Analyse van het falen van een 750 kV tanktype SF₆ gecomprimeerd gas circuitbreker

Storing van de storing
Informatie over de storing en bedrijfsmodus voor de storing

Op 16 mei 2016 om 17:53:50 werkten de beschermingsapparaten van twee sets op de Jingchuan II-lijn opeenvolgend. Fase B werd geselecteerd voor het uitschakelen, en de B-fase van schakelaars 7522 en 7520 werd geopend. De bescherming van schakelaar 7522 detecteerde een permanente storing op de dubbele lijnbeschermingsapparaat, met een vertraging van 0,6 seconden. Vervolgens werden de ABC-drie fasen van schakelaar 7522 uitgeschakeld.

Tijdens dit proces activeerde de storing van fase B van schakelaar 7522 de differentiële bescherming van bus II, en schakelaar 7512 werd geopend, wat resulteerde in een stroomonderbreking van de 750 kV bus II. De bedrijfsmodus van het systeem vóór de storing en de werkomstandigheden van de eenheden zijn weergegeven in figuur 1. Het actieve vermogen van Eenheid #1 was 645 MW, en dat van Eenheid #2 was 602 MW. De Jingchuan I en II-lijnen functioneerden normaal. Het aansluitpatroon van de opwaartse transformator was 3/2-aansluiting, en de opwaartse transformator werkte in een gesloten lusmodus.

Inspectie van de storing
Ter plaatse visuele inspectie

Een ter plaatse inspectie van schakelaar 7522 toonde aan dat de mechanische open/dicht-indicatoren voor fasen A/B/C de open positie aangaven, wat op de "0" positie neerkomt. De hydraulische bedieningsstructuur bevond zich in de veercompressiepositie. Voor de WB - 2C-schakelaar, fasen A/B/

Voor fase C, toonde de ter plaatse inspectie van het bedieningspaneel aan dat de rode lamp van de TWJ-indicator brandde. De SF₆-gasdruk van de drie-fase schakelaars A/B/C was 0,62 MPa (relatieve druk), en er waren geen duidelijke afwijkingen in schakelaar 7522.

Informatie over de activering van de bescherming

• Bescherming Jingchuan II-lijn IRCS - 931BM-beschermingsapparaat: Op 16 mei 2016 om 17:53:50:404 werkte de B-fase stroomdifferentiële bescherming. De stroomdifferentiële bescherming schakelde fasen A, B en C na 767 ms uit, en de schakelcontacten van fasen A, B en C keerden terug na 825 ms.

• Bescherming Jingchuan II-lijn IICS - 103C-beschermingsapparaat: Op 16 mei 2016 om 17:53:50:454 werkte de B-fase stroomdifferentiële bescherming, en de fase-differentiële bescherming schakelde fasen ABC na 790 ms uit.

• Beschermingsscherm PRS - 721S van schakelaar 7522: Schakelaar 7522 schakelde fase B uit. Er volgde een volgschakeling. Na 0,6 s werd de herinschakeling uitgevoerd, en de driefase uitschakeling werd gecommuniceerd. Na 0,15 s vond de eigen storing-uitschakeling van de schakelaar plaats, en na 0,25 s vond de naburige schakelaar storing-uitschakeling plaats.

• Beschermingsscherm PRS - 721S van schakelaar 7520: Schakelaar 7520 schakelde fase B uit. Er volgde een volgschakeling, en de driefase volgschakeling werd uitgevoerd. Aangezien de herinschakeling van schakelaar 7520 een vertraging van 0,9 s had (om met de defectieve lijn te herinschakelen en de impact op de eenheid te verminderen), werd de herinschakeling niet uitgevoerd.

• Beschermingsscherm PRS - 721S van schakelaar 7512: Schakelaar 7512 schakelde drie fasen uit, en de retourtijd van de driefase uitschakelcontacten was 1143 ms.

• Moederbus Bescherming I Scherm RCS - 915E-beschermingsapparaat: Op 16 mei 2016 om 17:53:51:258 vond de storing-uitschakeling van de bus-lijn plaats.
  

Test en inspectie van de schakelaar

Het Ningxia Elektriciteits Onderzoeksinstituut werd benaderd om de SF₆-gascomponenten van de drie-fase schakelaars van 7522 te analyseren. De zwavelverbindingen in het SF₆-gas van fase B overschreden ernstig de norm. De inhoud van de ontbindingsproducten in deze gasruimte was hoog, wat wijst op de aanwezigheid van hoge-energie lokale ontlading, wat leidde tot de ontbinding van vaste isolatiematerialen, zoals weergegeven in tabel 1.

Na het meten van de onderbrekingslus van schakelaar B werd bevestigd dat de lus open was, wat aangeeft dat de schakelaar in de openstaande staat was. Het Ningxia Elektriciteits Onderzoeksinstituut voerde tests uit op de openingsduur en circuitweerstand van fasen A en C van schakelaar 7522, en de testresultaten waren in overeenstemming met de normen.

