Analisi del Guasto di un Interruttore Compresso a Gas SF₆ da 750 kV a Serbatoio

Fenomeno di guasto
Informazioni sul guasto e modalità operativa prima del guasto

Alle 17:53:50 del 16 maggio 2016, i dispositivi di protezione di due set della Linea Jingchuan II si sono attivati successivamente. È stata selezionata la fase B per il trip, e le fasi B dei circuit breakers 7522 e 7520 sono state aperte. La protezione del circuit breaker 7522 ha rilevato un guasto permanente sul dispositivo di protezione a doppia linea, con un ritardo di 0,6s. Successivamente, le fasi ABC del circuit breaker 7522 hanno eseguito il trip.

Durante questo processo, la protezione di guasto della fase B del circuit breaker 7522 ha attivato la protezione differenziale della Bus II, e il circuit breaker 7512 è stato aperto, causando un'interruzione di corrente sulla Bus 750kV II. La modalità operativa del sistema prima del guasto e le condizioni operative delle unità sono mostrate nella Figura 1. La potenza attiva dell'Unità #1 era di 645MW, e quella dell'Unità #2 era di 602MW. Le linee Jingchuan I e II erano in funzione normale. Il modo di cablatura della sottostazione elevatrice era 3/2, e la sottostazione elevatrice stava operando in modalità a chiusura di anello.

Situazione ispezione guasto
Ispettiva visiva sul posto

Un'ispezione sul posto del circuit breaker 7522 ha mostrato che gli indicatori meccanici di apertura/chiusura per le fasi A/B/C indicavano la posizione aperta, che era alla posizione "0". La struttura di comando idraulica era nella posizione di compressione della molla. Per il circuit breaker WB - 2C, le fasi A/B/

Per la fase C, l'ispezione sul posto del pannello di comando ha mostrato che la luce rossa dell'indicatore TWJ era accesa. La pressione del gas SF₆ dei circuit breakers a tre fasi A/B/C era di 0,62MPa (pressione relativa), e non c'erano anomalie evidenti nel circuit breaker 7522.

Informazioni sull'azione di protezione

• Dispositivo di protezione IRCS - 931BM della Linea Jingchuan II: Alle 17:53:50:404 del 16 maggio 2016, la protezione differenziale di corrente della fase B si è attivata. La protezione differenziale di corrente ha effettuato il trip delle fasi A, B e C a 767ms, e i contatti di posizione di trip delle fasi A, B e C sono tornati a 825ms.

• Dispositivo di protezione IICS - 103C della Linea Jingchuan II: Alle 17:53:50:454 del 16 maggio 2016, la protezione differenziale di corrente della fase B si è attivata, e la protezione differenziale di fase ha effettuato il trip delle fasi ABC a 790ms.

• Pannello di protezione del circuit breaker 7522 PRS - 721S: Il circuit breaker 7522 ha effettuato il trip nella fase B. Si è verificata l'azione di trip successiva. Dopo 0,6s, è stata eseguita l'azione di ricomposizione, e l'azione di trip a tre fasi è stata comunicata. Dopo 0,15s, si è verificata l'azione di trip di guasto del circuit breaker stesso, e dopo 0,25s, si è verificata l'azione di trip di guasto dei circuit breakers adiacenti.

• Pannello di protezione del circuit breaker 7520 PRS - 721S: Il circuit breaker 7520 ha effettuato il trip nella fase B. Si è verificata l'azione di trip successiva, ed è stata eseguita la trip a tre fasi successiva. Poiché la ricomposizione del circuit breaker 7520 aveva un ritardo di 0,9s (per ricomporre con la linea difettosa e ridurre l'impatto sull'unità), la ricomposizione non si è attivata.

• Pannello di protezione del circuit breaker 7512 PRS - 721S: Il circuit breaker 7512 ha effettuato il trip a tre fasi, e il tempo di ritorno dei contatti di posizione di trip a tre fasi è stato di 1143ms.

• Dispositivo di protezione RCS - 915E dello schermo di protezione della Madre Bus II: Alle 17:53:51:258 del 16 maggio 2016, si è verificato il trip di guasto della bus-line.
  

Prove e ispezione del corpo del circuit breaker

È stato contattato l'Istituto di Ricerca Elettrica della Ningxia per analizzare i componenti del gas SF₆ dei circuit breakers a tre fasi 7522. I componenti solforati nel gas SF₆ della fase B superavano gravemente lo standard. Il contenuto di prodotti di decomposizione in questa camera di gas era elevato, indicando la presenza di una scarica parziale ad alta energia, che ha portato alla decomposizione dei materiali di isolamento solido, come mostrato nella Tabella 1.

Dopo aver misurato il circuito di interruzione della fase B, è stato confermato che il circuito era aperto, indicando che l'interruttore era in stato di interruzione. L'Istituto di Ricerca Elettrica della Ningxia ha effettuato prove sul tempo di apertura e sulla resistenza del circuito delle fasi A e C del circuit breaker 7522, e i risultati delle prove erano in linea con gli standard.

