Analisi e gestione di un guasto dovuto a scarica in un disgiuntore GIS da 550 kV

1.Descrizione del fenomeno di guasto

Il guasto dell'interruttore in un apparecchio GIS da 550 kV si è verificato alle 13:25 del 15 agosto 2024, mentre l'apparecchio stava operando a pieno carico con una corrente di carico di 2500 A. Al momento del guasto, i dispositivi di protezione associati hanno agito prontamente, azionando il relativo interruttore e isolando la linea difettosa. I parametri di funzionamento del sistema sono cambiati significativamente: la corrente della linea è diminuita bruscamente da 2500 A a 0 A, e la tensione della barra è diminuita istantaneamente da 550 kV a 530 kV, fluttuando per circa 3 secondi prima di riprendersi gradualmente a 548 kV e stabilizzarsi. L'ispezione sul posto da parte del personale di manutenzione ha rivelato danni evidenti all'interruttore. È stata trovata una traccia di bruciatura lunga circa 5 cm sulla superficie del bushing isolante. Un punto di scottatura da scarica di circa 3 cm di diametro è apparso alla connessione tra i contatti mobile e fisso, circondato da residui polverosi neri, e alcuni componenti metallici mostravano segni di fusione, indicando un arco elettrico intenso durante il guasto.

2.Analisi delle cause del guasto

2.1 Analisi dei parametri di base dell'equipaggiamento e delle condizioni operative
L'interruttore ha una tensione nominale di 550 kV, una corrente nominale di 3150 A e una corrente di spegnimento di 50 kA. Questi parametri soddisfano i requisiti operativi del sistema a 550 kV in questa sottostazione, assicurando teoricamente un funzionamento affidabile in condizioni normali. L'interruttore era in servizio da 8 anni con 350 operazioni. L'ultima manutenzione è stata eseguita nel giugno 2023, inclusa la lucidatura dei contatti, la lubrificazione, l'aggiustamento del meccanismo e il test della resistenza d'isolamento - tutti i risultati erano conformi alle specifiche al momento. Anche se il numero di operazioni era entro il range normale, l'operazione a lungo termine potrebbe aver introdotto rischi di invecchiamento, potenzialmente portando a difetti latenti durante il servizio successivo.

2.2 Analisi dei test di prestazioni elettriche

I test di resistenza d'isolamento dell'interruttore hanno mostrato una resistenza d'isolamento tra contatti di 1500 MΩ (valore storico: 2500 MΩ; requisito standard: ≥2000 MΩ). La resistenza d'isolamento a terra era 2000 MΩ (valore storico: 3000 MΩ; requisito standard: ≥2500 MΩ). Entrambi i valori erano significativamente inferiori ai dati storici e agli standard, indicando una degradazione delle prestazioni d'isolamento.
I test del fattore di perdita dielettrica (tanδ) a 10 kV hanno dato un valore misurato dello 0,8% (valore storico: 0,5%; requisito standard: ≤0,6%). L'aumento del tanδ suggerisce una possibile infiltrazione di umidità o l'invecchiamento del mezzo d'isolamento, che riduce la forza d'isolamento e aumenta il rischio di rottura dielettrica.

2.3 Analisi dei test di prestazioni meccaniche
Le misurazioni della pressione dei contatti hanno mostrato:

• Fase A: 150 N (valore di progettazione: 200 N, deviazione: –25%)

• Fase B: 160 N (deviazione: –20%)

• Fase C: 140 N (deviazione: –30%)
  Tutte le pressioni dei contatti misurate erano inferiori ai valori di progettazione con grandi deviazioni, probabilmente causando un aumento della resistenza dei contatti, un riscaldamento localizzato e archi elettrici.