Afmontage en inspectie na de storing

Voor schakelaar 7522 werd het SF₆-gas binnen fase B geloosd, stikstof werd gepurgeerd, en de schakelaar deur werd geopend. Stof (boog-afblussingsontbindingsproducten) werd gevonden binnenin. Na de aankomst van de ABB-fabriekstechnici werd de isolator gedemonteerd, en werden 2 gebroken elektroden gevonden. De gebroken elektroden waren verbonden met de buitenwand. De stuwpin en de bewegende contacten vertoonden duidelijke afblussingsmerken, en het bewegende contactbedieningsmechanisme had duidelijke smeltontbindingsproducten. Het bedieningsmechanisme van de hydraulische veer-bedieningsstructuur van de schakelaar werd geïnspecteerd en bleek normaal te functioneren.

Oorzakenanalyse
Boogblussingsprincipe

De optimale tijd om een wisselstroomboog te blussen is wanneer de boogstroom elke halve cyclus door nul gaat. Tijdens de periode van stroomnulpassage ondergaat de boog 2 herstelprocessen:

• Herstelproces van de dielektrische sterkte: Door de versterking van het de-ionisatieproces herstelt de dielektrische sterkte tussen de boogelektroden geleidelijk.

• Herstelproces van de boogspanning: De voedingsspanning wordt opnieuw toegepast op de contacten. De boogspanning stijgt van de boogblussingspanning naar de voedingspanning. Als het herstelproces van de dielektrische sterkte sneller is dan het herstelproces van de boogspanning, en de amplitude van het herstelproces van de boogspanning groot is, zal het herstelproces van de boogspanning sneller zijn dan het herstelproces van de dielektrische sterkte, wat leidt tot de doorbraak van de dielektrische sterkte tussen de elektroden, en de boog ontbrandt opnieuw. Als het herstelproces van de boogspanning begint voordat het herstelproces van de dielektrische sterkte begint, zal de boog opnieuw ontbranden.

Conclusie

Gecombineerd met de foutregistratiegolfvorm van het CSL103-beschermingsapparaat, gaf de bescherming na de herinschakeling van fase B van schakelaar 7522 een driefase uitschakelcommando na 767 ms, en werden de drie fasen van schakelaar 7522 volledig geopend na 825 ms, met een reactietijd van 58 ms. Tijdens het boogblussingsproces van de B-faseschakelaar, kruiste de stroomgolfvorm niet nul, en de boog bleef kortsluitstroom leveren binnen de schakelaar.

Volgens de boogblussingsprestatiesanalyse van SF₆-gas: onder de invloed van de boog absorbeert SF₆-gas elektrische energie en produceert laagfluoride verbindingen. Wanneer de boogstroom echter nul kruist, kunnen de laagfluoride verbindingen snel hercombineren tot SF₆-gas. De dielektrische sterkte van de boogopening herstelt relatief snel. Aangezien de boogstroom niet nul kruiste, nam de boogblussingsprestatie van SF₆-gas af. Op dat moment kon alleen door de activering van de schakelaar storing-bescherming de naburige schakelaar 7512 de storingstroom doorsnijden. De tijd van de driefase uitschakelcontacten van schakelaar 7522 die terugkeerden tot de driefase uitschakelcontacten van schakelaar 7512 die terugkeerden was in totaal 317 ms, wat aangeeft dat de hoge-energie boog van de B-faseschakelaar 317 ms brandde. Na het openen van schakelaar 7512 werd de boog geblust.

Samengevat, de lijnbescherming en de schakelaar storing-bescherming in dit incident werkten allebei normaal, en de schakelaar schakelde normaal uit. De acties van primaire en secundaire apparatuur waren allemaal correct. Voor fase B van schakelaar 7522, uit de gascompositieanalyse, was er hoge-intensiteit energie in de boogblussingskamer, wat voldoende was om de gasdruk te verhogen. Echter, de stroom van fase B van 7522 kruiste niet nul, en de boog werd niet geblust. Maar de klep van de onderste compressiekamer was geopend, en het overtollige gas werd via de onderkant geloosd, wat de boog mogelijk meevoerde en de isolerende verbindingstang en de parallelcondensator verbrandde.

Analyse van de oorzaken van de verbranding van de sluitweerstand van de schakelaar en de doorbraak van de uniforme afschermkap aan de buitenkant van de weerstand

Het bedienen van de schakelaar is de oorzaak van de meeste schakelovervoltages. Het installeren van een sluitweerstand kan effectief de overvoltages tijdens het inschakelen van lijnen en enkelvoudige herinschakeling beperken. De 550/800PMSF₆ gasblastschakelaar, vervaardigd door ABB Company, die in ons bedrijf wordt gebruikt, heeft een sluitweerstand bestaande uit gestapelde siliciumcarbide weerstandplaten. Volgens de fabrikantshandleiding is de warmtecapaciteit van de sluitweerstand als volgt: bij vier keer sluiten bij 1,3 keer de nominale fase-spanning, is de tijdsinterval tussen de eerste twee keren 3 minuten, en de tijdsinterval tussen de laatste twee keren 3 minuten; de tijdsinterval tussen de twee groepen tests (voor en achter) is niet meer dan 30 minuten.

