Análisis de la causa y tratamiento de la falla por descarga del aislante del varilla de tracción en el interruptor de tanque SF₆ de 500kV
Como un componente clave de los interruptores, la varilla aislante es una parte importante de aislamiento y transmisión del equipo GIS (Gas-Insulated Switchgear). Se requiere que tenga alta confiabilidad en términos de propiedades mecánicas y eléctricas. Generalmente, las varillas aislantes rara vez fallan, pero si ocurre un fallo, puede tener consecuencias graves para el interruptor.
El interruptor de 550kV en una cierta estación de energía tiene un arreglo horizontal de un solo punto de interrupción, con el modelo 550SR-K y un mecanismo de operación hidráulico. Tiene una capacidad de interrupción de 63kA, un voltaje nominal de 550kV, una corriente nominal de 4000A, una corriente nominal de interrupción de 63kA, un voltaje nominal de resistencia al impulso de rayo de 1675kV, un voltaje nominal de resistencia al impulso de conmutación de 1300kV y un voltaje nominal de resistencia a frecuencia industrial de 740kV. La varilla aislante del interruptor está hecha de resina epoxi, con un grosor de 15mm, un ancho de 40mm y una densidad de 1.1 - 1.25g/cm³.
Proceso de Fallo
Una cierta central hidroeléctrica se preparaba para reanudar la transmisión de energía para su transformador principal No. 4. El cableado eléctrico principal de la central se muestra en la Figura 1. La computadora superior primero abrió el interruptor 5032 y luego abrió el interruptor 5031. La computadora superior reportó señales como "Alarma de Circuito Abierto en TV" y "Anomalía en el Dispositivo de Protección del Interruptor 5031". La inspección en el lugar reveló que tanto el dispositivo de protección como el dispositivo de control de seguridad del interruptor 5031 tenían alarmas de circuito abierto en TV. La inspección de la computadora superior encontró que, para los transformadores de voltaje en la zona T de los interruptores 5032 y 5031, Uab= 0, Uca = 306kV y Ubc = 305kV. La inspección real en el lugar mostró que ambos interruptores 5032 y 5031 estaban en posición abierta.
El personal de mantenimiento midió el voltaje de la bobina secundaria de la fase C en 55V y el de las fases A y B en 0V en la caja terminal del transformador de voltaje en la zona T de los interruptores 5032 y 5031. Se juzgó inicialmente que había un fallo en la fase C del interruptor 5031.
Situación de Inspección en el Lugar
Después de que ocurrió el fallo, la central buscó inmediatamente el punto de fallo en el lugar y realizó un análisis de la causa del fallo. También contactaron al centro de despacho provincial para transferir el interruptor 5031 al estado de mantenimiento. Después de que el personal del fabricante del interruptor llegó al lugar, volvieron a inspeccionar el mecanismo de operación del interruptor 5031. Se descubrió que la posición de la varilla de operación del mecanismo estaba en el estado normal "abierto" y no se detectaron anomalías en el mecanismo, como se muestra en la Figura 2. Se determinó preliminarmente que el fallo fue causado por un problema interno del interruptor.
Considerando que la resistencia de cierre del interruptor es mucho menor que la resistencia de tierra, si el estado interno real del interruptor está en posición cerrada, la resistencia de tierra de este interruptor será significativamente menor que la de las otras dos fases. Se midieron las resistencias de tierra del interruptor trifásico 5031 sin abrir los interruptores de aislamiento de tierra en ambos lados. Los resultados de la medición fueron los siguientes: Fase A 273.3 μΩ, Fase B 245.8 μΩ y Fase C 256.0 μΩ. No se detectaron datos anormales para la Fase C.
