Analýza příčin a řešení výboje izolačního tyče vypínacího čidlo s nádrží SF₆ o napětí 500 kV

Felix Spark

Pole: Sporo a údržba

China

Jako klíčová součást přerušovačů je izolační tahák důležitou izolační a přenosovou částí zařízení GIS (Gas-Insulated Switchgear). Požaduje se od něj vysoká spolehlivost v oblasti mechanických a elektrických vlastností. Obecně vzato se izolační taháky zřídka poškodí, ale pokud k poruše dojde, mohou mít vážné následky pro přerušovač.

550kV přerušovač v určité elektrárně má jednostranné vodorovné uspořádání, s modelem 550SR-K a hydraulickým ovládacím mechanismem. Má rozrušovací kapacitu 63kA, jmenovité napětí 550kV, jmenovitý proud 4000A, jmenovitý rozrušovací proud 63kA, jmenovitou bleskovou impulzní odolnost 1675kV, jmenovitou přepínací impulzní odolnost 1300kV a jmenovitou síťovou frekvenci odolnost 740kV. Izolační tyč přerušovače je vyrobena z epoxidové pryskyřice, s tloušťkou 15mm, šířkou 40mm a hustotou 1.1 - 1.25g/cm³.

Průběh poruchy

Určitá vodní elektrárna se chystala obnovit předávání energie pro svůj čtvrtý hlavní transformátor. Hlavní elektrické zapojení elektrárny je znázorněno na obrázku 1. Horní počítač nejdříve otevřel přerušovač 5032 a poté otevřel přerušovač 5031. Horní počítač ohlásil signály jako "Alarm otevřeného okruhu TV" a "Nestandardní stav ochranného zařízení přerušovače 5031". Při místním prohlídky bylo zjištěno, že jak ochranné zařízení, tak bezpečnostní řídicí zařízení přerušovače 5031 měli alarm otevřeného okruhu TV. Při prohlídce horního počítače bylo zjištěno, že pro napěťové transformátory v T-zóně přerušovačů 5032 a 5031 platilo $Uab= 0$ , $Uca = 306kV$ a $Ubc = 305kV$ . Místní skutečná prohlídka ukázala, že oba přerušovače 5032 a 5031 byly v otevřeném stavu.

Údržbáři změřili sekundární napětí fáze C 55V a fází A a B 0V na terminální krabičce těla napěťového transformátoru v T-zóně přerušovačů 5032 a 5031. Bylo počátečně zhodnoceno, že došlo k poruše v fázi C přerušovače 5031.

Místní prohlídka situace

Po výskytu poruchy hned začala elektrárna hledat místo poruchy na místě a provádět analýzu příčiny poruchy. Zároveň kontaktovala provinciální dispečink s cílem převést přerušovač 5031 do stavu údržby. Po příjezdu zaměstnanců výrobce přerušovače na místo byl opětovně prozkoumán ovládací mechanismus přerušovače 5031. Bylo zjištěno, že poloha ovládací tyče mechanismu byla v normálním stavu "otevřeno" a žádná neočekávaná situace u mechanismu nebyla detekována, jak je znázorněno na obrázku 2. Bylo počátečně určeno, že porucha byla způsobena interním problémem přerušovače.

S ohledem na to, že uzavírací odpor přerušovače je mnohem menší než zemní odpor, pokud by skutečný interní stav přerušovače byl v uzavřeném stavu, zemní odpor tohoto přerušovače by byl výrazně nižší než u ostatních dvou fází. Zemní odpor třífázového přerušovače 5031 byl změřen bez otevření zemních vypínačů na obou stranách přerušovače. Výsledky měření byly následující: Fáze A 273.3 μΩ, Fáze B 245.8 μΩ a Fáze C 256.0 μΩ. Pro fázi C nebyly zjištěny žádné neočekávané údaje.

Po převedení přerušovače 5031 do stavu údržby byl zahájen proces sběru plynu pro fázi 5031C přerušovače a připraveno k otevření víka pro prohlídku. Horní flanec fáze 5031C přerušovače byl odtažen. Prohlídka ukázala, že pohyblivé a stacionární kontakty tohoto přerušovače byly v normálním otevřeném stavu, celková struktura přerušovače byla nedotčená a nebyly nalezeny žádné cizí předměty ani patrné stopy výboje. Pomocí multimetru byl změřen kontaktový odpor mezi pohyblivými a stacionárními kontakty přerušovače 0.6 Ω (v normálním rozmezí) a neexistoval žádný elektrický spoj mezi pohyblivými a stacionárními kontakty a izolačním tahákem, jak je znázorněno na obrázku 3.

Po odtažení horního flance a opětovném otevření dolního přístupového otvoru přerušovače pro prohlídku byl zjištěn výrazný spálený zápach v plynové komoře. Na dně plynové komory a na místě spodního výbušně odolného membrány byly zjištěny hnědočerné práškovité látky, jak je znázorněno na obrázku 4.

Byl proveden ruční pomalý test uzavírání fáze 5031C přerušovače. Operace uzavírání byla normální a nebyly pozorovány žádné neočekávané jevy. Po dokončení ručního pomalého uzavírání bylo opětovně prozkoumáno vnější tělo přerušovače. Bylo zjištěno, že na izolačním taháku přerušovače byly dvě stopy výboje. Jedna z nich byla zřetelně trhlinovitá, jak je znázorněno na obrázku 5. Na povrchu izolačního taháku byly stopové kanály, které se táhly po celém izolačním taháku.