De schakelaar heeft een seriebreukconstructie, die bestaat uit 3 hoofdbreuken, 1 hulpbreuk en een gecombineerde sluitweerstand, zoals weergegeven in figuur 2. Het belangrijkste kenmerk van de seriebreuk is dat tijdens het sluiten van de schakelaar, de hulpbreuk sluit nadat de hoofdbreuk in de boogblussingskamer, en tijdens het openen, de hulpbreuk ook scheidt nadat de hoofdbreuk in de boogblussingskamer.

Dit betekent dat de actieseqence van de hulpbreuk is later sluiten en later openen. Het werkingsprincipe is als volgt: tijdens het sluiten sluit de hoofdbreuk eerst, waardoor een stroomleidende lus in serie met de weerstand wordt gevormd, en de sluitweerstand wordt verbonden. Na ongeveer 8-11 ms (volgens de fabrikantshandleiding), wordt een stroomleidende lus gevormd via het sluitcontact van de hulpbreuk, waardoor de sluitweerstand wordt kortgesloten; tijdens het openen scheidt de hoofdbreuk eerst, waardoor de hoofdstroomlus wordt geopend, en vervolgens scheidt de hulpbreuk.

Daarom draagt de hulpbreuk het nominale stroom en de kortsluitstroom tijdens het openen. Na het mechanische openen van fase B, werd de sluitweerstand verbonden met het circuit. Aangezien de boog tussen de breuken van fase B 317 ms door de sluitweerstand stroomde, en de boogstroom ongeveer 1620 A was, leidde de berekening ervan tot een warmtecapaciteit die groter was dan de nominale capaciteit. Dit leidde tot een overmatige warmtecapaciteit van de verbindingring tussen de sluitweerstand en de hulpbreuk, wat uiteindelijk resulteerde in fusering, afleiding naar de buitenwand gradatiekring, wat leidde tot de doorbraak van de gradatiekring en het verzwart worden van de weerstand.

Analyse van de oorzaken voor de activering van de schakelaar storing-bescherming

In de schakelaar storing-bescherming, wanneer het stroomelement wordt geactiveerd en voldoet aan de criteria voor storing-bescherming, zal de storing-bescherming worden geactiveerd zodra het bescherming uitschakel-ingangsignalen ontvangt en de corresponderende fase-stroom groter is dan 0,05 In.

Uit de rapporten van 7522 blijkt, van 775 ms toen het PRS - 721S-beschermingsapparaat van het beschermingsscherm van schakelaar 7522 het driefase uitschakelsignaal ingangsignaal van het IRC - 931BM-beschermingsapparaat van de Jingchuan II-lijnbescherming ontving, tot 925 ms toen het de lokale schakelaar uitschakelde vanwege storing, en tot 1025 ms toen het de naburige schakelaar uitschakelde vanwege storing, met een vertraging van 0,15 s voor het uitschakelen van de lokale schakelaar en 0,25 s voor het uitschakelen van de naburige schakelaar, respectievelijk, wat overeenkomt met de werkinglogica van de storing-bescherming, en de bescherming werkte correct, zoals weergegeven in figuur 3. In de oscillogram kan worden gezien dat hoewel de B-fase uitschakelcontact van 7522 was teruggekeerd op 825 ms, er nog steeds stroom (boog) vloeide tussen de bewegende en stationaire contacten.

Conclusies

• Vanwege de ernstige vervorming van de storingstroom, verschoof de golfvorm naar de onderkant van de tijd-as. Het feit dat de golfvorm niet nul kruiste binnen de effectieve boogblustijd van de schakelaar, was de hoofdoorzaak van de niet-verdwijnende boog. Het falen van de luchtkamerisolatie om te herstellen na het openen van de schakelaar en het afnemen van de boogblussingsprestaties van SF₆-gas waren secundaire redenen voor de niet-verdwijnende boog.

• De niet-verdwijnende boog en het uitdrijven van het resterende gas uit de boogblussingskamer, wat de boog meedroeg, waren de hoofdoorzaken voor het verzwarten van de isolerende verbindingstang en de buitenwand van de condensator.

• Na het mechanische openen van fase B, werd de sluitweerstand verbonden met het circuit. Aangezien de boog tussen de breuken van fase B 317 ms door de sluitweerstand stroomde, veroorzaakte de warmtecapaciteit de doorbraak van de verbinding tussen de sluitweerstand en de hulpbreuk, wat uiteindelijk resulteerde in fusering, afleiding naar de buitenwand gradatiekring, wat leidde tot de doorbraak van de gradatiekring en het verzwart worden van de weerstand.

• De aanwezigheid van boogstroom in fase B en het voldoen aan de werkinglogica van de schakelaar storing-bescherming waren de hoofdoorzaken voor het uitschakelen van de busbar.