Analyse en behandeling van ontladingsschade aan de isolatie trekstang van een 500kV SF₆ tank circuit breaker
Als een belangrijk onderdeel van schakelaars is de isolerende trekstang een belangrijk isolerend en overbrengingsonderdeel van Gas-Geïsoleerde Schakelapparatuur (GIS). Het moet hoge betrouwbaarheid hebben qua mechanische en elektrische eigenschappen. Over het algemeen komen bij isolerende trekstangen zelden storingen voor, maar als er een storing optreedt, kan dit ernstige gevolgen hebben voor de schakelaar.
De 550kV-schakelaar in een bepaald energiecentrum heeft een enkele-break horizontale opstelling, met model 550SR-K en een hydraulische bedieningsmechanisme. Het heeft een doorbraakcapaciteit van 63kA, een nominale spanning van 550kV, een nominale stroom van 4000A, een nominale doorsnijstroom van 63kA, een nominale blikseminslagweerstandsspanning van 1675kV, een nominale schakelimpulsweerstandsspanning van 1300kV en een nominale netfrequentieweerstandsspanning van 740kV. De isolerende stang van de schakelaar is gemaakt van epoxyhars, met een dikte van 15mm, een breedte van 40mm en een dichtheid van 1,1-1,25g/cm³.
Storingproces
Een bepaald waterkrachtcentrum was bezig om de energietoevoer voor zijn hoofdtransformatoren nummer 4 te herstellen. De hoofdelektrische bedrading van het energiecentrum is weergegeven in figuur 1. De bovenliggende computer opende eerst de 5032-schakelaar en vervolgens de 5031-schakelaar. De bovenliggende computer rapporteerde signalen zoals "TV Open Circuit Alarm" en "5031 Schakelaar Beschermingsapparaat Abnormaal". Tijdens de inspectie ter plaatse bleek dat zowel het beschermingsapparaat als het veiligheidscontroleapparaat van de 5031-schakelaar TV open circuit alarm hadden. De inspectie van de bovenliggende computer toonde aan dat voor de spanningsversterkers in de T-zone van de 5032- en 5031-schakelaars, Uab= 0, Uca = 306kV en Ubc = 305kV. De feitelijke inspectie ter plaatse toonde aan dat zowel de 5032- als de 5031-schakelaars in de open positie stonden.
Onderhoudspersoneel mat de secundaire windingsspanning van fase C op 55V en die van fases A en B op 0V aan de terminaldoos van de spanningsversterker in de T-zone van de 5032- en 5031-schakelaars. Het werd in eerste instantie geconcludeerd dat er een storing was in fase C van de 5031-schakelaar.
Inspectiesituatie ter plaatse
Na het optreden van de storing begon het energiecentrum onmiddellijk naar de storingplaats te zoeken en voerde een analyse van de oorzaak van de storing uit. Het contacteerde ook het provinciale dispatchingcentrum om de 5031-schakelaar in de onderhoudstoestand te brengen. Na aankomst van het personeel van de schakelaarfabrikant ter plaatse, inspecteerden ze opnieuw de bedieningsmechanisme van de 5031-schakelaar. Het bleek dat de positie van de bedieningsstang van het mechanisme in de normale "open" staat was, en er werd geen afwijking in het mechanisme gedetecteerd, zoals weergegeven in figuur 2. Het werd voorlopig geconcludeerd dat de storing veroorzaakt werd door een intern probleem van de schakelaar.
Gezien het feit dat de sluitweerstand van de schakelaar veel kleiner is dan de aardingsweerstand, zou de aardingweerstand van deze schakelaar aanzienlijk lager zijn dan die van de andere twee fasen als de daadwerkelijke interne staat van de schakelaar in de gesloten positie is. De aardingweerstanden van de driefase 5031-schakelaar werden gemeten zonder de aardingisolatieschakelaars aan beide zijden te openen. De meetresultaten waren als volgt: Fase A was 273,3 μΩ, Fase B was 245,8 μΩ en Fase C was 256,0 μΩ. Er werden geen afwijkende gegevens gevonden voor Fase C.