Po prohlídce izolačního taháku a zjištění, že nejsou nové body výboje, byl proveden ruční pomalý test otevírání fáze 5031C přerušovače. Operace otevírání byla normální. Po dokončení otevírání byl izolační tahák opětovně prozkoumán a stále nebyly zjištěny žádné nové body výboje. K důkladné prohlídce interiéru přerušovače byl použit endoskop a nebyly zjištěny žádné další neočekávané jevy.

Analýza příčiny poruchy

Po odstranění vadného izolačního taháku byl pozorován a změřen. Tahák měl délku 570mm, šířku 40mm a tloušťku 15mm. Celkově na izolačním taháku byly zjištěny dvě zřetelné spálené skvrny, umístěné 182mm a 315mm od konců. Jedna z nich měla trhlinu asi 53mm dlouhou. Na povrchu celého izolačního taháku byly zřetelné stopy kanálu sledování, který spojoval vnitřní otvory na obou koncích taháku.

Izolace vadného izolačního taháku byla změřena. Při měření multimetrem byla izolace mezi sousedními otvory na koncích normální. Izolace mezi dvěma vnitřními otvory na obou koncích byla 1.583MΩ. Při měření odporoměrem byla hodnota odporu 643k&Ω (při napětí 1010V) a izolace mezi dvěma vnějšími otvory na obou koncích byla 1.52T&Ω (při napětí 5259V). Pro normální izolační tahák byla izolace mezi dvěma vnitřními otvory na obou koncích měřená při napětí 5259V větší než 5.26T&Ω.

Na základě výše uvedených výsledků prohlídky lze určit, že izolace izolačního taháku fáze 5031C přerušovače byla proniknutá a ukazovala vodivost pod relativně nízkými napěťovými podmínkami.

Při otevření izolačního taháku fáze 5031C přerušovače pro prohlídku bylo zjištěno, že kromě konců taháku, kde nebyly vidět žádné vzduchové bublinky, byly vnitřní vzduchové bublinky podél kanálu sledování uvnitř taháku, jak je znázorněno na obrázku 6.

Celkové prolomení; druhé, materiál nebo čas tvrdnutí izolačního taháku nebyl v souladu s příslušnými požadavky, což vedlo k nerovnoměrné izolační síle různých částí izolačního taháku. V silném elektrickém poli byly nejprve proniknuty oblasti s nižší izolací, a poté následovaly další oblasti s nižší izolací, což nakonec vedlo k celkovému prolomení izolačního taháku.

Opravné opatření
Obecné opatření

Po stanovení příčiny poruchy fáze 5031C přerušovače uspořádala elektrárna výměnu izolačního taháku fáze C. Po dokončení výměny byla plynová komora evakuována, naplněna plynem na jmenovité tlak 0.45MPa a nechána stát po dobu 24 hodin. Poté byly provedeny rutinní testy, včetně měření vlhkosti v plynové komoře, kontrola uzavíracího odporu, charakteristické testy a detekce uniku plynu. Po úspěšném projití rutinními testy byly provedeny AC odolnostní a částečný výbojový test pro přerušovač 5031 v otevřeném i uzavřeném stavu. Příslušenství bylo znovu nainstalováno a byla podána žádost o obnovení předávání energie.

AC odolnostní a částečný výbojový test

Testovací napětí bylo aplikováno ze záložní linky 3E. Před testem byly sekundární okruhy všech transformátorů proudu (TA) na obou stranách přerušovačů 5031 a 5032 a také všechny TA na záložní lince 3E krátce spojeny a zazemleny na těle. Také byly odstraněny napěťové transformátory v testovaném rozsahu. AC odolnostní a částečný výbojový test byly provedeny postupně, když byl přerušovač 5031 v uzavřeném a otevřeném stavu.

Pro 500kV GIS zařízení v elektrárně, nejvyšší pracovní napětí $U_{m} = 550 kV$ , fázové napětí $U_{m} / 3 = 317 kV$ , tovární testovací napětí $U_{c} = 740 kV$ , a maximální místní odolnostní napětí $U_{f} = U_{c} × 80% = 592 kV$ , s doba trvání $t = 60 s$ .
Jak je znázorněno na obrázku 7, posloupnost testů odolnosti a částečného výboje při uzavření je následující: GIS bylo stárno a čištěno napětím $U_{m} / 3 = 317 kV$ po dobu 5 minut, a sběrnice byla stárno a čištěna napětím $U_{1} = 519 kV$ po dobu 3 minut. AC odolnostní test byl pak zvýšen na $U_{f} = 592 kV$ a udržován po 60 sekund. Napětí bylo pak rychle sníženo na $U_{r} = 381 kV$ , a částečný výboj v plynové komoře přerušovače 5031 byl testován po dobu 3 minut. Po testu bylo napětí rychle sníženo na 0kV.

Jak je znázorněno na obrázku 8, postup testu odolnosti a měření částečného výboje při otevření je následující: Testovací napětí bylo rovnoměrně zvýšeno na $U_{f} = 592 kV$ a udržováno po 60 sekund. Po dokončení testu odolnosti bylo napětí rychle sníženo na $U_{r} = 381 kV$ , a částečný výboj v plynové komoře přerušovače 5031 byl testován. Po testu bylo napětí rychle sníženo na 0kV.