Análise e tratamento da causa de falha por descarga do varão de isolamento do disjuntor de tanque SF₆ de 500kV
Como um componente-chave dos disjuntores, a haste isolante é uma parte importante de isolamento e transmissão do equipamento GIS (Gas-Insulated Switchgear). É necessário ter alta confiabilidade em termos de propriedades mecânicas e elétricas. Geralmente, as hastes isolantes raramente apresentam falhas, mas, quando ocorre uma falha, pode ter consequências graves para o disjuntor.
O disjuntor de 550kV em uma certa estação de energia tem um arranjo horizontal de interrupção única, com o modelo 550SR - K e um mecanismo de operação hidráulico. Tem capacidade de interrupção de 63kA, tensão nominal de 550kV, corrente nominal de 4000A, corrente nominal de interrupção de 63kA, tensão nominal de resistência ao impulso atmosférico de 1675kV, tensão nominal de resistência ao impulso de chaveamento de 1300kV e tensão nominal de resistência à frequência industrial de 740kV. A haste isolante do disjuntor é feita de resina epóxi, com espessura de 15mm, largura de 40mm e densidade de 1.1 - 1.25g/cm³.
Processo de Falha
Uma certa usina hidrelétrica estava preparando-se para retomar a transmissão de energia para seu transformador principal número 4. A ligação elétrica principal da usina é mostrada na Figura 1. O computador superior primeiro abriu o disjuntor 5032 e, em seguida, abriu o disjuntor 5031. O computador superior reportou sinais como "Alarme de Circuito Aberto no TV" e "Dispositivo de Proteção do Disjuntor 5031 Anormal". A inspeção no local revelou que tanto o dispositivo de proteção quanto o dispositivo de controle de segurança do disjuntor 5031 tinham alarmes de circuito aberto no TV. A inspeção do computador superior constatou que, para os transformadores de tensão na zona T dos disjuntores 5032 e 5031, Uab= 0, Uca = 306kV e Ubc = 305kV. A inspeção real no local mostrou que ambos os disjuntores 5032 e 5031 estavam na posição aberta.
Os técnicos de manutenção mediram a tensão da bobina secundária da fase C como 55V e das fases A e B como 0V na caixa de terminais do transformador de tensão na zona T dos disjuntores 5032 e 5031. Foi inicialmente julgado que havia uma falha na fase C do disjuntor 5031.
Situação da Inspeção no Local
Após a ocorrência da falha, a usina imediatamente buscou o ponto de falha no local e realizou uma análise da causa da falha. Também entrou em contato com o centro de despacho provincial para transferir o disjuntor 5031 para o estado de manutenção. Após a chegada dos técnicos do fabricante do disjuntor ao local, eles inspecionaram novamente o mecanismo de operação do disjuntor 5031. Verificou-se que a posição da haste de operação do mecanismo estava no estado normal de "aberto" e não foi detectada nenhuma anormalidade no mecanismo, conforme mostrado na Figura 2. Foi preliminarmente determinado que a falha foi causada por um problema interno do disjuntor.
Considerando que a resistência de fechamento do disjuntor é muito menor que a resistência de aterramento, se o estado interno real do disjuntor estiver na posição fechada, a resistência de aterramento deste disjuntor será significativamente menor que a das outras duas fases. As resistências de aterramento do disjuntor 5031 trifásico foram medidas sem abrir os interruptores de aterramento isolantes de ambos os lados do disjuntor. Os resultados da medição foram os seguintes: a fase A foi 273.3 μΩ, a fase B foi 245.8 μΩ e a fase C foi 256.0 μ&Ω;. Não foram detectados dados anormais na fase C.
Após o disjuntor 5031 ser colocado no estado de manutenção, o processo de recuperação de gás para o disjuntor 5031C da fase C foi iniciado, e preparações foram feitas para a abertura da tampa para inspeção. A flange superior do disjuntor 5031C da fase C foi içada. A inspeção mostrou que os contatos móveis e fixos deste disjuntor estavam na posição aberta normal, a estrutura geral do disjuntor estava intacta e nenhum objeto estranho ou marcas óbvias de descarga foram encontradas. Usando um multímetro, a resistência de contato entre os contatos móveis e fixos do disjuntor foi medida em 0.6 Ω (dentro do intervalo normal), e não havia conexão elétrica entre os contatos móveis e fixos e a haste isolante, conforme ilustrado na Figura 3.
Após a remoção da flange superior e a inspeção novamente pela abertura inferior do disjuntor, um odor distinto de queimado foi detectado na câmara de gás. Havia substâncias em pó marrons-escuras no fundo da câmara de gás e na localização da membrana anti-explosão inferior, conforme mostrado na Figura 4.
Foi realizado um teste de fechamento lento manual no disjuntor 5031C da fase C. A operação de fechamento foi normal e nenhuma anomalia foi observada. Após a conclusão do fechamento lento manual, o exterior do corpo do disjuntor foi inspecionado novamente. Foi encontrado que havia duas marcas de descarga na haste isolante do disjuntor. Uma delas estava claramente rachada, conforme mostrado na Figura 5. Havia também marcas de trilha na superfície da haste isolante, e essas marcas se estendiam por toda a haste isolante.
Após a verificação da haste isolante e a constatação de que não havia novos pontos de descarga, foi realizado um teste de abertura lenta manual no disjuntor 5031C da fase C. A operação de abertura foi normal. Após a conclusão da abertura, a haste isolante foi inspecionada novamente e ainda não foram encontrados novos pontos de descarga. Um endoscópio foi usado para inspecionar completamente o interior do disjuntor, e nenhuma outra anomalia foi detectada.