Na het plaatsen van de 5031-schakelaar in de onderhoudstoestand, werd het gasrecuperatieproces voor de 5031C-fase schakelaar gestart, en voorbereidingen getroffen voor het openen van de deksel voor inspectie. De bovenste flens van de 5031C-fase schakelaar werd weggehaald. De inspectie toonde aan dat de bewegende en statische contacten van deze schakelaar in de normale open positie stonden, de algemene structuur van de schakelaar intact was, en er werden geen vreemde objecten of duidelijke ontladingssporen gevonden. Met behulp van een multimeter werd de contactweerstand tussen de bewegende en statische contacten van de schakelaar gemeten op 0,6 Ω (binnen de normale bereik), en er was geen elektrische verbinding tussen de bewegende en statische contacten en de isolerende trekstang, zoals weergegeven in figuur 3.
Na het weghalen van de bovenste flens en het opnieuw inspecteren van de onderste toegangsopening van de schakelaar, werd een duidelijke brandlucht in de gasruimte gedetecteerd. Er waren bruin-zwarte poederachtige stoffen aan de bodem van de gasruimte en op de locatie van de onderste explosiebestendige membrane, zoals weergegeven in figuur 4.
Er werd een handmatige langzame sluitingstest uitgevoerd op de 5031C-fase schakelaar. De sluiting werkte normaal, en er werden geen afwijkende verschijnselen waargenomen. Na het voltooien van de handmatige langzame sluiting, werd de buitenkant van de schakelaarlichaam opnieuw geïnspecteerd. Het bleek dat er twee ontladingssporen op de isolerende trekstang van de schakelaar waren. Een daarvan was duidelijk gekraakt, zoals weergegeven in figuur 5. Er waren ook sporen van tracking op de oppervlakte van de isolerende trekstang, en deze sporen strekten zich uit over de hele isolerende trekstang.
Na de inspectie van de isolerende trekstang en het niet vinden van nieuwe ontladingspunten, werd een handmatige langzame openingsproef uitgevoerd op de 5031C-fase schakelaar. De openingsbeweging verliep normaal. Na het voltooien van de opening, werd de isolerende trekstang opnieuw geïnspecteerd, en er werden nog steeds geen nieuwe ontladingspunten gevonden. Een borescope werd gebruikt om de binnenkant van de schakelaar grondig te inspecteren, en er werden geen andere afwijkende verschijnselen gedetecteerd.
Analyse van de oorzaak van de storing
Na het verwijderen van de defecte isolerende trekstang, werd deze geobserveerd en gemeten. De trekstang was 570mm lang, 40mm breed en 15mm dik. Er waren twee duidelijke ontladingbrandplekken op de hele isolerende trekstang, gelegen op 182mm en 315mm van de einden. Eén ervan had een scheur van ongeveer 53mm lang. Er waren duidelijke sporen van een trackingkanaal op de oppervlakte van de hele isolerende trekstang, die de binnenste gaten aan beide einden van de trekstang verbond.
De isolatie van de defecte isolerende trekstang werd gemeten. Toen gemeten met een multimeter, was de isolatie tussen de aangrenzende gaten aan de einden normaal. De isolatie tussen de twee binnenste gaten aan beide einden was 1,583MΩ. Toen gemeten met een isolatieweerstandmeter, was de weerstandswaarde 643k&Ω (bij een spanning van 1010V), en de isolatie tussen de twee buitenste gaten aan beide einden was 1,52T&Ω (bij een spanning van 5259V). Voor een normale isolerende trekstang, was de isolatie tussen de twee binnenste gaten aan beide einden gemeten bij een spanning van 5259V groter dan 5,26T&Ω.
Op basis van de bovengenoemde inspectieresultaten, kan worden vastgesteld dat de isolatie van de isolerende trekstang van de 5031C-fase schakelaar was doorboord en geleidbaarheid toonde onder relatief lage spanningcondities.
Toen de isolerende trekstang van de 5031C-fase schakelaar werd doorgesneden voor inspectie, bleek dat, behalve aan de einden van de trekstang waar geen luchtkanalen zichtbaar waren, er lange luchtkanalen langs het trackingkanaal binnen in de trekstang zaten, zoals weergegeven in figuur 6.
Algemene doorbraak; ten tweede, de materiaalproportie of hardeningstijd van de isolerende trekstang voldeden niet aan de relevante eisen, wat resulteerde in onevenwichtige isolatiesterkte van verschillende delen van de isolerende trekstang. Onder een sterke elektrisch veld, werden de gebieden met lagere isolatie eerst doorboord, en volgden vervolgens andere gebieden met lage isolatie, uiteindelijk leidend tot de algemene doorbraak van de isolerende trekstang.
