Analyse und Behandlung von Entladungsfehlern an der Isolierstange eines 500kV SF₆-Tank-Schalters
Als ein wesentlicher Bestandteil von Schaltgeräten ist der isolierende Zugstift ein wichtiges Isolier- und Übertragungsteil der Gas-isolierten Schaltanlagen (GIS). Er muss eine hohe Zuverlässigkeit in Bezug auf mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen. Im Allgemeinen treten an isolierenden Zugstäben selten Fehlfunktionen auf, doch wenn sie auftreten, können sie ernsthafte Folgen für das Schaltgerät haben.
Der 550kV-Schalter in einem bestimmten Kraftwerk hat eine Einzelunterbrechung mit horizontaler Anordnung, Modell 550SR-K und eine hydraulische Betriebsvorrichtung. Er hat eine Unterbrechungskapazität von 63kA, eine Nennspannung von 550kV, einen Nennstrom von 4000A, einen Nennunterbrechungsstrom von 63kA, eine Nennblitzimpulswiderstandsspannung von 1675kV, eine Nennschaltimpulswiderstandsspannung von 1300kV und eine Nennnetzfrequenzwiderstandsspannung von 740kV. Der Isolierstab des Schalters besteht aus Epoxidharz, hat eine Dicke von 15mm, eine Breite von 40mm und eine Dichte von 1,1-1,25g/cm³.
Störungsablauf
Ein bestimmtes Wasserkraftwerk bereitete sich darauf vor, die Stromversorgung für den Haupttransformator Nr. 4 wieder aufzunehmen. Die Hauptelektrik des Kraftwerks ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Obercomputer öffnete zunächst den Schalter 5032 und dann den Schalter 5031. Der Obercomputer meldete Signale wie "TV-Offen-Schutz" und "Schutzgerät des Schalters 5031 fehlerhaft". Eine Ortseinsicht ergab, dass sowohl das Schutzgerät als auch das Sicherheitssteuergerät des Schalters 5031 TV-Offen-Schutzmeldungen hatten. Die Prüfung durch den Obercomputer zeigte, dass für die Spannungswandler im T-Bereich der Schalter 5032 und 5031, Uab= 0, Uca = 306kV und Ubc = 305kV. Die Ortseinsicht zeigte, dass sowohl der Schalter 5032 als auch der Schalter 5031 in der offenen Position waren.
Das Wartungspersonal maß am Endkasten des Spannungswandlers im T-Bereich der Schalter 5032 und 5031 die Sekundärwicklungsspannung der Phase C als 55V und die Phasen A und B als 0V. Es wurde zunächst vermutet, dass es einen Fehler in der Phase C des Schalters 5031 gab.
Ortseinsichtsbericht
Nach dem Auftreten des Fehlers suchte das Kraftwerk sofort nach dem Fehlerpunkt und führte eine Ursachenanalyse durch. Es kontaktierte auch das Provinzleitstellendienstzentrum, um den Schalter 5031 in den Wartungsmodus zu versetzen. Nachdem die Fachkräfte des Schaltgeräteherstellers am Ort eintrafen, untersuchten sie erneut die Betriebsvorrichtung des Schalters 5031. Es stellte sich heraus, dass die Position des Betriebsstabs der Vorrichtung in der normalen "offenen" Stellung war und keine Abnormitäten in der Vorrichtung festgestellt wurden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Es wurde vorläufig festgestellt, dass der Fehler durch ein internes Problem des Schalters verursacht wurde.
Da der Schlusswiderstand des Schalters weitaus geringer ist als der Erdwiderstand, wäre der Erdwiderstand dieses Schalters, falls der tatsächliche interne Zustand des Schalters in der geschlossenen Stellung wäre, signifikant geringer als der der beiden anderen Phasen. Die Erdwiderstände des dreiphasigen Schalters 5031 wurden gemessen, ohne die Erdtrennschalter auf beiden Seiten des Schalters zu öffnen. Die Messergebnisse waren wie folgt: Phase A 273,3 μΩ, Phase B 245,8 μΩ und Phase C 256,0 μΩ. Keine abnormen Daten wurden für Phase C festgestellt.