L'analisi del meccanismo operativo ha rivelato:

• Tempo di chiusura: 80 ms (intervallo di progettazione: 60–70 ms); deviazione di sincronismo: 10 ms (limite di progettazione: ≤5 ms)

• Tempo di apertura: 75 ms (intervallo di progettazione: 55–65 ms); deviazione di sincronismo: 12 ms (limite di progettazione: ≤5 ms)
  Entrambi i tempi di apertura/chiusura superavano i limiti di progettazione, e le deviazioni di sincronismo erano eccessive, indicando un malfunzionamento del meccanismo che poteva causare un'operazione asincrona dei contatti, portando a riaccensione degli archi elettrici e scariche.

2.4 Analisi complessiva delle cause del guasto
Integrando tutte le scoperte:

• Elettricamente, la riduzione della resistenza d'isolamento e l'aumento del tanδ indicano un deterioramento dell'isolamento, creando le condizioni per una rottura.

• Meccanicamente, la pressione insufficiente dei contatti ha causato un cattivo contatto e un riscaldamento locale, mentre il malfunzionamento del meccanismo ha portato a un'operazione asincrona e alla riaccensione degli archi, aggravando ulteriormente i danni all'isolamento.
  Anche se regolarmente manutenuto, il servizio a lungo termine ha esposto l'equipaggiamento all'invecchiamento, e fattori ambientali come fluttuazioni di temperatura e umidità hanno ulteriormente degradato le prestazioni. Il guasto di flashover dell'interruttore è risultato dall'effetto combinato della degradazione dell'isolamento, anomalie meccaniche e invecchiamento dell'equipaggiamento.

3.Misure di gestione del guasto
3.1 Risposta d'emergenza sul posto
Immediatamente dopo il guasto di flashover, è stato attivato un protocollo di risposta d'emergenza per garantire la sicurezza della rete. L'interruttore difettoso è stato isolato azionando gli interruttori associati, prevenendo l'escalation del guasto. Sono stati ispezionati e regolati i dispositivi di protezione collegati all'interruttore per evitare malfunzionamenti o guasti. La modalità di funzionamento del sistema è stata urgentemente riconfigurata: il carico precedentemente trasportato dalla linea difettosa è stato trasferito in modo fluido a linee sane per mantenere l'approvvigionamento di energia agli utenti critici. Durante questo processo, i parametri del sistema (tensione, corrente, frequenza) sono stati monitorati attentamente per garantire un funzionamento stabile. Sono stati assegnati personale per sicurare il sito del guasto e prevenire l'accesso non autorizzato, evitando incidenti secondari.

3.2 Piano di riparazione dell'equipaggiamento
In base all'analisi delle cause radicate, è stato sviluppato un piano di riparazione dettagliato:

• Per l'isolamento degradato: sostituire e ripristinare i mezzi d'isolamento. Rimuovere i materiali d'isolamento danneggiati, umidi o invecchiati e installare nuovi materiali conformi per ripristinare le prestazioni d'isolamento.

• Per la pressione insufficiente dei contatti: ispezionare e sostituire le molle dei contatti, regolare la pressione dei contatti ai valori di progettazione per minimizzare la resistenza dei contatti e prevenire il surriscaldamento e gli archi elettrici.

• Per i guasti del meccanismo: sostituire i componenti danneggiati e ricalibrare completamente il meccanismo per soddisfare le specifiche di progettazione per il timing e il sincronismo.

3.3 Processo di riparazione e punti tecnici chiave
Le riparazioni sono state eseguite rigorosamente secondo il piano. Il disgiuntore è stato completamente smontato per un'ispezione approfondita al fine di confermare l'entità dei danni. Durante la sostituzione dell'isolamento, l'umidità e la temperatura ambientali sono state controllate per prevenire la contaminazione o l'assorbimento di umidità dai nuovi materiali. L'installazione ha garantito una posizionamento preciso e un'adesione stretta dell'isolamento per evitare vuoti o allentamenti. Le regolazioni della pressione di contatto sono state effettuate utilizzando strumenti tarati per ottenere una forza accurata e uniforme su tutte le fasi. Il rimontaggio e la calibrazione del meccanismo hanno seguito le procedure per garantire un funzionamento fluido e affidabile. Dopo la riparazione, sono stati condotti test completi - resistenza all'isolamento, tanδ, pressione di contatto e prestazioni del meccanismo - tutti soddisfacenti i requisiti prima della rialimentazione.

