Análise da Falha de um Disjuntor a Gás Comprimido SF₆ do Tipo Tanque de 750 kV

Fenômeno de Falha
Informações de Falha e Modo Operacional Antes da Falha

Às 17:53:50 do dia 16 de maio de 2016, os dispositivos de proteção dos dois conjuntos da Linha Jingchuan II operaram sucessivamente. A fase B foi selecionada para o desligamento, e as fases B dos disjuntores 7522 e 7520 foram abertas. A proteção do disjuntor 7522 detectou uma falha permanente no dispositivo de proteção de linha dupla, com um atraso de 0,6s. Subsequentemente, as três fases ABC do disjuntor 7522 foram desligadas.

Durante esse processo, a proteção de falha da fase B do disjuntor 7522 acionou a proteção diferencial da Barra II, e o disjuntor 7512 foi aberto, resultando em um corte de energia na Barra 750kV II. O modo operacional do sistema antes da falha e as condições de operação das unidades são mostrados na Figura 1. A potência ativa da Unidade #1 era de 645MW, e a da Unidade #2 era de 602MW. As Linhas Jingchuan I e II estavam operando normalmente. O modo de conexão da subestação elevatória era 3/2, e a subestação estava operando em modo de fechamento de anel.

Situação de Inspeção da Falha
Inspeção Visual no Local

Uma inspeção no local do disjuntor 7522 mostrou que os indicadores mecânicos de abertura/fechamento para as fases A/B/C indicavam a posição aberta, que era a posição "0". A estrutura de operação hidráulica estava na posição de compressão da mola. Para o disjuntor WB - 2C, as fases A/B/

Para a fase C, a inspeção no local do painel de operação mostrou que a luz vermelha do indicador TWJ estava acesa. A pressão do gás SF₆ dos disjuntores trifásicos A/B/C era de 0,62MPa (pressão relativa), e não havia anomalias óbvias no disjuntor 7522.

Informações de Ação de Proteção

• Dispositivo de Proteção IRCS - 931BM da Linha Jingchuan II: Em 16 de maio de 2016, às 17:53:50:404, a proteção diferencial de corrente da fase B operou. A proteção diferencial de corrente desligou as fases A, B e C em 767ms, e os contatos de posição de desligamento das fases A, B e C retornaram em 825ms.

• Dispositivo de Proteção IICS - 103C da Linha Jingchuan II: Em 16 de maio de 2016, às 17:53:50:454, a proteção diferencial de corrente da fase B operou, e a proteção diferencial de fase desligou as fases ABC em 790ms.

• Painel de Proteção do Disjuntor 7522 PRS - 721S: O disjuntor 7522 desligou na fase B. A ação de desligamento subsequente ocorreu. Após 0,6s, a ação de recolocação foi executada, e a ação de triplo desligamento foi comunicada. Após 0,15s, ocorreu o desligamento por falha do próprio disjuntor, e após 0,25s, ocorreu o desligamento por falha de disjuntores adjacentes.

• Painel de Proteção do Disjuntor 7520 PRS - 721S: O disjuntor 7520 desligou na fase B. A ação de desligamento subsequente ocorreu, e o desligamento subsequente trifásico foi executado. Como a recolocação do disjuntor 7520 teve um atraso de 0,9s (para recolocar com a linha com falha e reduzir o impacto na unidade), a recolocação não operou.

• Painel de Proteção do Disjuntor 7512 PRS - 721S: O disjuntor 7512 desligou em três fases, e o tempo de retorno dos contatos de posição de desligamento trifásico foi de 1143ms.

• Painel de Proteção RCS - 915E da Barra Mãe II: Em 16 de maio de 2016, às 17:53:51:258, ocorreu o desligamento por falha da barra-linha.
  

Teste e Inspeção do Corpo do Disjuntor

Foi contactado o Instituto de Pesquisa Elétrica de Ningxia para analisar os componentes do gás SF₆ dos disjuntores trifásicos 7522. Os componentes de compostos de enxofre no gás SF₆ da fase B excederam seriamente o padrão. O conteúdo de produtos de decomposição nessa câmara de gás era alto, indicando a presença de descarga parcial de alta energia, o que levou à decomposição de materiais de isolamento sólido, conforme mostrado na Tabela 1.

Após a medição do circuito de interrupção da fase B, foi confirmado que o circuito estava aberto, indicando que o disjuntor estava no estado de circuito aberto. O Instituto de Pesquisa Elétrica de Ningxia realizou testes no tempo de abertura e resistência do circuito das fases A e C do disjuntor 7522, e os resultados dos testes estavam em conformidade com os padrões.

