Analyse und Behandlung eines Durchschlagsentladungsfehlers in einem 550 kV GIS-Abschaltelement

1. Beschreibung des Fehlerphänomens

Der Fehler am Schalter in der 550 kV GIS-Ausrüstung trat am 15. August 2024 um 13:25 Uhr auf, während die Ausrüstung unter voller Last mit einem Laststrom von 2500 A betrieben wurde. Im Moment des Ausfalls reagierten die zugehörigen Schutzgeräte sofort, schalteten den entsprechenden Leistungsschalter aus und isolierten die fehlerhafte Leitung. Die Systembetriebsparameter änderten sich erheblich: Der Leitungsstrom fiel abrupt von 2500 A auf 0 A, und die Busspannung sank sofort von 550 kV auf 530 kV, wobei sie etwa 3 Sekunden lang fluktuieren und dann allmählich auf 548 kV ansteigen und stabilisieren. Eine vor Ort durchgeführte Inspektion durch Wartungspersonal ergab deutliche Schäden am Schalter. Auf der Oberfläche des Isolierstücks wurde eine etwa 5 cm lange Verbrennungsnarbe festgestellt. An der Verbindung zwischen beweglichen und festen Kontakten erschien ein Entladungsbrandfleck mit einem Durchmesser von etwa 3 cm, umgeben von schwarzer puderförmiger Rückstand, und einige Metallkomponenten zeigten Anzeichen für Schmelzen, was auf intensive Bogenentladungen während des Fehlers hindeutet.

2. Analyse der Fehlerursachen

2.1 Analyse der grundlegenden Ausrüstungsparameter und Betriebsbedingungen
Der Schalter hat eine Nennspannung von 550 kV, einen Nennstrom von 3150 A und einen Ausschaltstrom von 50 kA. Diese Parameter entsprechen den Betriebsanforderungen des 550 kV-Systems in diesem Umspannwerk und stellen theoretisch eine zuverlässige Funktion unter normalen Bedingungen sicher. Der Schalter war seit 8 Jahren im Einsatz und hatte 350 Betriebszyklen absolviert. Die letzte Wartung erfolgte im Juni 2023, einschließlich Kontaktpolierung, Schmierung, Mechanikjustierung und Isolationswiderstandstests – alle Ergebnisse entsprachen damals den Vorgaben. Obwohl die Anzahl der Betriebszyklen innerhalb des Normalbereichs lag, könnte langfristiger Betrieb Alterungsrisiken eingeführt haben, die potenziell zu latenten Defekten im weiteren Betrieb führen könnten.

2.2 Analyse der elektrischen Leistungstests

Die Isolationswiderstandstests des Schalters ergaben einen Zwischenkontakt-Isolationswiderstand von 1500 MΩ (historischer Wert: 2500 MΩ; Standardanforderung: ≥2000 MΩ). Der Erd-Isolationswiderstand betrug 2000 MΩ (historischer Wert: 3000 MΩ; Standardanforderung: ≥2500 MΩ). Beide Werte lagen erheblich unter den historischen Daten und Standards, was auf eine verschlechterte Isolierleistung hindeutet.
Der Dämpfungsfaktor (tanδ) bei 10 kV ergab einen gemessenen Wert von 0,8% (historischer Wert: 0,5%; Standardanforderung: ≤0,6%). Der erhöhte tanδ deutet auf mögliche Feuchtigkeitseinträge oder Alterung des Isoliermediums hin, was die Isolierstärke reduziert und das Risiko eines Dielektrikumsdurchschlags erhöht.

2.3 Analyse der mechanischen Leistungstests
Messungen des Kontaktdrucks ergaben:

• Phase A: 150 N (Konstruktionswert: 200 N, Abweichung: –25%)

• Phase B: 160 N (Abweichung: –20%)

• Phase C: 140 N (Abweichung: –30%)
  Alle gemessenen Kontaktdrücke lagen unter den Konstruktionswerten mit großen Abweichungen, was wahrscheinlich zu erhöhtem Kontaktwiderstand, lokaler Überhitzung und Bogenentladungen führte.

