Анализ отказа выключателя типа бак на 750 кВ с сжатым газом SF₆

Феномен отказа
Информация об отказе и режим работы до отказа

16 мая 2016 года в 17:53:50 устройства защиты двух комплектов на линии Цзиньчуань II сработали последовательно. Была выбрана фаза B для отключения, и фаза B выключателей 7522 и 7520 была открыта. Защита выключателя 7522 обнаружила постоянную неисправность на устройстве защиты двухцепной линии с задержкой 0,6 секунды. Затем произошло отключение всех трех фаз A, B и C выключателя 7522.

В процессе защиты фазы B выключателя 7522 активировала дифференциальную защиту шины II, и выключатель 7512 был открыт, что привело к отключению электроэнергии на шине 750 кВ. Режим работы системы и состояние блоков перед отказом показаны на рисунке 1. Активная мощность блока №1 составляла 645 МВт, а блока №2 - 602 МВт. Линии Цзиньчуань I и II работали нормально. Схема подключения подстанции повышения напряжения была 3/2, и подстанция работала в режиме замкнутого контура.

Ситуация при осмотре неисправности
Визуальный осмотр на месте

При осмотре выключателя 7522 на месте было установлено, что механические индикаторы открытого/закрытого положения для фаз A/B/C указывали на открытое положение, которое соответствовало позиции "0". Гидравлическая операционная структура находилась в положении сжатия пружины. Для выключателя WB-2C фазы A/B/

Для фазы C при осмотре на месте панели управления было установлено, что красный свет индикатора TWJ горел. Давление газа SF₆ для выключателей трех фаз A/B/C составляло 0,62 МПа (относительное давление), и явных аномалий в выключателе 7522 не наблюдалось.

Информация о действии защиты

• Устройство защиты линии Цзиньчуань II IRCS-931BM: 16 мая 2016 года в 17:53:50:404 сработала дифференциальная защита по току фазы B. Дифференциальная защита отключила фазы A, B и C через 767 мс, а контакты отключения фаз A, B и C вернулись через 825 мс.

• Устройство защиты линии Цзиньчуань II IICS-103C: 16 мая 2016 года в 17:53:50:454 сработала дифференциальная защита по току фазы B, и фазовая дифференциальная защита отключила фазы ABC через 790 мс.

• Защитный экран выключателя 7522 PRS-721S: Выключатель 7522 отключил фазу B. Произошло последующее действие отключения. Через 0,6 секунды было выполнено действие повторного включения, и было сообщено о тройном отключении. Через 0,15 секунды произошло отключение из-за отказа самого выключателя, а через 0,25 секунды - отключение соседних выключателей.

• Защитный экран выключателя 7520 PRS-721S: Выключатель 7520 отключил фазу B. Произошло последующее действие отключения, и было выполнено трехфазное последующее отключение. Поскольку повторное включение выключателя 7520 имело задержку 0,9 секунды (для повторного включения с неисправной линией и снижения воздействия на блок), повторное включение не сработало.

• Защитный экран выключателя 7512 PRS-721S: Выключатель 7512 отключил все три фазы, и время возврата контактов трехфазного отключения составило 1143 мс.

• Экран материнской защиты шины II RCS-915E: 16 мая 2016 года в 17:53:51:258 произошло отключение шины-линии из-за отказа.
  

Испытание и осмотр корпуса выключателя

Обратились к Нингсяскому электротехническому исследовательскому институту для анализа компонентов газа SF₆ трехфазных выключателей 7522. Содержание соединений серы в газе SF₆ фазы B значительно превышало стандарт. Содержание продуктов разложения в этой камере было высоким, что указывало на наличие высокомощного частичного разряда, который привел к разложению твердых диэлектрических материалов, как показано в таблице 1.

После измерения цепи разрыва фазы B выключателя было подтверждено, что цепь была разомкнута, что указывало на то, что выключатель находился в отключенном состоянии. Нингсяский электротехнический исследовательский институт провел испытания времени отключения и сопротивления цепи фаз A и C выключателя 7522, и результаты тестов соответствовали стандартам.

