Analiza przyczyn i obsługa awarii wyładowania izolacyjnej tyczki odciągu w obwodzie przerzutnika SF₆ 500kV
Jako kluczowy element wyłączników, izolujący wałek jest ważną częścią izolującą i przesyłową sprzętu GIS (Gas-Insulated Switchgear). Wymagane jest wysokie niezawodność w zakresie właściwości mechanicznych i elektrycznych. Ogólnie rzecz biorąc, izolujące wałki rzadko ulegają uszkodzeniom, ale w przypadku awarii mogą mieć poważne konsekwencje dla wyłącznika.
550kV wyłącznik w pewnej elektrowni ma jednoprzerwowe poziome ułożenie, model 550SR - K i hydrauliczny mechanizm napędowy. Ma on zdolność przerwania 63kA, znamionowe napięcie 550kV, znamionową prąd 4000A, znamionowy prąd przerwania 63kA, znamionowe napięcie wytrzymałości na impuls grzmotu 1675kV, znamionowe napięcie wytrzymałości na impuls przełączania 1300kV oraz znamionowe napięcie wytrzymałości na częstotliwość sieciową 740kV. Izolujący wałek wyłącznika wykonany jest z żywicy epoksydowej, o grubości 15mm, szerokości 40mm i gęstości 1,1 - 1,25g/cm³.
Przebieg Awarii
Pewna elektrownia wodna przygotowywała się do wznowienia dostawy energii dla swojego głównego transformatora nr 4. Główny układ elektryczny elektrowni przedstawiony jest na Rysunku 1. Najpierw komputer nadzorczy otworzył wyłącznik 5032, a następnie wyłącznik 5031. Komputer nadzorczy zgłosił sygnały takie jak "Alarm otwartego obwodu TV" i "Nieprawidłowość urządzenia ochronnego wyłącznika 5031". Podczas inspekcji na miejscu stwierdzono, że zarówno urządzenie ochronne, jak i urządzenie bezpieczeństwa wyłącznika 5031 miały alarm otwartego obwodu TV. Inspekcja komputera nadzorczego wykazała, że dla transformatorów napięcia w strefie T wyłączników 5032 i 5031, Uab= 0, Uca = 306kV oraz Ubc = 305kV. Faktyczna inspekcja na miejscu wykazała, że zarówno wyłączniki 5032, jak i 5031 były w pozycji otwartej.
Personel serwisowy zmierzył napięcie drugiego zwinięcia fazy C na 55V, a faz A i B na 0V w skrzynce końcowej ciałka transformatora napięcia w strefie T wyłączników 5032 i 5031. Początkowo stwierdzono, że istnieje uszkodzenie fazy C wyłącznika 5031.
Stan Inspekcji na Miejscu
Po wystąpieniu awarii elektrownia natychmiast rozpoczęła poszukiwania miejsca uszkodzenia na miejscu i przeprowadziła analizę przyczyny awarii. Skontaktowała się również z prowincjonalnym centrum dystrybucji, aby przenieść wyłącznik 5031 do stanu konserwacji. Po przybyciu personelu producenta wyłączników na miejsce ponownie sprawdzono mechanizm napędowy wyłącznika 5031. Stwierdzono, że pozycja wałka napędowego mechanizmu była w normalnym stanie "otwarty", a żadnych nietypowych anomalii w mechanizmie nie wykryto, jak pokazano na Rysunku 2. Wstępnie stwierdzono, że uszkodzenie wynikało z wewnętrznego problemu wyłącznika.
Z uwagi na to, że opór zamykający wyłącznika jest znacznie mniejszy niż opór ziemny, jeśli rzeczywista wewnętrzna pozycja wyłącznika jest zamknięta, opór ziemny tego wyłącznika będzie znacznie niższy niż w dwóch innych fazach. Opory ziemne trójfazowego wyłącznika 5031 zostały zmierzone bez otwierania odosobniających przełączników ziemnych po obu stronach wyłącznika. Wyniki pomiarów były następujące: faza A wyniosła 273,3 μΩ, faza B 245,8 μΩ i faza C 256,0 μΩ. Nie wykryto nietypowych danych dla fazy C.
