550kV GIS分離装置における破壊放電故障の分析と対処

1.故障现象の説明

550 kV GIS装置の分離器故障は、2024年8月15日午後1時25分に発生しました。このとき、装置は負荷電流2500 Aでフルロード状態で動作していました。故障発生時に、関連する保護装置が迅速に動作し、対応する遮断器をトリップして故障線路を隔離しました。システム動作パラメータは大きく変化しました：線路電流は2500 Aから0 Aへ急激に低下し、バス電圧は550 kVから530 kVへ瞬時に減少し、約3秒間フラクチャリングした後、徐々に548 kVまで回復し安定しました。メンテナンススタッフによる現場調査では、分離器に明らかな損傷が見られました。絶縁ブッシングの表面には約5 cmの長さの焼け跡があり、可動接点と固定接点の接続部には直径約3 cmの放電焼け跡が現れ、その周囲には黒い粉状の残留物が確認され、一部の金属部品には溶融痕があり、故障時の強烈なアーク放電を示していました。

2.故障原因分析

2.1 基本的な設備パラメータと動作条件の分析
分離器は、定格電圧550 kV、定格電流3150 A、切断電流50 kAの仕様を持っています。これらのパラメータは、この変電所の550 kVシステムの動作要件を満たしており、理論的には正常条件下での信頼性のある動作を保証しています。分離器は8年間稼働し、350回の操作がありました。最近のメンテナンスは2023年6月に行われ、接触面の研磨、潤滑、機構調整、絶縁抵抗試験が行われ、その時点ですべての結果が規格を満たしていました。操作回数は通常範囲内でしたが、長期の動作により劣化リスクが導入され、その後の運用中に潜在的な欠陥が生じる可能性があります。

2.2 電気性能試験分析

分離器の絶縁抵抗試験では、接触間の絶縁抵抗が1500 MΩ（歴史的値：2500 MΩ；標準要求：≥2000 MΩ）でした。接地絶縁抵抗は2000 MΩ（歴史的値：3000 MΩ；標準要求：≥2500 MΩ）でした。両方の値は歴史的データと標準よりも大幅に低く、絶縁性能の低下を示しています。
10 kVでの誘電体損失係数（tanδ）試験では、測定値が0.8%（歴史的値：0.5%；標準要求：≤0.6%）でした。tanδの上昇は、絶縁媒体への湿気侵入または老化の可能性を示しており、絶縁強度が低下し、誘電体破壊のリスクが増加します。

2.3 機械性能試験分析
接触圧力の測定結果は以下の通りです：

• A相：150 N（設計値：200 N、偏差：–25%）

• B相：160 N（偏差：–20%）

• C相：140 N（偏差：–30%）
  すべての測定された接触圧力は設計値より低く、大きな偏差があり、接触抵抗の増加、局所的な過熱、アーク放電を引き起こす可能性があります。

動作機構の分析では：

• 閉鎖時間：80 ms（設計範囲：60–70 ms）；同期偏差：10 ms（設計限界：≤5 ms）

• 開放時間：75 ms（設計範囲：55–65 ms）；同期偏差：12 ms（設計限界：≤5 ms）
  開閉時間は設計限界を超えており、同期偏差も過大であり、機構の故障が非同期な接触/分離を引き起こし、アーク再燃と放電を引き起こす可能性があります。

2.4 総合的な故障原因分析
すべての発見を統合すると：

• 電気的に、絶縁抵抗の低下とtanδの増加は絶縁の劣化を示し、破壊の条件を作り出します。

• 機械的に、接触圧力の不足は不良な接触と局所的な加熱を引き起こし、異常な機構性能は非同期動作とアーク再燃を引き起こし、絶縁損傷を悪化させます。
  定期的なメンテナンスが行われましたが、長期の使用により装置は劣化に曝され、温度や湿度の変動などの環境要因により性能がさらに低下しました。分離器のフラッシュオーバー故障は、絶縁の劣化、機械的な異常、および装置の劣化の複合効果によるものです。

3.故障処置措置
3.1 現場緊急対応
フラッシュオーバー故障直後、グリッドの安全性を確保するために緊急対応プロトコルが活性化されました。故障した分離器は関連する遮断器をトリップすることで隔離され、故障の拡大を防ぎました。分離器に関連する保護装置は検査され調整され、誤動作や故障を避けるための措置が講じられました。システム動作モードは緊急に再構成され、故障線路が持っていた負荷は健全な線路に順調に転送され、重要なユーザーへの電力供給が維持されました。この過程で、システムパラメータ（電圧、電流、周波数）は密接に監視され、安定した動作が確保されました。作業員は故障現場を確保し、不適切なアクセスを防ぎ、二次的な事故を避けました。