Desmontagem e Inspeção Após a Falha

Para o disjuntor 7522, o gás SF₆ dentro da fase B foi liberado, o nitrogênio foi purgado, e a porta do corpo do disjuntor foi aberta. Foi encontrado pó (produtos de decomposição de arco) no interior. Após a chegada dos técnicos da fábrica ABB, o isolador foi desmontado, e foram encontrados 2 eletrodos quebrados. Os eletrodos quebrados estavam conectados à parede externa. A haste de conexão e o contato móvel mostraram marcas de ablação evidentes, e a mecânica de operação do contato móvel apresentava produtos de decomposição fundidos evidentes. A mecânica de operação da estrutura de operação de mola hidráulica do disjuntor foi inspecionada e estava operando normalmente.

Análise de Causas
Princípio de Extinção do Arco

O momento ideal para extinguir um arco CA é quando a corrente do arco passa por zero a cada meio ciclo. Durante o período de passagem pela corrente zero, o arco passa por 2 processos de recuperação:

• Processo de Recuperação da Resistência Dielétrica: Devido ao reforço do processo de desionização, a resistência dielétrica entre os eletrodos do arco se recupera gradualmente.

• Processo de Recuperação da Tensão do Arco: A tensão da fonte é reaplicada aos contatos. A tensão do arco aumenta da tensão de extinção para a tensão da fonte. Se o processo de recuperação da resistência dielétrica for mais rápido que o processo de recuperação da tensão do arco, e a amplitude do processo de recuperação da tensão do arco for grande, o processo de recuperação da tensão do arco será mais rápido que o processo de recuperação da resistência dielétrica, levando à quebra da resistência dielétrica entre os eletrodos, e o arco se reacende. Se o processo de recuperação da tensão do arco começar antes que o processo de recuperação da resistência dielétrica comece, o arco se reacenderá.

Conclusão

Combinado com a forma de onda do registro de falha do dispositivo de proteção CSL103, após a fase B do disjuntor 7522 ser recolocada, a proteção emitiu um comando de desligamento trifásico em 767 ms, e as três fases do disjuntor 7522 foram totalmente abertas em 825 ms, com um tempo de ação de 58 ms. Durante o processo de extinção do arco do disjuntor da fase B, a forma de onda da corrente não cruzou zero, e o arco continuou fornecendo corrente de curto-circuito no interior do disjuntor.

De acordo com a análise do desempenho de extinção do arco do gás SF₆: sob a ação do arco, o gás SF₆ absorve energia elétrica e gera compostos de baixo flúor. No entanto, quando a corrente do arco cruza zero, os compostos de baixo flúor podem se recombinar rapidamente em gás SF₆. A resistência dielétrica da lacuna do arco se recupera relativamente rapidamente. Como a corrente do arco não cruzou zero, o desempenho de extinção do arco do gás SF₆ diminuiu. Nesse momento, apenas ativando a proteção de falha do disjuntor, o disjuntor adjacente 7512 poderia cortar a corrente de falha. O tempo desde o retorno dos contatos de posição de desligamento trifásico do disjuntor 7522 até o retorno dos contatos de posição de desligamento trifásico do disjuntor 7512 foi de 317 ms no total, indicando que o arco de alta energia da fase B do disjuntor queimou por 317 ms. Após o disjuntor 7512 abrir, o arco foi extinto.

Em conclusão, a proteção de linha e a proteção de falha do disjuntor neste evento operaram normalmente, e o disjuntor desligou normalmente. As ações do equipamento primário e secundário foram todas corretas. Para a fase B do disjuntor 7522, a partir da análise da composição do gás, houve energia de alta intensidade na câmara de extinção de arco, suficiente para aumentar a pressão do gás. No entanto, a corrente da fase B do 7522 não cruzou zero, e o arco não foi extinto. Mas a válvula da câmara de compressão inferior já estava aberta, e o excesso de gás foi liberado pela parte inferior, o que pode ter carregado o arco e queimado a vareta de ligação do contato móvel e o capacitor de derivação.

Análise das Causas da Queima da Resistência de Fechamento do Disjuntor e da Quebra da Capa de Blindagem Uniforme na Parte Externa da Resistência

A operação do disjuntor é a causa de muitas sobretensões de comutação. Instalar uma resistência de fechamento pode limitar efetivamente as sobretensões durante o fechamento da linha e a recolocação monofásica. O disjuntor de sopro de gás SF₆ 550/800PMSF₆ fabricado pela ABB Company usado em nossa empresa tem uma resistência de fechamento composta por placas de resistência de carbeto de silício empilhadas. De acordo com o manual do fabricante, a capacidade térmica da resistência de fechamento é a seguinte: quando fechado 4 vezes a 1,3 vezes a tensão nominal de fase, o intervalo de tempo entre as duas primeiras vezes é de 3 minutos, e o intervalo de tempo entre as duas últimas vezes é de 3 minutos; o intervalo de tempo entre os dois grupos de testes (frente e verso) não deve exceder 30 minutos.

