechado estaba conectada ao circuito. Como o arco entre as interrupcións da fase B fluíu a través da resistencia de pechado durante 317 ms, a capacidade térmica provocou a ruptura da conexión entre a resistencia de pechado e a interrupción auxiliar, eventualmente levando a fusión, descargando ao anel de gradación da parede exterior, resultando na ruptura do anel de gradación e no escurecemento da resistencia.

• A presenza de corrente de arco na fase B e a súa conformidade coa lóxica de operación da protección contra falhas do interruptor foron as razóns principais do salto da barra.