Po wprowadzeniu wyłącznika 5031 do stanu konserwacji rozpoczęto proces odzyskiwania gazu dla fazy C wyłącznika 5031, przygotowując się do otwarcia pokrywy do inspekcji. Górna flanka wyłącznika fazy C 5031 została poddana podnoszeniu. Inspekcja wykazała, że ruchome i nieruchome kontakty tego wyłącznika były w normalnej pozycji otwartej, całość struktury wyłącznika była kompletna, a nie wykryto obcych obiektów ani widocznych śladów rozładowania. Z użyciem multimetru zmierzono opór kontaktowy między ruchomymi i nieruchomymi kontaktami wyłącznika na 0,6 Ω (w granicach normalnych), a nie było połączenia elektrycznego między ruchomymi i nieruchomymi kontaktami a izolującym wałkiem, jak pokazano na Rysunku 3.
Po ponownym podniesieniu górnej flanki i dolnego otworu dostępowego wyłącznika do inspekcji wykryto wyraźny zapach spalenizny w komorze gazowej. Na dnie komory gazowej i w miejscu membrany przeciwpożarowej na dole znajdowały się brązowo-czarne proszkowe substancje, jak pokazano na Rysunku 4.
Przeprowadzono ręczny test wolnego zamykania wyłącznika fazy C 5031. Operacja zamykania była normalna, a nie zaobserwowano żadnych nietypowych zjawisk. Po zakończeniu ręcznego wolnego zamykania ponownie przeprowadzono inspekcję zewnętrzną ciała wyłącznika. Stwierdzono, że na izolującym wałku wyłącznika były dwa ślady rozładowania. Jeden z nich był wyraźnie pęknięty, jak pokazano na Rysunku 5. Na powierzchni izolującego wałka były także ślady śledzenia, które rozciągały się przez cały izolujący wałek.
Po sprawdzeniu izolującego wałka i stwierdzeniu braku nowych punktów rozładowania, przeprowadzono ręczny test wolnego otwierania wyłącznika fazy C 5031. Operacja otwierania była normalna. Po zakończeniu otwierania ponownie sprawdzono izolujący wałek, a nie wykryto nowych punktów rozładowania. Użyto endoskopu do dokładnej inspekcji wnętrza wyłącznika, a nie wykryto innych nietypowych zjawisk.
Analiza Przyczyny Awarii
Po zdjęciu uszkodzonego izolującego wałka został on obserwowany i mierzony. Wałek miał długość 570mm, szerokość 40mm i grubość 15mm. Na całym izolującym wałku były dwa wyraźne punkty spalone przez rozładowanie, położone odpowiednio 182mm i 315mm od końców. Jeden z nich miał pęknięcie o długości około 53mm. Na powierzchni całego izolującego wałka były wyraźne ślady kanału śledzenia, łączące wewnętrzne otwory na obu końcach wałka.
Izolacja uszkodzonego izolującego wałka została zmierzona. Gdy zmierzono ją multimetrem, izolacja między sąsiednimi otworami na końcach była normalna. Izolacja między dwoma wewnętrznymi otworami na obu końcach wyniosła 1,583MΩ. Gdy zmierzono ją omometrem, wartość rezystancji wyniosła 643kΩ (pod napięciem 1010V), a izolacja między dwoma zewnętrznymi otworami na obu końcach wyniosła 1,52T&Ω; (pod napięciem 5259V). Dla normalnego izolującego wałka, izolacja między dwoma wewnętrznymi otworami na obu końcach, zmierzona pod napięciem 5259V, była większa niż 5,26T&Ω;.
Na podstawie powyższych wyników inspekcji można stwierdzić, że izolacja izolującego wałka wyłącznika fazy C 5031 została przebita i pokazywała przewodność pod względnie niskim napięciem.
Gdy izolujący wałek wyłącznika fazy C 5031 został przekrojony do inspekcji, stwierdzono, że oprócz końców wałka, gdzie nie było widać otworów powietrznych, wewnątrz wałka były długie otwory powietrzne wzdłuż kanału śledzenia, jak pokazano na Rysunku 6.
Całkowite przebicie; po drugie, proporcje materiałów lub czas twardnienia izolującego wałka nie spełniały odpowiednich wymogów, co skutkowało nierównomierną siłą izolacji różnych części izolującego wałka. W silnym polu elektrycznym obszary o niższej izolacji były pierwsze przebijane, a następnie inne obszary o niższej izolacji, co ostatecznie doprowadziło do całkowitego przebicia izolującego wałka.