Después de que el interruptor 5031 fue puesto en el estado de mantenimiento, se inició el proceso de recuperación de gas para el interruptor de la fase C 5031, y se preparó para abrir la cubierta para la inspección. Se retiró la flange superior del interruptor de la fase C 5031. La inspección mostró que los contactos móviles y fijos de este interruptor estaban en la posición abierta normal, la estructura general del interruptor estaba intacta y no se encontraron objetos extraños ni marcas de descarga obvias. Usando un multímetro, se midió la resistencia de contacto entre los contactos móviles y fijos del interruptor en 0.6 Ω (dentro del rango normal), y no había conexión eléctrica entre los contactos móviles y fijos y la varilla aislante, como se muestra en la Figura 3.
Después de levantar la flange superior y volver a inspeccionar la abertura inferior del interruptor, se detectó un olor distintivo a quemado en la cámara de gas. Había sustancias polvorientas marrón-negras en el fondo de la cámara de gas y en la ubicación de la membrana antideflagrante inferior, como se muestra en la Figura 4.
Se realizó una prueba de cierre lento manual en el interruptor de la fase C 5031. La operación de cierre fue normal y no se observaron fenómenos anormales. Después de completar el cierre manual, se volvió a inspeccionar el exterior del cuerpo del interruptor. Se descubrió que había dos marcas de descarga en la varilla aislante del interruptor. Una de ellas estaba claramente agrietada, como se muestra en la Figura 5. También había marcas de seguimiento en la superficie de la varilla aislante, y estas marcas se extendían a lo largo de toda la varilla aislante.
Después de verificar la varilla aislante y no encontrar nuevos puntos de descarga, se realizó una prueba de apertura lenta manual en el interruptor de la fase C 5031. La operación de apertura fue normal. Después de completar la apertura, se volvió a inspeccionar la varilla aislante y no se encontraron nuevos puntos de descarga. Se utilizó un endoscopio para inspeccionar completamente el interior del interruptor y no se detectaron otros fenómenos anormales.
Análisis de la Causa del Fallo
Después de retirar la varilla aislante defectuosa, se observó y midió. La varilla tenía 570mm de largo, 40mm de ancho y 15mm de grosor. Había dos puntos de descarga quemados distintos en toda la varilla aislante, ubicados a 182mm y 315mm de los extremos respectivamente. Uno de ellos tenía una grieta de aproximadamente 53mm de longitud. Había trazas obvias de un canal de seguimiento en la superficie de toda la varilla aislante, que conectaba los orificios internos en ambos extremos de la varilla.
Se midió el aislamiento de la varilla aislante defectuosa. Cuando se midió con un multímetro, el aislamiento entre los orificios adyacentes en los extremos era normal. El aislamiento entre los dos orificios internos en ambos extremos era de 1.583MΩ. Cuando se midió con un medidor de resistencia de aislamiento, el valor de resistencia era de 643k&Ω (a un voltaje de 1010V), y el aislamiento entre los dos orificios externos en ambos extremos era de 1.52T&Ω (a un voltaje de 5259V). Para una varilla aislante normal, el aislamiento entre los dos orificios internos en ambos extremos medido a un voltaje de 5259V era mayor que 5.26T&Ω.
Basándose en los resultados de la inspección anterior, se puede determinar que el aislamiento de la varilla aislante del interruptor de la fase C 5031 había sido perforado y mostraba conductividad bajo condiciones de voltaje relativamente bajo.
Cuando se cortó la varilla aislante del interruptor de la fase C 5031 para su inspección, se descubrió que, excepto en los extremos de la varilla donde no se veían orificios de aire, había orificios de aire largos a lo largo del canal de seguimiento dentro de la varilla, como se muestra en la Figura 6.
Descomposición total; en segundo lugar, la proporción de materiales o el tiempo de curado de la varilla aislante no cumplió con los requisitos pertinentes, lo que resultó en una resistencia aislante desigual en diferentes partes de la varilla aislante. En un campo eléctrico fuerte, las áreas con menor aislamiento se perforaron primero, seguidas por otras áreas de bajo aislamiento, lo que finalmente llevó a la descomposición total de la varilla aislante.