Analyse des Betriebsmechanismus ergab:

• Schließzeit: 80 ms (Konstruktionsbereich: 60–70 ms); Synchronisationsabweichung: 10 ms (Konstruktionsgrenze: ≤5 ms)

• Öffnungszeit: 75 ms (Konstruktionsbereich: 55–65 ms); Synchronisationsabweichung: 12 ms (Konstruktionsgrenze: ≤5 ms)
  Sowohl die Öffnungs- als auch die Schließzeiten überschritten die Konstruktionsgrenzen, und die Synchronisationsabweichungen waren zu hoch, was auf einen Mechanikfehler hindeutet, der asynchrone Kontakte/Abtrennungen verursachen und zur Wiederentzündung von Bögen und Entladungen führen kann.

2.4 Komplexe Analyse der Fehlerursachen
Zusammenfassung aller Erkenntnisse:

• Elektrisch gesehen deuten der reduzierte Isolationswiderstand und der erhöhte tanδ auf eine verschlechterte Isolation hin, die Bedingungen für einen Durchschlag schafft.

• Mechanisch gesehen führte der unzureichende Kontaktdruck zu schlechten Kontakten und lokaler Überhitzung, während eine abnormale Mechanikleistung zu asynchronen Operationen und Wiederentzündungen von Bögen führte, was die Isolierschäden verschlimmerte.
  Obwohl regelmäßig gewartet, wurden die Geräte durch langfristigen Betrieb dem Alterungsprozess ausgesetzt, und Umweltfaktoren wie Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen verschlechterten die Leistung weiter. Der Blitzschlagfehler des Schalters resultierte aus dem Kombinationseffekt von Isolierungsverschlechterung, mechanischen Anomalien und Gerätealterung.

3. Maßnahmen zur Fehlerbehebung
3.1 Sofortmaßnahmen vor Ort
Unmittelbar nach dem Blitzschlagfehler wurde ein Notfallprotokoll aktiviert, um die Netzwerksicherheit zu gewährleisten. Der defekte Schalter wurde durch Abschalten der zugehörigen Leistungsschalter isoliert, um eine Eskalation des Fehlers zu verhindern. Die an den Schalter gekoppelten Schutzgeräte wurden überprüft und justiert, um Fehlfunktionen oder Versagen zu vermeiden. Das Systembetriebsmodus wurde dringend neu konfiguriert: Die Last, die ursprünglich über die defekte Leitung getragen wurde, wurde nahtlos auf gesunde Leitungen umgeschaltet, um die Stromversorgung für wichtige Nutzer aufrechtzuerhalten. Während dieses Prozesses wurden die Systemparameter (Spannung, Strom, Frequenz) sorgfältig überwacht, um eine stabile Betriebsweise sicherzustellen. Personal wurde eingesetzt, um den Unfallort zu sichern und unbefugten Zugang zu verhindern, um sekundäre Vorfälle zu vermeiden.

3.2 Reparaturplan für die Ausrüstung
Auf Basis der Ursachenanalyse wurde ein detaillierter Reparaturplan entwickelt:

• Für verschlechterte Isolation: Austausch und Wiederherstellung der Isoliermedien. Entfernen beschädigter, feuchter oder alter Isoliermaterialien und Einbau neuer, vorschriftsmäßiger Materialien, um die Isolierleistung wiederherzustellen.

• Für unzureichenden Kontaktdruck: Prüfung und Austausch der Kontaktfedern, Justierung des Kontaktdrucks auf Konstruktionswerte, um den Kontaktwiderstand zu minimieren und Überhitzungen/Bögen zu vermeiden.

• Für Mechanikfehler: Austausch beschädigter Komponenten und vollständige Neukalibrierung der Mechanik, um die Designvorgaben für Zeit und Synchronisation zu erfüllen.

3.3 Reparaturprozess und technische Schlüsselpunkte
Die Reparaturen wurden strikt nach Plan durchgeführt. Der Schalter wurde vollständig demontiert, um eine gründliche Prüfung zur Bestätigung des Schadensumfangs durchzuführen. Bei der Isolierstoffersatzarbeit wurden Luftfeuchtigkeit und Temperatur kontrolliert, um die Kontamination oder Feuchtigkeitsaufnahme neuer Materialien zu vermeiden. Die Montage sorgte für eine präzise Positionierung und feste Verbindung des Isolierstoffs, um Hohlräume oder Lockerheiten zu vermeiden. Für die Anpassung des Kontaktdrucks wurden kalibrierte Werkzeuge verwendet, um eine genaue und gleichmäßige Kraft auf allen Phasen sicherzustellen. Die Wiederaufbau- und Kalibrierungsarbeiten am Mechanismus erfolgten gemäß den Vorschriften, um einen reibungslosen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Nach der Reparatur wurden umfassende Tests durchgeführt – Isolationswiderstand, tanδ, Kontaktdruck und Mechanismusleistung –, alle erfüllten die Standards vor der Wiederenergieversorgung.