Smontaggio e ispezione dopo il guasto

Per il circuit breaker 7522, il gas SF₆ all'interno della fase B è stato svuotato, è stato purgato azoto, e la porta del corpo dell'interruttore è stata aperta. All'interno è stato trovato polveroso (prodotti di decomposizione da ablasione dell'arco). Dopo l'arrivo dei tecnici della fabbrica ABB, l'isolatore è stato smontato, e sono stati trovati 2 elettrodi rotti. Gli elettrodi rotti erano collegati alla parete esterna. L'asta di connessione e il contatto mobile mostravano segni di ablasione evidenti, e il meccanismo di operazione del contatto mobile aveva prodotti di decomposizione fonduti evidenti. Il meccanismo di operazione della struttura di comando idraulico a molla del circuit breaker è stato ispezionato e si è scoperto che stava funzionando normalmente.

Analisi delle cause
Principio di spegnimento dell'arco

Il momento ottimale per spegnere un arco AC è quando la corrente dell'arco passa attraverso zero ogni mezzo ciclo. Durante il periodo di attraversamento dello zero della corrente, l'arco subisce 2 processi di recupero:

• Processo di recupero della resistenza dielettrica: A causa del miglioramento del processo di deionizzazione, la resistenza dielettrica tra gli elettrodi dell'arco si ripristina gradualmente.

• Processo di recupero della tensione dell'arco: La tensione di alimentazione viene riapplicata ai contatti. La tensione dell'arco aumenta dalla tensione di spegnimento alla tensione di alimentazione. Se il processo di recupero della resistenza dielettrica è più veloce del processo di recupero della tensione dell'arco, e l'ampiezza del processo di recupero della tensione dell'arco è grande, il processo di recupero della tensione dell'arco sarà più veloce del processo di recupero della resistenza dielettrica, portando al collasso della resistenza dielettrica tra gli elettrodi, e l'arco si riaccende. Se il processo di recupero della tensione dell'arco inizia prima che inizi il processo di recupero della resistenza dielettrica, l'arco si riaccende.

Conclusione

In combinazione con l'onda registrata del dispositivo di protezione CSL103, dopo che la fase B del circuit breaker 7522 è stata ricomposta, la protezione ha emesso un comando di trip a tre fasi a 767 ms, e le tre fasi del circuit breaker 7522 si sono completamente aperte a 825 ms, con un tempo di azione di 58 ms. Durante il processo di spegnimento dell'arco del circuit breaker della fase B, la forma d'onda della corrente non ha attraversato lo zero, e l'arco ha continuato a fornire corrente di cortocircuito all'interno del circuit breaker.

Secondo l'analisi delle prestazioni di spegnimento del gas SF₆: sotto l'azione dell'arco, il gas SF₆ assorbe energia elettrica e genera composti fluorurati bassi. Tuttavia, quando la corrente dell'arco attraversa lo zero, i composti fluorurati bassi possono ricombinarsi rapidamente in gas SF₆. La resistenza dielettrica dell'intervallo dell'arco si ripristina relativamente rapidamente. Poiché la corrente dell'arco non ha attraversato lo zero, le prestazioni di spegnimento del gas SF₆ si sono ridotte. In quel momento, solo attivando la protezione di guasto del circuit breaker, il circuit breaker adiacente 7512 avrebbe potuto interrompere la corrente di guasto. Il tempo dal ritorno del contatto di posizione di trip a tre fasi del circuit breaker 7522 al ritorno del contatto di posizione di trip a tre fasi del circuit breaker 7512 è stato complessivamente di 317 ms, indicando che l'arco ad alta energia della fase B del circuit breaker 7522 ha bruciato per 317 ms. Dopo l'apertura del circuit breaker 7512, l'arco si è spento.

In conclusione, la protezione della linea e la protezione di guasto del circuit breaker in questo evento hanno operato normalmente, e il circuit breaker ha eseguito il trip normalmente. Le azioni delle apparecchiature primarie e secondarie erano tutte corrette. Per la fase B del circuit breaker 7522, dall'analisi della composizione del gas, c'era un'energia ad alta intensità nella camera di spegnimento dell'arco, sufficiente per aumentare la pressione del gas. Tuttavia, la corrente della fase B 7522 non ha attraversato lo zero, e l'arco non si è spento. Ma la valvola della camera di compressione inferiore era stata aperta, e il gas in eccesso era stato espulso dalla parte inferiore, che potrebbe aver portato l'arco fuori e bruciato l'asta di legame del contatto mobile e il condensatore di shunt.

Analisi delle cause del bruciamento della resistenza di chiusura del circuit breaker e del collasso della copertura di schermatura uniforme sul lato esterno della resistenza

L'operazione del circuit breaker è la causa di molte sovratensioni di commutazione. L'installazione di una resistenza di chiusura può limitare efficacemente le sovratensioni durante la chiusura della linea e la ricomposizione monofase. Il circuit breaker a soffi di gas SF₆ 550/800PMSF₆ prodotto dalla ABB Company utilizzato nella nostra azienda è composto da piastre di resistenza di carburo di silicio impilate. Secondo il manuale del costruttore, la capacità termica della resistenza di chiusura è la seguente: quando si chiude 4 volte a 1,3 volte la tensione nominale di fase, l'intervallo di tempo tra le prime due volte è di 3 minuti, e l'intervallo di tempo tra le ultime due volte è di 3 minuti; l'intervallo di tempo tra i due gruppi di test (prima e dopo) non supera i 30 minuti.