Medidas de Manejo
Manejo General
Después de determinar la causa del fallo del interruptor de la fase C 5031, la central programó el reemplazo de la varilla aislante del interruptor de la fase C. Después de completar el reemplazo, se evacuó la cámara de gas, se llenó con gas hasta una presión nominal de 0.45MPa y se dejó en reposo durante 24 horas. Luego, se realizaron pruebas de rutina, incluyendo la medición del contenido de humedad en la cámara de gas, la verificación de la resistencia de cierre, pruebas de características y detección de fugas de gas. Después de que las pruebas de rutina pasaron, se realizaron pruebas de resistencia a voltaje alterno y descargas parciales para el interruptor 5031 tanto en estado abierto como cerrado. Se reinstalaron los accesorios y se presentó una solicitud para reanudar la transmisión de energía.
Pruebas de Resistencia a Voltaje Alterno y Descargas Parciales
El voltaje de prueba se aplicó desde la línea de respaldo 3E. Antes de la prueba, los circuitos secundarios trifásicos de todos los transformadores de corriente (TA) en ambos lados del interruptor 5031 y del interruptor 5032 se cortocircuitaron y se aterraron en el cuerpo principal. Además, los circuitos secundarios de todos los TA en la línea de respaldo 3E se cortocircuitaron y se aterraron en el cuerpo principal, y se retiraron los transformadores de voltaje dentro del rango de prueba. Se realizaron pruebas de resistencia a voltaje alterno y descargas parciales respectivamente cuando el interruptor 5031 estaba en estado cerrado y abierto.
Para el equipo GIS de 500kV en la central, el voltaje operativo máximo , el voltaje de fase , el voltaje de prueba de fábrica , y el voltaje de resistencia máximo en el lugar , con una duración de .
Como se muestra en la Figura 7, la secuencia de las pruebas de resistencia a voltaje de cierre y descargas parciales es la siguiente: El GIS se envejeció y purificó a un voltaje de durante 5 minutos, y la barra de bus se envejeció y purificó a un voltaje de durante 3 minutos. Luego, la prueba de resistencia a voltaje alterno se incrementó a y se mantuvo durante 60 segundos. Luego, el voltaje se redujo rápidamente a , y se probó la descarga parcial de la cámara de gas del interruptor 5031 durante 3 minutos. Después de la prueba, el voltaje se redujo rápidamente a 0kV.
Como se muestra en la Figura 8, el procedimiento de prueba para la resistencia a voltaje en circuito abierto y la medición de descargas parciales es el siguiente: El voltaje de prueba se incrementó uniformemente a y se mantuvo durante 60 segundos. Después de completar la prueba de resistencia a voltaje, el voltaje se redujo rápidamente a , y se probó la descarga parcial de la cámara de gas del interruptor 5031. Después de la prueba, el voltaje se redujo rápidamente a 0kV.
Conclusión
La calidad de las varillas aislantes de los interruptores de tipo tanque SF₆ de 500kV es de gran importancia para la seguridad de los interruptores y la seguridad de la red eléctrica. Los fabricantes de equipos deben ejercer un estricto control de calidad. Antes del ensamblaje del equipo, se deben realizar pruebas de descargas parciales en las varillas aislantes, y se pueden llevar a cabo inspecciones de materiales utilizando métodos como la detección de defectos si es necesario. Después de que los interruptores se ponen en operación, se debe realizar regularmente la detección de descargas parciales en vivo utilizando métodos como la frecuencia muy alta y la ultrasonido. Al mismo tiempo, la detección de descargas parciales en vivo fuera de línea debe combinarse con el mantenimiento del interruptor. Para los interruptores con niveles anormales de descargas parciales, se pueden realizar simultáneamente análisis de productos de descomposición del gas SF₆ para diagnosticar la salud del aislamiento de los interruptores SF₆ en etapas tempranas, prevenir fallos de equipos y garantizar la operación segura y estable de la red eléctrica.