4. Überprüfung der Reparaturwirksamkeit
4.1 Testungen nach der Reparatur
Umfasrende Tests bestätigten die wiederhergestellte Leistung (siehe Tabelle 1):

• Isolationswiderstand: zwischen den Kontakten stieg dieser von 1500 MΩ auf 2400 MΩ; der Erdwiderstand erhöhte sich von 2000 MΩ auf 2800 MΩ – beide erfüllen die Standards.

• tanδ sank von 0,8% auf 0,4%, innerhalb der akzeptablen Grenzen, was die Behebung von Feuchtigkeits- und Alterungsproblemen bestätigt.

• Spannungsfestigkeitstest: vor der Reparatur trat ein Durchschlag bei 480 kV (< Standard) auf; nach der Reparatur trat kein Durchschlag bei 600 kV auf – dies bestätigt die Wiederherstellung der Isolation.

4.2 Betriebsüberwachung und Bewertung

Der reparierte Abschalter wurde über einen Zeitraum von 3 Monaten betriebsmäßig überwacht. Die Kontaktemperaturen blieben normal, was eine effektive Anpassung des Kontaktdrucks und eine kontrollierte Kontaktwiderstand bestätigt. Die Schaltvorgänge stabilisierten sich: die Ein- und Ausschaltzeiten betrugen 65 ms bzw. 58 ms, mit Synchronisationsabweichungen ≤3 ms. Es trat weder ein Wiederentzünden noch ein Entladung auf. Die kombinierten Test- und Überwachungsergebnisse bestätigen eine erfolgreiche Fehlerbehebung und einen stabilen Betrieb.

5. Präventive Maßnahmen und Empfehlungen
Um einen effizienten GIS-Betrieb sicherzustellen und das Fehlerrisiko zu reduzieren, müssen strenge Wartungsstrategien umgesetzt werden:

• Regelmäßige Inspektionen: Durchführen Sie wöchentliche visuelle Prüfungen und monatliche Funktionsprüfungen durch qualifizierte Teams, um Schäden oder Anomalien frühzeitig zu erkennen.

• Erweiterte Zustandsüberwachung: Setzen Sie Online-Überwachungssysteme für die Echtzeitverfolgung von Teilentladungen, Temperaturen und Gaszusammensetzung ein, um potenzielle Probleme proaktiv zu identifizieren.

• Präventives Testen: Führen Sie periodische Isolationswiderstands- und tanδ-Tests durch, um den elektrischen/Isolationszustand zu beurteilen und altersbedingte oder feuchtigkeitsbedingte Ausfälle zu verhindern.

• Auswahl und Installation der Ausrüstung: Wählen Sie bewährte, reifere GIS-Ausrüstung, die den Betriebsanforderungen entspricht. Halten Sie bei der Installation streng an den Planungs- und Bauvorschriften, um eine korrekte Ausrichtung und sichere Verbindungen sicherzustellen.

• Inbetriebnahme: Überprüfen Sie alle Leistungsparameter während der Inbetriebnahme sorgfältig und dokumentieren Sie alle Daten für zukünftige Wartungsreferenzen.

• Ausbildung des Personals: Führen Sie regelmäßig technische Schulungen und Notfallübungen durch, um die Fachkompetenz des Personals in Bezug auf den Betrieb und die Störungsbehebung zu verbessern, um schnelle und effektive Reaktionen auf Vorfälle zu gewährleisten und die Netzstabilität zu schützen.

6. Schlussfolgerung
Dieser Artikel präsentiert eine erfolgreiche Analyse und Behebung eines Blitzdurchschlags in einem 550 kV GIS-Abschalter. Eine detaillierte Dokumentation des Fehlers und multidimensionale Tests ermöglichten eine genaue Identifizierung der Ursachen. Umgesetzte Notfallmaßnahmen und Reparaturmaßnahmen lösten das Problem effektiv, was durch Nachreparaturtests und betriebliche Überwachung bestätigt wurde. Die vorgeschlagenen präventiven Maßnahmen sind gezielt und praktikabel und bieten wertvolle Anleitung für die GIS-Wartung. Zukünftige Arbeiten sollten die Forschung zu GIS-Fehlermechanismen vertiefen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromnetzes weiter zu verbessern.