Разборка и осмотр после отказа

Для выключателя 7522 газ SF₆ внутри фазы B был выпущен, продувка азотом проведена, и дверца корпуса выключателя была открыта. Внутри было обнаружено пыль (продукты разложения дуги). После прибытия техников завода ABB изолятор был разобран, и было найдено 2 сломанных электрода. Сломанные электроды были подключены к внешней стенке. Соединительный стержень и движущийся контакт показали явные следы абляции, а механизм движения контакта имел явные продукты расплавления. Механизм гидравлической пружинной конструкции выключателя был проверен и работал нормально.

Анализ причин
Принцип гашения дуги

Оптимальное время для гашения переменной дуги - это момент, когда ток дуги проходит через ноль каждые полпериода. В период пересечения нуля тока дуга проходит через два процесса восстановления:

• Процесс восстановления диэлектрической прочности: В результате усиления процесса деионизации диэлектрическая прочность между электродами дуги постепенно восстанавливается.

• Процесс восстановления напряжения дуги: Напряжение источника питания снова подается на контакты. Напряжение дуги увеличивается от напряжения гашения до напряжения источника питания. Если процесс восстановления диэлектрической прочности происходит быстрее, чем процесс восстановления напряжения дуги, и амплитуда процесса восстановления напряжения дуги велика, процесс восстановления напряжения дуги будет происходить быстрее, чем процесс восстановления диэлектрической прочности, что приведет к пробою диэлектрика между электродами, и дуга возгорится снова. Если процесс восстановления напряжения дуги начинается до начала процесса восстановления диэлектрической прочности, дуга также возгорится снова.

Заключение

С учетом записи формы сигнала устройства защиты CSL103, после повторного включения фазы B выключателя 7522, защита выдала команду трехфазного отключения через 767 мс, и все три фазы выключателя 7522 были полностью отключены через 825 мс, с временем действия 58 мс. В процессе гашения дуги в фазе B выключателя, форма тока не пересекла ноль, и дуга продолжала обеспечивать короткозамкнутый ток внутри выключателя.

Согласно анализу характеристик гашения дуги газа SF₆: под действием дуги газ SF₆ поглощает электрическую энергию и образует низкофтористые соединения. Однако, когда ток дуги пересекает ноль, низкофтористые соединения быстро реагируют, образуя газ SF₆. Диэлектрическая прочность зазора дуги восстанавливается относительно быстро. Поскольку ток дуги не пересек ноль, характеристики гашения дуги газа SF₆ ухудшились. В этот момент только активация защиты от отказа выключателя могла отключить соседний выключатель 7512, чтобы прервать ток неисправности. Время от возвращения контактов трехфазного отключения выключателя 7522 до возвращения контактов трехфазного отключения выключателя 7512 составило 317 мс, что указывает на то, что высокомощная дуга фазы B выключателя горела 317 мс. После отключения выключателя 7512 дуга была погашена.

В заключение, в этом событии устройства защиты линии и защиты от отказа выключателя работали нормально, и выключатель отключился нормально. Действия основного и вторичного оборудования были правильными. Для фазы B выключателя 7522, согласно анализу состава газа, в камере гашения дуги была высокая энергия, достаточная для увеличения давления газа. Однако ток фазы B выключателя 7522 не пересек ноль, и дуга не погасла. Однако клапан нижней камеры сжатия был открыт, и избыток газа был выпущен снизу, что могло вынести дугу и вызвать оплавление изолирующего стержня движущегося контакта и параллельного конденсатора.

Анализ причин сгорания сопротивления включения выключателя и пробоя равномерного экранирующего покрытия на внешней стороне сопротивления

Работа выключателя является причиной большинства переключательных перенапряжений. Установка сопротивления включения может эффективно ограничить перенапряжения при включении линии и одиночном повторном включении. Газовый выключатель с дутьем SF₆ 550/800PMSF₆, изготовленный компанией ABB, используемый в нашей компании, имеет сопротивление включения, состоящее из стопки пластин силиконкарбида. Согласно руководству производителя, тепловая емкость сопротивления включения следующая: при включении 4 раза при 1,3 номинального фазного напряжения, интервал времени между первыми двумя включениями составляет 3 минуты, а интервал времени между последними двумя включениями также составляет 3 минуты; интервал времени между двумя группами тестов (передние и задние) не превышает 30 минут.

