Analisi delle cause e trattamento del guasto di scarica dell'asta isolante dell'interruttore a camera SF₆ da 500kV
Come componente chiave degli interruttori, la barra isolante di trazione è una parte importante di isolamento e trasmissione per l'attrezzatura GIS (Gas-Insulated Switchgear). È richiesta ad avere un'elevata affidabilità in termini di proprietà meccaniche ed elettriche. Generalmente, le barre isolanti di trazione raramente si guastano, ma in caso di malfunzionamento, può avere conseguenze serie per l'interruttore.
L'interruttore da 550kV in una certa centrale elettrica ha un disegno orizzontale a singola interruzione, con il modello 550SR - K e un meccanismo operativo idraulico. Ha una capacità di interruzione di 63kA, una tensione nominale di 550kV, una corrente nominale di 4000A, una corrente di interruzione nominale di 63kA, una tensione di resistenza nominale impulso fulmineo di 1675kV, una tensione di resistenza nominale impulso commutazione di 1300kV, e una tensione di resistenza nominale a frequenza industriale di 740kV. La barra isolante dell'interruttore è fatta di resina epossidica, con uno spessore di 15mm, una larghezza di 40mm, e una densità di 1.1 - 1.25g/cm³.
Processo del Guasto
Una certa centrale idroelettrica stava preparando la ripresa della fornitura di energia per il suo trasformatore principale n. 4. L'impianto elettrico principale della centrale è mostrato nella Figura 1. Il computer superiore aprì prima l'interruttore 5032, e poi l'interruttore 5031. Il computer superiore segnalò allarmi come "Allarme Apertura TV" e "Anomalie nel Dispositivo di Protezione dell'Interruttore 5031". L'ispezione sul posto rivelò che sia il dispositivo di protezione che il dispositivo di sicurezza e controllo dell'interruttore 5031 avevano allarmi di apertura TV. L'ispezione del computer superiore trovò che per i trasformatori di tensione nella zona T degli interruttori 5032 e 5031, Uab= 0, Uca = 306kV, e Ubc = 305kV. L'ispezione sul posto mostrò che entrambi gli interruttori 5032 e 5031 erano in posizione aperta.
Il personale di manutenzione misurò la tensione secondaria della bobina di fase C pari a 55V e quella delle fasi A e B pari a 0V alla scatola terminale del trasformatore di tensione corporeo nella zona T degli interruttori 5032 e 5031. Si giudicò inizialmente che vi fosse un guasto nella fase C dell'interruttore 5031.
Situazione dell'Ispettiva sul Posto
Dopo il guasto, la centrale cercò immediatamente il punto di guasto sul posto e condusse un'analisi della causa del guasto. Contattò anche il centro di smistamento provinciale per trasferire l'interruttore 5031 in stato di manutenzione. Dopo l'arrivo sul sito del personale del produttore dell'interruttore, ispezionarono nuovamente il meccanismo operativo dell'interruttore 5031. Si scoprì che la posizione della barra operativa del meccanismo era in stato normale "aperto", e non si rilevarono anomalie nel meccanismo, come mostrato nella Figura 2. Si determinò preliminarmente che il guasto era causato da un problema interno dell'interruttore.
Considerando che la resistenza di chiusura dell'interruttore è molto inferiore alla resistenza di terra, se lo stato interno effettivo dell'interruttore è in posizione chiusa, la resistenza di terra di questo interruttore sarà significativamente inferiore rispetto alle altre due fasi. Le resistenze di terra dell'interruttore trifase 5031 furono misurate senza aprire gli interruttori di isolamento di terra su entrambi i lati. I risultati della misura furono i seguenti: Fase A 273.3 μΩ, Fase B 245.8 μΩ, e Fase C 256.0 μΩ. Non si rilevarono dati anomali per la Fase C.