Análise da Causa da Falha
Após a remoção da haste isolante defeituosa, ela foi observada e medida. A haste tinha 570mm de comprimento, 40mm de largura e 15mm de espessura. Havia dois pontos de queima por descarga distintos em toda a haste isolante, localizados a 182mm e 315mm dos extremos, respectivamente. Um deles tinha uma rachadura aproximadamente de 53mm de comprimento. Havia marcas óbvias de um canal de trilha na superfície de toda a haste isolante, que conectava os orifícios internos nos dois extremos da haste.
A isolação da haste isolante defeituosa foi medida. Quando medida com um multímetro, a isolação entre os orifícios adjacentes nos extremos era normal. A isolação entre os dois orifícios internos nos dois extremos era de 1.583MΩ. Quando medida com um medidor de resistência de isolação, o valor da resistência era de 643k&Ω (em uma tensão de 1010V), e a isolação entre os dois orifícios externos nos dois extremos era de 1.52T&Ω (em uma tensão de 5259V). Para uma haste isolante normal, a isolação entre os dois orifícios internos nos dois extremos medida em uma tensão de 5259V era maior que 5.26T&Ω.
Com base nos resultados da inspeção acima, pode-se concluir que a isolação da haste isolante do disjuntor 5031C da fase C foi perfurada e mostrou condutividade sob condições de tensão relativamente baixa.
Quando a haste isolante do disjuntor 5031C da fase C foi cortada para inspeção, foi constatado que, exceto pelos extremos da haste onde não eram visíveis orifícios de ar, havia orifícios de ar longos ao longo do canal de trilha dentro da haste, conforme mostrado na Figura 6.
Quebra total; segundo, a proporção de materiais ou o tempo de cura da haste isolante não atendeu aos requisitos relevantes, resultando em força de isolação desigual em diferentes partes da haste isolante. Sob um campo elétrico forte, as áreas com isolação mais baixa foram perfuradas primeiro, e depois outras áreas de baixa isolação seguiram, levando eventualmente à quebra total da haste isolante.
Medidas de Tratamento
Tratamento Geral
Após a determinação da causa da falha do disjuntor 5031C da fase C, a usina organizou a substituição da haste isolante do disjuntor da fase C. Após a conclusão da substituição, a câmara de gás foi evacuada, preenchida com gás até uma pressão nominal de 0.45MPa e deixada em repouso por 24 horas. Em seguida, foram realizados testes de rotina, incluindo a medição do teor de umidade na câmara de gás, a verificação da resistência de fechamento, a realização de testes de características e a detecção de vazamentos de gás. Após a aprovação dos testes de rotina, foram realizados testes de resistência a tensão alternada e de descarga parcial para o disjuntor 5031 em ambas as posições, aberta e fechada. Os acessórios foram reinstalados, e um pedido de retomada da transmissão de energia foi submetido.
Testes de Resistência a Tensão Alternada e de Descarga Parcial
A tensão de teste foi aplicada a partir da linha de reserva 3E. Antes do teste, os três circuitos secundários de todos os transformadores de corrente (TAs) de ambos os lados do disjuntor 5031 e do disjuntor 5032 foram encurtados e aterrados no corpo principal. Além disso, os circuitos secundários de todos os TAs na linha de reserva 3E foram encurtados e aterrados no corpo principal, e os transformadores de tensão dentro do alcance do teste foram removidos. Testes de resistência a tensão alternada e de descarga parcial foram realizados respectivamente quando o disjuntor 5031 estava nas posições fechada e aberta.
Para o equipamento GIS de 500kV na usina, a tensão de operação máxima , a tensão de fase , a tensão de teste de fábrica , e a tensão máxima de resistência no local , com duração de .
Conforme mostrado na Figura 7, a sequência dos testes de resistência a tensão de fechamento e de descarga parcial é a seguinte: o GIS foi envelhecido e purificado em uma tensão de por 5 minutos, e a barra foi envelhecida e purificada em uma tensão de por 3 minutos. O teste de resistência a tensão alternada foi então aumentado para e mantido por 60 segundos. A tensão foi então rapidamente reduzida para , e a descarga parcial da câmara de gás do disjuntor 5031 foi testada por 3 minutos. Após o teste, a tensão foi rapidamente reduzida para 0kV.
Conforme mostrado na Figura 8, o procedimento de teste de resistência a tensão em circuito aberto e medição de descarga parcial é o seguinte: a tensão de teste foi uniformemente aumentada para e mantida por 60 segundos. Após a conclusão do teste de resistência a tensão, a tensão foi rapidamente reduzida para , e a descarga parcial da câmara de gás do disjuntor 5031 foi testada. Após o teste, a tensão foi rapidamente reduzida para 0kV.
Conclusão
A qualidade das hastes isolantes dos disjuntores de tanque SF₆ de 500kV é de grande importância para a segurança dos disjuntores e da rede elétrica. Os fabricantes de equipamentos devem exercer um rigoroso controle de qualidade. Antes da montagem do equipamento, devem ser realizados testes de descarga parcial nas hastes isolantes, e, se necessário, podem ser realizadas inspeções de material usando métodos como a detecção de falhas. Após a entrada em operação dos disjuntores, devem ser realizados regularmente trabalhos de detecção de descarga parcial em vivo, usando métodos como frequência muito alta e ultrassom. Ao mesmo tempo, a detecção de descarga parcial em linha deve ser combinada com a manutenção do disjuntor. Para disjuntores com níveis anormais de descarga parcial, pode-se realizar simultaneamente a análise dos produtos de decomposição do gás SF₆ para diagnosticar a saúde da isolação dos disjuntores SF₆ em estágio inicial, prevenindo falhas de equipamentos e garantindo a operação segura e estável da rede elétrica.