3.2 設備修繕計画
根本原因分析に基づいて、詳細な修繕計画が策定されました：

• 絶縁の劣化に対する対策：絶縁メディアを交換・復元します。損傷、湿った、または老朽化した絶縁材料を取り除き、新しい適合する材料を設置して絶縁性能を回復します。

• 接触圧力の不足に対する対策：接触ばねを検査し交換し、接触圧力を設計値に調整して接触抵抗を最小限に抑え、過熱やアーク放電を防止します。

• 機構の故障に対する対策：損傷した部品を交換し、機構を完全に再調整してタイミングと同期に関する設計仕様を満たします。

3.3 修理プロセスと主要な技術ポイント
修理は計画に従って厳密に行われました。分離装置は完全に分解され、損傷の程度を確認するために徹底的な検査が行われました。絶縁体の交換中には、新素材の汚染や水分吸収を防ぐために、周囲の湿度と温度が制御されました。インストール時には、空洞や緩みを避けるために、絶縁体の正確な位置付けとしっかりと結合することが確認されました。接触圧力の調整には、全相で正確かつ均一な力を確保するため、キャリブレーション済みのツールを使用しました。機構の再組み立てとキャリブレーションは、手順に従って滑らかで信頼性のある動作を保証するために行われました。修理後、断熱抵抗、tanδ、接触圧力、機構性能に関する包括的なテストが実施され、再電源投入前にすべての基準を満たしていました。

4.修理効果の検証
4.1 修理後のテスト
包括的なテストにより、復元された性能が確認されました（表1参照）：

• 断熱抵抗：接触間では1500 MΩから2400 MΩへ、接地抵抗では2000 MΩから2800 MΩへ上昇し、どちらも基準を満たしています。

• tanδは0.8%から0.4%に減少し、許容範囲内であり、湿気や老化の問題が解決したことを確認しています。

• 耐電圧試験：修理前は480 kVで破壊（標準未満）；修理後は600 kVでも破壊なく、絶縁回復が確認されました。

4.2 運転監視と評価

修理された分離装置は3ヶ月間の運転監視を受けました。接点温度は正常に保たれ、効果的な接点圧力調整と制御された接点抵抗が確認されました。切り替え動作も安定し、閉鎖時間は65ms、開放時間は58msで、同期偏差は≤3msでした。アーク再点火や放電は発生しませんでした。試験結果と監視結果を合わせて検討すると、故障解決と安定した運転が確認されました。

5.予防措置と推奨事項
GISの効率的な運用と故障リスクの低減のためには、厳格なメンテナンス戦略を実施する必要があります：

• 定期的な点検：有資格チームによる週次の目視チェックと月次の機能テストを行い、早期に損傷や異常を検出します。

• 高度な状態監視：部分放電、温度、ガス組成のリアルタイム追跡を行うオンライン監視システムを導入し、潜在的な問題を先取りして対処します。

• 予防試験：絶縁抵抗とtanδ試験を定期的に行い、電気/絶縁の健康状態を評価し、劣化や湿気による故障を防止します。

• 機器選定と設置：運用ニーズを満たす実績のある成熟したGIS機器を選択します。設置時には設計および建設基準を厳守し、適切な位置合わせと確実な接続を確保します。

• 起動：起動時にすべての性能パラメータを厳格に確認し、将来のメンテナンスの参考となるデータを記録します。

• 人員訓練：技術トレーニングと緊急時訓練を定期的に行い、スタッフの運用および故障対応の熟練度を高め、迅速かつ効果的な対応を可能にし、電力網の安定性を確保します。

6.結論
本論文では、550kV GIS分離装置におけるフラッシュオーバー故障の成功した分析と解決について述べています。詳細な故障ドキュメントと多角的な試験により、根本原因を正確に特定しました。実施された緊急対応と修理措置は問題を効果的に解決し、修理後の試験と運転監視によって確認されました。提案された予防措置は具体的で実用的であり、GISメンテナンスのための貴重な指針を提供しています。今後の研究では、GISの故障メカニズムに関する研究を深めることで、電力システムの安全性と信頼性をさらに向上させることが求められます。