Zarządzanie Awarią
Ogólne Zarządzanie
Po ustaleniu przyczyny awarii wyłącznika fazy C 5031, elektrownia zorganizowała wymianę izolującego wałka wyłącznika fazy C. Po zakończeniu wymiany komora gazowa została wydechowana, napełniona gazem do znamionowego ciśnienia 0,45MPa i pozostawiona na 24 godziny. Następnie przeprowadzono rutynowe testy, w tym pomiary zawartości wilgoci w komorze gazowej, sprawdzenie oporu zamykającego, badania charakterystyk i detekcję przecieków gazu. Po zaliczeniu rutynowych testów przeprowadzono testy wytrzymałości na napięcie przemiennego prądu i lokalizację rozładowań cząstkowych dla wyłącznika 5031 w obu stanach, zamkniętym i otwartym. Akcesoria zostały ponownie zamontowane, a wniesiono wniosek o wznowienie dostawy energii.
Testy Wytrzymałości na Napięcie Przemiennego Prądu i Lokalizacja Rozładowań Cząstkowych
Napięcie testowe zostało zastosowane z rezerwowej linii 3E. Przed testem wszystkie trójfazowe obwody wtórne transformatorów prądowych (TA) po obu stronach wyłączników 5031 i 5032 zostały krótkozamknięte i zazemione na korpusie. Ponadto wszystkie obwody wtórne TA na rezerwowej linii 3E zostały krótkozamknięte i zazemione na korpusie, a transformatory napięcia w zakresie testu zostały usunięte. Testy wytrzymałości na napięcie przemiennego prądu i lokalizacji rozładowań cząstkowych zostały przeprowadzone odpowiednio, gdy wyłącznik 5031 był w stanie zamkniętym i otwartym.
Dla sprzętu GIS 500kV w elektrowni, najwyższe napięcie robocze , napięcie fazowe , napięcie testowe fabryczne , a maksymalne napięcie wytrzymałości na miejscu , z czasem trwania .
Jak pokazano na Rysunku 7, sekwencja testów wytrzymałości na napięcie przemiennego prądu i lokalizacji rozładowań cząstkowych jest następująca: GIS został starowany i oczyszczony pod napięciem przez 5 minut, a szyna główna została starowana i oczyszczona pod napięciem przez 3 minuty. Następnie napięcie testowe wytrzymałości na napięcie przemiennego prądu zostało zwiększone do i utrzymane przez 60 sekund. Następnie napięcie zostało szybko obniżone do , a rozładowania cząstkowe komory gazowej wyłącznika 5031 zostały przetestowane przez 3 minuty. Po zakończeniu testu napięcie zostało szybko obniżone do 0kV.
Jak pokazano na Rysunku 8, procedura testu wytrzymałości na napięcie otwartego obwodu i pomiaru rozładowań cząstkowych jest następująca: napięcie testowe zostało równomiernie zwiększone do i utrzymane przez 60 sekund. Po zakończeniu testu wytrzymałości na napięcie napięcie zostało szybko obniżone do , a rozładowania cząstkowe komory gazowej wyłącznika 5031 zostały przetestowane. Po zakończeniu testu napięcie zostało szybko obniżone do 0kV.
Podsumowanie
Jakość izolujących wałków wyłączników typu zbiornikowego 500kV SF₆ ma ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa wyłączników i bezpieczeństwa sieci energetycznej. Producentom sprzętu należy stosować surową kontrolę jakości. Przed montażem sprzętu powinny być przeprowadzane testy rozładowań cząstkowych izolujących wałków, a w razie potrzeby można przeprowadzać kontrole materiałowe metodami takimi jak badania nieniszczące. Po wprowadzeniu wyłączników do eksploatacji powinno się regularnie przeprowadzać prace diagnostyczne rozładowań cząstkowych metodami takimi jak VHF i ultradźwiękowe. Jednocześnie offline testy rozładowań cząstkowych powinny być łączone z konserwacją wyłączników. Dla wyłączników z nietypowymi poziomami rozładowań cząstkowych można jednocześnie przeprowadzać analizę produktów rozkładu SF₆, aby diagnozować zdrowie izolacji wyłączników SF₆ na wczesnym etapie, zapobiegając awariom sprzętu i zapewniając bezpieczną i stabilną pracę sieci energetycznej.