Nachdem der Schalter 5031 in den Wartungsmodus versetzt wurde, wurde der Gasrückgewinnungsprozess für den Schalter 5031C-Phase eingeleitet, und Vorbereitungen für die Öffnung des Deckels getroffen. Das obere Flanschstück des Schalters 5031C-Phase wurde abgehoben. Die Prüfung zeigte, dass die beweglichen und statischen Kontakte dieses Schalters in der normalen offenen Stellung waren, die Gesamtstruktur des Schalters intakt war und keine Fremdkörper oder offensichtlichen Entladungsspuren gefunden wurden. Mit einem Multimeter wurde der Kontaktwiderstand zwischen den beweglichen und statischen Kontakten des Schalters gemessen, der 0,6 Ω betrug (im Normalbereich), und es gab keine elektrische Verbindung zwischen den beweglichen und statischen Kontakten und dem isolierenden Zugstab, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Nachdem das obere Flanschstück und das untere Zugangloch des Schalters erneut entfernt wurden, wurde ein deutlicher Brandgeruch im Gaskammern bemerkt. Es gab braune-schwarze puderförmige Substanzen am Boden der Gaskammer und an der Stelle des bodenseitigen Explosionssicherheitsmembrans, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Ein manueller langsamer Schließtest wurde am Schalter 5031C-Phase durchgeführt. Der Schließvorgang war normal, und keine abnormen Phänomene wurden beobachtet. Nach Abschluss des manuellen langsamem Schließens wurde der Außenbereich des Schalterkörpers erneut geprüft. Es stellte sich heraus, dass es zwei Entladungsmarkierungen auf dem isolierenden Zugstab des Schalters gab. Einer davon war offensichtlich gerissen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Es gab auch Spuren auf der Oberfläche des isolierenden Zugstabs, die sich über den gesamten isolierenden Zugstab erstreckten.
Nach der Prüfung des isolierenden Zugstabs und dem Feststellen, dass keine neuen Entladungspunkte vorhanden waren, wurde ein manueller langsamer Öffnungstest am Schalter 5031C-Phase durchgeführt. Der Öffnungsvorgang war normal. Nach Abschluss der Öffnung wurde der isolierende Zugstab erneut geprüft, und immer noch keine neuen Entladungspunkte wurden gefunden. Ein Boreskop wurde verwendet, um den Innenraum des Schalters gründlich zu prüfen, und keine anderen abnormen Phänomene wurden festgestellt.
Fehlerursachenanalyse
Nachdem der defekte isolierende Zugstab entfernt wurde, wurde er beobachtet und gemessen. Der Zugstab war 570mm lang, 40mm breit und 15mm dick. Es gab zwei deutliche Entladungsverbrennungen auf dem gesamten isolierenden Zugstab, die sich 182mm und 315mm von den Enden entfernt befanden. Einer davon hatte einen Riss von etwa 53mm Länge. Es gab offensichtliche Spuren eines Leitungskanals auf der Oberfläche des gesamten isolierenden Zugstabs, der die innenseitigen Löcher an beiden Enden des Zugstabs verband.
Die Isolation des defekten isolierenden Zugstabs wurde gemessen. Bei der Messung mit einem Multimeter war die Isolation zwischen benachbarten Löchern an den Enden normal. Die Isolation zwischen den beiden innenseitigen Löchern an beiden Enden betrug 1,583MΩ. Bei der Messung mit einem Isolationswiderstandsmeßgerät betrug der Widerstandswert 643k&Ω (bei einer Spannung von 1010V), und die Isolation zwischen den beiden äußeren Löchern an beiden Enden betrug 1,52T&Ω (bei einer Spannung von 5259V). Für einen normalen isolierenden Zugstab betrug die Isolation zwischen den beiden innenseitigen Löchern bei einer Spannung von 5259V mehr als 5,26T&Ω.
Basierend auf den obigen Prüfergebnissen kann festgestellt werden, dass die Isolation des isolierenden Zugstabs des Schalters 5031C-Phase durchstoßen war und unter relativ niedrigen Spannungsbedingungen leitfähig war.
Bei der Durchschnittsprüfung des isolierenden Zugstabs des Schalters 5031C-Phase stellte sich heraus, dass, abgesehen von den Enden des Zugstabs, wo keine Luftlöcher sichtbar waren, lange Luftlöcher entlang des Leitungskanals innerhalb des Zugstabs vorhanden waren, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Gesamter Durchschlag; zweitens, die Materialzusammensetzung oder die Härtezeit des isolierenden Zugstabs entsprachen nicht den relevanten Anforderungen, was zu ungleichmäßiger Isolationsstärke verschiedener Teile des isolierenden Zugstabs führte. Unter starkem elektrischem Feld wurden die Bereiche mit geringerer Isolation zuerst durchgeschlagen, gefolgt von anderen Bereichen mit geringerer Isolation, was letztendlich zum gesamten Durchschlag des isolierenden Zugstabs führte.