4.Verifica dell'efficacia della riparazione
4.1 Test post-riparazione
I test completi hanno confermato il ripristino delle prestazioni (vedi Tabella 1):

• Resistenza all'isolamento: tra i contatti è aumentata da 1500 MΩ a 2400 MΩ; la resistenza al terreno è passata da 2000 MΩ a 2800 MΩ - entrambe in linea con gli standard.

• Il tanδ è diminuito dal 0,8% al 0,4%, entro i limiti accettabili, confermando la risoluzione dei problemi legati all'umidità e all'invecchiamento.

• Test di resistenza al campo: prima della riparazione, il cedimento si è verificato a 480 kV (< standard); dopo la riparazione, non si è verificato alcun cedimento a 600 kV - validando il recupero dell'isolamento.

4.2 Monitoraggio e valutazione operativa

Il disconnettore riparato è stato sottoposto a un monitoraggio operativo di 3 mesi. Le temperature dei contatti sono rimaste normali, confermando l'efficacia dell'aggiustamento della pressione dei contatti e il controllo della resistenza di contatto. Le operazioni di commutazione si sono stabilizzate: il tempo di chiusura è stato di 65 ms, l'apertura di 58 ms, con deviazioni di sincronismo ≤3 ms. Non si sono verificati riaccensioni d'arco o scariche. I risultati combinati dei test e del monitoraggio confermano la risoluzione efficace del guasto e l'operatività stabile.

5.Misure preventive e raccomandazioni
Per garantire un'efficiente operatività del GIS e ridurre i rischi di guasti, devono essere implementate strategie di manutenzione rigorose:

• Ispettori regolari: effettuare controlli visivi settimanali e test funzionali mensili da parte di squadre qualificate per rilevare danni o anomalie in anticipo.

• Monitoraggio avanzato delle condizioni: distribuire sistemi di monitoraggio online per il tracciamento in tempo reale delle scariche parziali, della temperatura e della composizione del gas per identificare proattivamente potenziali problemi.

• Test preventivi: eseguire periodicamente test di resistenza d'isolamento e tanδ per valutare la salute elettrica/isolante e prevenire guasti dovuti all'invecchiamento o all'umidità.

• Selezione e installazione degli apparecchi: scegliere attrezzature GIS dimostrate e mature che soddisfino le esigenze operative. Rispettare rigorosamente gli standard di progettazione e costruzione durante l'installazione per garantire l'allineamento corretto e connessioni sicure.

• Messain opera: verificare rigorosamente tutti i parametri di prestazione durante la messa in opera, documentando tutti i dati per futuri riferimenti alla manutenzione.

• Formazione del personale: svolgere regolarmente formazione tecnica ed esercitazioni di emergenza per migliorare la competenza del personale nell'operatività e nella gestione dei guasti, assicurando risposte rapide ed efficaci agli incidenti e salvaguardando la stabilità della rete.

6.Conclusione
Questo articolo presenta un'analisi e una risoluzione riuscite di un guasto di flashover in un disconnettore GIS da 550 kV. La documentazione dettagliata del guasto e i test multidimensionali hanno identificato con precisione le cause radicate. Le misure di risposta d'emergenza e di riparazione implementate hanno risolto efficacemente il problema, validato da test post-riparazione e monitoraggio operativo. Le misure preventive proposte sono mirate e pratiche, offrendo indicazioni preziose per la manutenzione del GIS. Ulteriori ricerche sui meccanismi di guasto del GIS dovrebbero essere approfondite per ulteriormente migliorare la sicurezza e l'affidabilità del sistema di energia.