Dopo aver messo l'interruttore 5031 in stato di manutenzione, fu avviato il processo di recupero del gas per l'interruttore 5031C, e si prepararono per l'ispezione dell'apertura del coperchio. Fu sollevata la flangia superiore dell'interruttore 5031C. L'ispezione mostrò che i contatti mobili e fissi di questo interruttore erano in posizione aperta normale, la struttura complessiva dell'interruttore era integra, e non si trovarono oggetti estranei o segni di scarica evidenti. Utilizzando un multimetro, la resistenza di contatto tra i contatti mobili e fissi dell'interruttore fu misurata a 0.6 Ω (all'interno del range normale), e non c'era connessione elettrica tra i contatti mobili e fissi e la barra isolante di trazione, come illustrato nella Figura 3.
Dopo aver sollevato nuovamente la flangia superiore e l'accesso inferiore dell'interruttore per l'ispezione, si rilevò un odore di bruciato distinto nella camera di gas. C'erano sostanze polverose marroni scure in fondo alla camera di gas e alla posizione della membrana antiesplosione in fondo, come mostrato nella Figura 4.
Fu eseguito un test di chiusura lenta manuale sull'interruttore 5031C. L'operazione di chiusura fu normale, e non si osservarono fenomeni anomali. Dopo la chiusura manuale, fu ispezionato nuovamente l'esterno del corpo dell'interruttore. Si scoprì che sulla barra isolante di trazione dell'interruttore c'erano due segni di scarica. Uno di essi era chiaramente crepato, come mostrato nella Figura 5. C'erano anche segni di tracking sulla superficie della barra isolante, e questi segni si estendevano lungo tutta la barra isolante.
Dopo aver controllato la barra isolante di trazione e non aver trovato nuovi punti di scarica, fu eseguito un test di apertura lenta manuale sull'interruttore 5031C. L'operazione di apertura fu normale. Dopo l'apertura, la barra isolante di trazione fu ispezionata nuovamente, e ancora non si trovarono nuovi punti di scarica. Un endoscopio fu utilizzato per ispezionare accuratamente l'interno dell'interruttore, e non si rilevarono altri fenomeni anomali.
Analisi della Causa del Guasto
Dopo aver rimosso la barra isolante di trazione difettosa, essa fu osservata e misurata. La barra era lunga 570mm, larga 40mm, e spessa 15mm. C'erano due punti di bruciatura per scarica ben visibili sulla barra isolante, situati rispettivamente a 182mm e 315mm dagli estremi. Uno di essi aveva una crepa di circa 53mm. C'erano tracce evidenti di un canale di tracking sulla superficie della barra isolante, che collegava i fori interni agli estremi della barra.
L'isolamento della barra isolante difettosa fu misurato. Quando misurato con un multimetro, l'isolamento tra i fori adiacenti agli estremi era normale. L'isolamento tra i due fori interni agli estremi era di 1.583MΩ. Quando misurato con un metro di resistenza d'isolamento, il valore di resistenza era 643k&Ω (a una tensione di 1010V), e l'isolamento tra i due fori esterni agli estremi era 1.52T&Ω (a una tensione di 5259V). Per una barra isolante normale, l'isolamento tra i due fori interni agli estremi misurato a una tensione di 5259V era maggiore di 5.26T&Ω.
In base ai risultati dell'ispezione, si può determinare che l'isolamento della barra isolante di trazione dell'interruttore 5031C era stato perforato, e mostrava conduttività sotto condizioni di tensione relativamente bassa.
Quando la barra isolante di trazione dell'interruttore 5031C fu tagliata per l'ispezione, si scoprì che, eccetto gli estremi della barra dove non erano visibili fori d'aria, c'erano lunghi fori d'aria lungo il canale di tracking all'interno della barra, come mostrato nella Figura 6.
Rottura totale; in secondo luogo, la proporzionatura dei materiali o il tempo di indurimento della barra isolante di trazione non soddisfacevano i requisiti pertinenti, causando una forza di isolamento non uniforme in diverse parti della barra isolante. In un campo elettrico forte, le aree con isolamento inferiore venivano perforate per prime, seguite poi da altre aree con isolamento basso, portando infine alla rottura totale della barra isolante.