O disjuntor tem uma estrutura de interrupção em série, que consiste em 3 interrupções principais, 1 interrupção auxiliar e uma resistência de fechamento combinada, conforme mostrado na Figura 2. A principal característica da interrupção em série é que, durante a operação de fechamento do disjuntor, a interrupção auxiliar fecha após a interrupção principal na câmara de extinção de arco, e durante a operação de abertura, a interrupção auxiliar também se separa após a interrupção principal na câmara de extinção de arco.

Ou seja, a sequência de ação da interrupção auxiliar é fechar depois e abrir depois. Seu princípio de funcionamento é o seguinte: durante o fechamento, a interrupção principal fecha primeiro, formando um circuito de condução de corrente em série com a resistência, e a resistência de fechamento é conectada. Após cerca de 8-11 ms (conforme o manual do fabricante), um circuito de condução de corrente é formado através do contato de fechamento da interrupção auxiliar, curto-circuitando a resistência de fechamento; durante a abertura, a interrupção principal se desengaja primeiro, abrindo o circuito de corrente principal, e então a interrupção auxiliar se separa.

Portanto, a interrupção auxiliar suporta a corrente nominal e a corrente de curto-circuito durante a abertura. Após a abertura mecânica da fase B, a resistência de fechamento foi conectada ao circuito. Como o arco entre as interrupções da fase B durou 317 ms através da resistência de fechamento, e a corrente do arco era aproximadamente 1620 A, de acordo com o cálculo, a capacidade térmica suportada pela resistência de fechamento foi maior que sua capacidade nominal. Isso levou à superação da capacidade térmica do anel de conexão entre a resistência de fechamento e a interrupção auxiliar, eventualmente causando fusão, descarga para o anel de graduação da parede externa, resultando na quebra do anel de graduação e no escurecimento da resistência.

Análise das Causas da Operação da Proteção de Falha do Disjuntor

Na proteção de falha do disjuntor, quando o elemento de corrente é ativado e atende aos critérios de proteção de falha, a proteção de falha será iniciada desde que a entrada de desligamento de proteção seja recebida e a corrente da fase correspondente seja maior que 0,05 In.

Como pode ser visto nos relatórios do 7522, de 775 ms, quando o dispositivo de proteção PRS - 721S do painel de proteção do disjuntor 7522 recebeu a entrada do sinal de desligamento trifásico do dispositivo de proteção IRC - 931BM da proteção da Linha Jingchuan II, até 925 ms, quando desligou o disjuntor local devido à falha, e até 1025 ms, quando desligou o disjuntor adjacente devido à falha, com um atraso de 0,15 s para o desligamento do disjuntor local e 0,25 s para o desligamento do disjuntor adjacente, respectivamente, o que está em conformidade com a lógica de operação da proteção de falha, e a proteção operou corretamente, conforme mostrado na Figura 3. Na forma de onda, pode-se ver que, embora o contato de posição de desligamento da fase B do 7522 tenha retornado em 825 ms, ainda havia corrente (arco) fluindo entre os contatos móvel e fixo.

Conclusões

• Devido à distorção severa da corrente de falha, a forma de onda se deslocou para o lado inferior do eixo de tempo. O fato de a forma de onda não ter cruzado zero dentro do tempo eficaz de extinção de arco do disjuntor foi a principal razão para a não extinção do arco. A falha na recuperação do isolamento da lacuna após a abertura do disjuntor e a diminuição do desempenho de extinção de arco do gás SF₆ foram razões secundárias para a não extinção do arco.

• A não extinção do arco e a expulsão do gás remanescente da câmara de extinção de arco, que carregou o arco, foram as principais razões para o escurecimento da vareta de ligação isolante e da parede externa do capacitor.

• Após a abertura mecânica da fase B, a resistência de fechamento foi conectada ao circuito. Como o arco entre as interrupções da fase B fluía através da resistência de fechamento por 317 ms, a capacidade térmica causou a quebra da capacidade térmica da conexão entre a resistência de fechamento e a interrupção auxiliar, eventualmente levando à fusão, descarga para o anel de graduação da parede externa, resultando na quebra do anel de graduação e no escurecimento da resistência.

• A presença de corrente de arco na fase B e sua conformidade com a lógica de operação da proteção de falha do disjuntor foram as principais razões para o desligamento da barra.