L'interruttore ha una struttura di interruzione a serie, che consiste in 3 interruzioni principali, 1 interruzione ausiliaria e una resistenza di chiusura combinata, come mostrato nella Figura 2. La caratteristica principale della struttura di interruzione a serie è che, durante l'operazione di chiusura del circuit breaker, l'interruzione ausiliaria si chiude dopo l'interruzione principale nella camera di spegnimento dell'arco, e durante l'operazione di apertura, l'interruzione ausiliaria si separa dopo l'interruzione principale nella camera di spegnimento dell'arco.

In altre parole, la sequenza di azione dell'interruzione ausiliaria è la chiusura in ritardo e l'apertura in ritardo. Il suo principio di funzionamento è il seguente: durante la chiusura, l'interruzione principale si chiude per prima, formando un circuito di conduzione di corrente in serie con la resistenza, e la resistenza di chiusura è connessa. Dopo circa 8-11 ms (secondo il manuale del costruttore), si forma un circuito di conduzione di corrente attraverso il contatto di chiusura dell'interruzione ausiliaria, bypassando la resistenza di chiusura; durante l'apertura, l'interruzione principale si disconnette per prima, aprendo il circuito principale di corrente, e poi l'interruzione ausiliaria si separa.

Quindi, l'interruzione ausiliaria trasporta la corrente nominale e la corrente di cortocircuito durante l'apertura. Dopo l'apertura meccanica della fase B, la resistenza di chiusura è connessa al circuito. Poiché l'arco tra le interruzioni della fase B è durato 317 ms attraverso la resistenza di chiusura, e la corrente dell'arco era di circa 1620 A, secondo i calcoli, la capacità termica sopportata dalla resistenza di chiusura era superiore alla sua capacità nominale. Ciò ha portato a una capacità termica superiore al limite del cerchio di connessione tra la resistenza di chiusura e l'interruzione ausiliaria, causando infine il fusione, la scarica verso l'anello di gradazione della parete esterna, causando il collasso dell'anello di gradazione e l'annerimento della resistenza.

Analisi delle cause per l'operazione della protezione di guasto del circuit breaker

Nella protezione di guasto del circuit breaker, quando l'elemento di corrente è attivato e soddisfa i criteri di protezione di guasto, la protezione di guasto verrà iniziata non appena viene ricevuto l'input di trip di protezione e la corrente della fase corrispondente è superiore a 0,05 In.

Come si può vedere dai rapporti del 7522, dal momento in cui il dispositivo di protezione PRS - 721S del pannello di protezione del circuit breaker 7522 ha ricevuto l'input del segnale di trip a tre fasi dal dispositivo di protezione IRC - 931BM della protezione della Linea Jingchuan II a 775 ms, fino a quando ha attivato il circuit breaker locale a causa del guasto a 925 ms, e fino a quando ha attivato il circuit breaker adiacente a causa del guasto a 1025 ms, con un ritardo di 0,15 s per l'attivazione del circuit breaker locale e 0,25 s per l'attivazione del circuit breaker adiacente, rispettivamente, ciò è in linea con la logica di operazione della protezione di guasto, e la protezione ha funzionato correttamente, come mostrato nella Figura 3. Nell'oscillogramma, si può vedere che, anche se il contatto di posizione di trip della fase B del 7522 era tornato a 825 ms, c'era ancora corrente (arco) che scorreva tra i contatti mobile e fisso.

Conclusioni

• A causa della distorsione grave della corrente di guasto, la forma d'onda si è spostata verso il lato inferiore dell'asse temporale. Il fatto che la forma d'onda non abbia attraversato lo zero entro il tempo efficace di spegnimento dell'arco del circuit breaker è stata la ragione principale per la non estinzione dell'arco. L'insuccesso del recupero dell'isolamento dell'intervallo dopo l'apertura del circuit breaker e il declino delle prestazioni di spegnimento del gas SF₆ sono state ragioni secondarie per la non estinzione dell'arco.

• La non estinzione dell'arco e l'espulsione del gas residuo dalla camera di spegnimento dell'arco, che ha portato l'arco fuori, sono state le ragioni principali per l'annerimento dell'asta di legame isolante e della parete esterna del condensatore.

• Dopo l'apertura meccanica della fase B, la resistenza di chiusura è stata connessa al circuito. Poiché l'arco tra le interruzioni della fase B ha attraversato la resistenza di chiusura per 317 ms, la capacità termica ha causato il collasso della capacità termica del collegamento tra la resistenza di chiusura e l'interruzione ausiliaria, portando infine al fusione, alla scarica verso l'anello di gradazione della parete esterna, causando il collasso dell'anello di gradazione e l'annerimento della resistenza.

• La presenza di corrente di arco nella fase B e la sua conformità alla logica di operazione della protezione di guasto del circuit breaker sono state le ragioni principali per l'attivazione della barra di distribuzione.