Afhandelingsmaatregelen
Algemene Afhandeling
Na het bepalen van de oorzaak van de storing van de 5031C-fase schakelaar, regelde het energiecentrum de vervanging van de isolerende trekstang van de C-fase schakelaar. Na het voltooien van de vervanging, werd de gasruimte geëvacueerd, gevuld met gas tot een nominaal druk van 0,45MPa, en 24 uur laten staan. Vervolgens werden routineproeven uitgevoerd, inclusief het meten van de vochtinhoud in de gasruimte, het controleren van de sluitweerstand, het uitvoeren van kenmerkproeven en het uitvoeren van gaslekdetectie. Na het passeren van de routineproeven, werden wisselspanningsdruckproeven en partiële ontladingproeven uitgevoerd voor de 5031-schakelaar in zowel de open als de gesloten staat. De accessoires werden opnieuw geïnstalleerd, en er werd een verzoek ingediend voor het hervatten van de energietoevoer.
Wisselspanningsdruck- en Partiële Ontladingproeven
De proefspanning werd toegepast vanaf de reserveverbinding 3E. Voordat de proef werd uitgevoerd, werden de driefase secundaire circuits van alle stroomversterkers (TAs) aan beide zijden van de 5031-schakelaar en de 5032-schakelaar kortgesloten en aangesloten op de hoofdlichamen. Daarnaast werden de secundaire circuits van alle TAs op de reserveverbinding 3E kortgesloten en aangesloten op de hoofdlichamen, en de spanningsversterkers binnen het proefbereik werden verwijderd. Wisselspanningsdruck- en partiële ontladingproeven werden respectievelijk uitgevoerd toen de 5031-schakelaar in de gesloten en open staat was.
Voor de 500kV GIS-apparatuur in het energiecentrum, was de hoogste werkingsspanning , de fase-spanning , de fabrieksproefspanning , en de maximale ter plaatse drukspanning , met een duur van .
Zoals weergegeven in figuur 7, is de volgorde van de sluitingsdrukproeven en partiële ontladingproeven als volgt: De GIS werd geoudeerd en gezuiverd bij een spanning van voor 5 minuten, en de busbar werd geoudeerd en gezuiverd bij een spanning van voor 3 minuten. De wisselspanningsdrukproef werd vervolgens verhoogd tot en 60 seconden gehandhaafd. De spanning werd vervolgens snel verlaagd tot , en de partiële ontlading van de gasruimte van de 5031-schakelaar werd 3 minuten getest. Na de test werd de spanning snel verlaagd tot 0kV.
Zoals weergegeven in figuur 8, is het procestechnische schema voor de open-circuitdrukproeven en partiële ontladingmetingen als volgt: De proefspanning werd gelijkmatig verhoogd tot en 60 seconden gehandhaafd. Na het voltooien van de drukproef, werd de spanning snel verlaagd tot , en de partiële ontlading van de gasruimte van de 5031-schakelaar werd getest. Na de test werd de spanning snel verlaagd tot 0kV.
Conclusie
De kwaliteit van de isolerende trekstangen van 500kV SF₆ tanktype schakelaars is van groot belang voor de veiligheid van schakelaars en de veiligheid van het elektriciteitsnet. Apparatuurfabricanten moeten strikte kwaliteitscontroles uitvoeren. Voordat apparatuur wordt samengesteld, moeten partiële ontladingproeven worden uitgevoerd op isolerende trekstangen, en indien nodig kunnen materialeninspecties worden uitgevoerd met methoden zoals foutdetectie. Na het in gebruik nemen van de schakelaars, moet regelmatig live partiële ontladingdetectie worden uitgevoerd met methoden zoals zeer hoge frequentie en ultrasoon testing. Tegelijkertijd moet offline partiële ontlading live detectie worden gecombineerd met schakelaaronderhoud. Voor schakelaars met abnormale niveaus van partiële ontlading, kan tegelijkertijd een analyse van SF₆ gasdecompositieproducten worden uitgevoerd om de isolatiegezondheid van SF₆ schakelaars op vroege tijdstippen te diagnosticeren, apparaatstoringen te voorkomen en de veilige en stabiele werking van het elektriciteitsnet te garanderen.