Выключатель имеет серийную структуру разрывов, которая состоит из 3 основных разрывов, 1 вспомогательного разрыва и комбинированного сопротивления включения, как показано на рисунке 2. Основной особенностью серийной структуры разрывов является то, что при включении выключателя вспомогательный разрыв закрывается после основного разрыва в камере гашения дуги, а при отключении вспомогательный разрыв также размыкается после основного разрыва в камере гашения дуги.

То есть порядок действий вспомогательного разрыва - закрываться позже и открываться позже. Его принцип работы следующий: при включении сначала закрывается основной разрыв, формируя цепь проводимости, соединенную с сопротивлением, и сопротивление включения подключается. Через 8-11 мс (согласно руководству производителя) формируется цепь проводимости через контакт включения вспомогательного разрыва, короткозамыкая сопротивление включения; при отключении сначала размыкается основной разрыв, открывая основную цепь, а затем размыкается вспомогательный разрыв.

Таким образом, вспомогательный разрыв проводит номинальный ток и ток короткого замыкания при отключении. После механического отключения фазы B, сопротивление включения подключается к цепи. Поскольку дуга между разрывами фазы B текла через сопротивление включения 317 мс, а ток дуги составлял примерно 1620 А, согласно расчетам, тепловая емкость, которую выдерживало сопротивление включения, превысила его номинальную емкость. Это привело к перегреву соединительного кольца между сопротивлением включения и вспомогательным разрывом, в конечном итоге вызвав его разрушение, разряд на внешнюю стенку градиентного кольца, что привело к пробою градиентного кольца и потемнению сопротивления.

Анализ причин срабатывания защиты от отказа выключателя

В защите от отказа выключателя, когда элемент тока активирован и соответствует критериям защиты от отказа, защита от отказа будет запущена, если получено входное сигнал отключения защиты и соответствующий фазный ток больше 0,05 In.

Как видно из отчетов 7522, с 775 мс, когда устройство защиты PRS-721S защитного экрана выключателя 7522 получило трехфазный сигнал отключения от устройства защиты IRC-931BM линии Цзиньчуань II, до 925 мс, когда оно отключило местный выключатель из-за отказа, и до 1025 мс, когда оно отключило соседний выключатель из-за отказа, с задержкой 0,15 с для отключения местного выключателя и 0,25 с для отключения соседнего выключателя соответственно, что соответствует логике работы защиты от отказа, и защита сработала правильно, как показано на рисунке 3. На осциллограмме видно, что хотя контакт отключения фазы B выключателя 7522 вернулся в 825 мс, между движущимся и неподвижным контактами все еще тек ток (дуга).

Заключения

• Из-за сильного искажения тока неисправности форма сигнала сместилась к нижней части временной оси. Факт, что форма сигнала не пересекла ноль в течение эффективного времени гашения дуги выключателя, был главной причиной, по которой дуга не погасла. Неудача восстановления изоляции зазора после отключения выключателя и снижение характеристик гашения дуги газа SF₆ были второстепенными причинами, по которым дуга не погасла.

• Не погасшая дуга и выделение остаточного газа из камеры гашения дуги, который вынес дугу, были главными причинами потемнения изолирующего стержня и внешней стенки конденсатора.

• После механического отключения фазы B, сопротивление включения было подключено к цепи. Поскольку дуга между разрывами фазы B текла через сопротивление включения 317 мс, тепловая емкость, которую выдерживало соединение между сопротивлением включения и вспомогательным разрывом, привела к его разрушению, в конечном итоге вызвав его разрушение, разряд на внешнюю стенку градиентного кольца, что привело к пробою градиентного кольца и потемнению сопротивления.

• Наличие тока дуги в фазе B и его соответствие логике работы защиты от отказа выключателя были главными причинами отключения шины.