Maßnahmen
Allgemeine Maßnahmen
Nachdem die Fehlerursache des Schalters 5031C-Phase festgestellt wurde, arrangierte das Kraftwerk den Austausch des isolierenden Zugstabs des C-Phasenschalters. Nach Abschluss des Austauschs wurde die Gaskammer evakuiert, mit Gas bis zu einem Nenndruck von 0,45MPa befüllt und 24 Stunden stehen gelassen. Dann wurden Routineprüfungen durchgeführt, einschließlich der Messung des Feuchtigkeitsgehalts in der Gaskammer, der Prüfung des Schlusswiderstands, der Durchführung von Charakteristikenprüfungen und der Durchführung von Gasleckageprüfung. Nachdem die Routineprüfungen bestanden wurden, wurden Wechselstrom-Festigkeitsprüfungen und Teilentladungsprüfungen für den Schalter 5031 sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand durchgeführt. Die Zubehörteile wurden neu installiert, und ein Antrag zur Wiederaufnahme der Stromversorgung wurde gestellt.
Wechselstrom-Festigkeits- und Teilentladungsprüfungen
Die Prüfspannung wurde von der Ersatzleitung 3E angelegt. Vor der Prüfung wurden alle Dreiphasen-Sekundärkreise der Stromwandler (TAs) auf beiden Seiten des Schalters 5031 und 5032 sowie der Ersatzleitung 3E kurzgeschlossen und an der Hauptmaschine geerdet. Auch wurden die Spannungswandler im Prüfbereich entfernt. Wechselstrom-Festigkeits- und Teilentladungsprüfungen wurden jeweils durchgeführt, wenn der Schalter 5031 im geschlossenen und offenen Zustand war.
Für die 550kV-GIS-Ausrüstung im Kraftwerk betrugen die höchste Arbeitsspannung , die Phasenspannung , die Fabrikprüfspannung und die maximale ortsfeste Festigkeitsspannung , mit einer Dauer von .
Wie in Abbildung 7 dargestellt, ist die Reihenfolge der Schließfestigkeits- und Teilentladungsprüfungen wie folgt: Die GIS wurde bei einer Spannung von für 5 Minuten alteriert und gereinigt, und die Busleitung wurde bei einer Spannung von für 3 Minuten alteriert und gereinigt. Die Wechselstrom-Festigkeitsprüfung wurde dann auf erhöht und 60 Sekunden gehalten. Die Spannung wurde dann schnell auf reduziert, und die Teilentladung der Gaskammer des Schalters 5031 wurde für 3 Minuten geprüft. Nach der Prüfung wurde die Spannung schnell auf 0kV reduziert.
Wie in Abbildung 8 dargestellt, ist der Prüfablauf für die Offenkreis-Festigkeits- und Teilentladungsprüfung wie folgt: Die Prüfspannung wurde gleichmäßig auf erhöht und 60 Sekunden gehalten. Nach Abschluss der Festigkeitsprüfung wurde die Spannung schnell auf reduziert, und die Teilentladung der Gaskammer des Schalters 5031 wurde geprüft. Nach der Prüfung wurde die Spannung schnell auf 0kV reduziert.
Fazit
Die Qualität der isolierenden Zugstäbe von 500kV SF₆-Tank-Schaltgeräten ist von großer Bedeutung für die Sicherheit der Schaltgeräte und die Sicherheit des Stromnetzes. Hersteller von Ausrüstungen sollten eine strenge Qualitätskontrolle durchführen. Vor der Montage der Ausrüstungen sollten Teilentladungsprüfungen an den isolierenden Zugstäben durchgeführt werden, und Materialprüfungen können notfalls mit Methoden wie Flaw-Detection durchgeführt werden. Nach der Inbetriebnahme der Schaltgeräte sollten regelmäßige lebende Teilentladungsprüfungen mit Methoden wie sehr hohe Frequenz und Ultraschall durchgeführt werden. Gleichzeitig sollte die lebende Teilentladungsprüfung mit der Wartung der Schaltgeräte kombiniert werden. Für Schaltgeräte mit abnormen Teilentladungspegeln kann gleichzeitig eine Analyse der Zersetzungsprodukte von SF₆-Gas durchgeführt werden, um die Isolationsgesundheit von SF₆-Schaltgeräten frühzeitig zu diagnostizieren, um Gerätefehler zu verhindern und die sichere und stabile Betriebsweise des Stromnetzes sicherzustellen.