Misure di Intervento
Misure Generali
Dopo aver determinato la causa del guasto dell'interruttore 5031C, la centrale organizzò la sostituzione della barra isolante di trazione dell'interruttore C. Dopo il completamento della sostituzione, la camera di gas fu evacuata, riempita di gas fino a una pressione nominale di 0.45MPa, e lasciata in attesa per 24 ore. Quindi, furono eseguiti test di routine, inclusa la misurazione del contenuto di umidità nella camera di gas, la verifica della resistenza di chiusura, test caratteristici, e la rilevazione di fughe di gas. Dopo il superamento dei test di routine, furono eseguiti test di resistenza al voltaggio alternato e rilevazione parziale di scariche per l'interruttore 5031 in entrambe le condizioni di apertura e chiusura. Gli accessori furono reinstallati, e fu presentata una richiesta per la ripresa della fornitura di energia.
Test di Resistenza al Voltaggio Alternato e Rilevazione Parziale di Scariche
La tensione di prova fu applicata dalla linea di riserva 3E. Prima del test, i circuiti secondari trifase di tutti i trasformatori di corrente (TA) su entrambi i lati dell'interruttore 5031 e 5032 furono cortocircuitati e messi a terra sul corpo principale. Anche i circuiti secondari di tutti i TA sulla linea di riserva 3E furono cortocircuitati e messi a terra sul corpo principale, e i trasformatori di tensione all'interno dell'intervallo di prova furono rimossi. Furono eseguiti test di resistenza al voltaggio alternato e rilevazione parziale di scariche quando l'interruttore 5031 era in condizioni di chiusura e apertura.
Per l'attrezzatura GIS da 500kV nella centrale, la massima tensione di servizio , la tensione di fase , la tensione di prova in fabbrica , e la massima tensione di resistenza sul posto , con una durata di .
Come mostrato nella Figura 7, la sequenza dei test di resistenza al voltaggio di chiusura e rilevazione parziale di scariche è la seguente: Il GIS fu invecchiato e purificato a una tensione di per 5 minuti, e la busbar fu invecchiata e purificata a una tensione di per 3 minuti. Il test di resistenza al voltaggio alternato fu poi incrementato a e mantenuto per 60 secondi. La tensione fu poi rapidamente ridotta a , e fu testata la rilevazione parziale di scariche della camera di gas dell'interruttore 5031 per 3 minuti. Dopo il test, la tensione fu rapidamente ridotta a 0kV.
Come mostrato nella Figura 8, la procedura del test di resistenza al voltaggio di apertura e misurazione parziale di scariche è la seguente: La tensione di prova fu incrementata uniformemente a e mantenuta per 60 secondi. Dopo il completamento del test di resistenza al voltaggio, la tensione fu rapidamente ridotta a , e fu testata la rilevazione parziale di scariche della camera di gas dell'interruttore 5031. Dopo il test, la tensione fu rapidamente ridotta a 0kV.
Conclusione
La qualità delle barre isolanti di trazione degli interruttori a serbatoio SF₆ da 500kV è di grande importanza per la sicurezza degli interruttori e la sicurezza della rete elettrica. I produttori di attrezzature dovrebbero esercitare un rigoroso controllo di qualità. Prima dell'assemblaggio dell'attrezzatura, dovrebbero essere eseguiti test di rilevazione parziale di scariche sulle barre isolanti di trazione, e, se necessario, possono essere eseguiti controlli dei materiali tramite metodi come la ricerca di difetti. Dopo che gli interruttori sono stati messi in servizio, dovrebbe essere eseguito regolarmente il lavoro di rilevazione parziale di scariche in vivo utilizzando metodi come la frequenza molto alta e l'ultrasuono. Allo stesso tempo, la rilevazione parziale di scariche in vivo offline dovrebbe essere combinata con la manutenzione degli interruttori. Per gli interruttori con livelli anormali di rilevazione parziale di scariche, può essere eseguita contemporaneamente l'analisi dei prodotti di decomposizione del gas SF₆ per diagnosticare la salute dell'isolamento degli interruttori SF₆ in fase iniziale, prevenendo guasti dell'attrezzatura e assicurando il funzionamento sicuro e stabile della rete elettrica.
