Jaké jsou příčiny poškození a shoření 35 kV GIS napěťového transformátoru

1. Přehled nehody
1.1 Struktura a připojení napěťového transformátoru 35kV GIS vypínače

Dvoubusový plynově izolovaný vypínač ZX2 vyrobený v březnu 2011 a oficiálně uvedený do provozu v červenci 2012 je vybaven dvěma skupinami napěťových transformátorů (PT) pro každou busovou sekci. Dvě skupiny PT stejné busové sekce jsou navrženy v jednom vypínačovém škáblu širokém 600 mm. Třífázové PT jsou uspořádány ve tvaru trojúhelníku na dně škáblu.

PT jsou připojeny k odpojovacím vypínačům v komoře busu PT vypínače pomocí krátkých kabelových konektorů. Odpojovací vypínače jsou připojeny k třífázovému busu prostřednictvím pohyblivých kontaktů v plně uzavřené komoře busu SF₆. Plně uzavřená struktura busu snižuje frekvenci poruch a bus není vybaven specifickou ochranou busu. Poruchy busu jsou odstraňovány pomocí záložní ochrany vstupního vypínače elektrické energie.

1.2 Režim provozu před spálením

Před nehodou fungovala síť následovně:

• Systém 220kV: Linky Qiaoshi a Huishi běžely paralelně s uzavřeným vypínačem mezi busy.

• Zátěž hlavních transformátorů: Hlavní transformátor č. 1 měl zátěž 47 MW, zatímco hlavní transformátor č. 2 měl zátěž 14 MW.

• Systém 35kV: Jednotka A pracovala s dvojitými busy v rozděleném režimu. Generátor č. 2 s zátěží 30,5 MW byl připojen k Busu II jednotky A přes Bus 1 jednotky E, tepelné olejové propojovací linky a vypínače 361 a 367, a pracoval paralelně s hlavním transformátorem č. 2.

1.3 Průběh nehody

• Předzvěst poruchy

• Od 15:11:20.393 19. dubna začalo ochranné zařízení vypínače 367 v jednotce E (Busová jednotka pro generátory 1 a 2) opakovaně vyvolávat alarmy o odpojení PT, které byly občas resetovány.

• Spálení zařízení

• V 15:12:59 byl pozorován kouř a jiskření v škáblu PT Busu 1 jednotky E. Byla aktivována nulová sekvence přetokové ochrany vypínačů 361 a 367, což vedlo k jejich odpojení.

• Přehled místa

• Dveře škáblu byly vyhozeny. Fáze A PT byla těžce spálena a konektor fáze B byl zlomen. Vnitřní zařízení bylo popálené.

• Druhotné dráty sousedícího škáblu ochránce byly poškozeny. Testy tlaku a izolace v komoře busu byly normální.

2. Analýza příčin
2.1 Kvalita zařízení a defekty instalace

• Problémy s návrhem a výrobou

• Špatný proces izolační barvy vedl k částečnému výboji.

• Volná vrstva železných jáder způsobila vznik vířivých proudů a tepelného zatížení.

• Nerovnoměrné vinutí cívek zvýšilo riziko mezicerstnových krátkých spojení.

• Defekty instalace a údržby

• Špatné svařování zazemňovacích šroubů zvýšilo odpor kontaktu.

• Deformace železných jáder během dopravy/instalace.

• Příčný zatěžový stress z krátkých kabelových konektorů způsobil trhliny v epoxidu s časem.

2.2 Abnormální provozní podmínky

• Poruchy druhotného obvodu

• Přetížení v druhotném obvodu způsobené nadměrným počtem paralelních okruhů, což vedlo k zvýšenému teplu podle \(Q = I²rt\).

• Druhotné krátké spojení vyvolávající přetoky proudu v primárním obvodu a přetopení.

• Přepětí systému

• Ferrorezonance způsobená přepínáním nebo obloukovým zazemněním, generující přepětí až 2,5krát vyšší než nominální hodnota.

• Zkreslení vlnové formy urychlilo stárnutí izolace.

• Třífázová nerovnováha

• Vysoký obsah harmonických složek (převážně lichých harmonických) způsobil nerovnováhu impedancí.

• Proud posunutí neutrálního bodu vedl k přetopení v nulovém sekvenciovém obvodu.

2.3 Rozbor výrobcem

• Místo poruchy

• Trhliny v epoxidu u otvoru flanže fáze A PT vedly k intermitentnímu zazemnění.

• Mechanický zlom konektoru fáze B vyvolal meziphasové krátké spojení.

• Analýza napětí

• Neflexibilní kabelové připojení vygenerovalo příčný zatěžový stress soustředěný na otvory flanže.

• Průběh poruchy: Intermitentní zazemnění → Odstranění hliníkového povlaku → Reset poruchy → Finální havárie.

3. Plán modernizace
3.1 Optimalizace sledování zařízení

• Implementace online monitoringu částečného výboje pro GIS vypínače stejného modelu a vytvoření referenčních dat.

• Pravidelné testy odporu izolace s práhovou hodnotou 200 MΩ.

3.2 Zlepšení konstrukčního návrhu

• Rozšíření škáblu: Zvětšení šířky škáblu ze 600 mm na 800 mm pro lepší odvod tepla.

• Upgrade připojení: Nahrazení krátkých kabelových konektorů přímými připojeními pro snížení zatěžového stressu.

• Modulární návrh: Použití zapichovatelných PT/ochránců pro minimalizaci doby údržby.

3.3 Zlepšení ochranného systému

• Přidání dedikovaných vypínačů pro PT vypínače s ochranou proti přetoku/ přepětí.

• Instalace dedikovaných ochranných zařízení pro bus pro rychlé izolování poruch.

• Optimalizace návrhu nulového sekvenciového obvodu pro snížení rizika rezonance.

3.4 Úprava strategie provozu a údržby

• Vytvoření celoživotních záznamů správy zařízení, dokumentace dat instalace a údržby.

• Čtvrtletní testy obsahu vlhkosti SF₆ s práhovou hodnotou ≤300 ppm.

• Roční testy charakteristiky napětí a proudu PT pro srovnání s továrními daty.

4. Zkušenosti a prevencionní opatření
4.1 Klíčové zkušenosti

• Konstrukční nedostatek: Společné umístění PT zvýšilo riziko šíření poruch.

• Údržbové mezery: Nedostatek detekce kumulativního poškození způsobeného zatěžovým stresem.

• Nedostatek ochrany: Spoléhání na záložní ochranu zpomalilo odstranění poruchy.

4.2 Prevencionní opatření

• Posílení dozoru nad výrobou zařízení se zaměřením na procesy izolace a konstrukční integritu.

• Podpora stavové údržby pomocí monitoringu vibrací pro hodnocení úrovní zatěžového stressu.

• Revize specifikací návrhu pro stanovení flexibilních připojení mezi PT a busy.

• Provádění cvičení proti nehodám pro standardizaci nouzových postupů při poruchách PT.

4.3 Výsledky implementace

Data po modernizaci ukazují:

• Částečný výboj snížen z 80 pC na 15 pC.

• Teplotní vzestup pod plnou zátěží snížen o 12°C.

• Čas odezvy na poruchu snížen z 600 ms na 40 ms.

5. Závěr

Tato nehoda odhalila mnoho skrytých rizik v návrhu, instalaci a údržbě GIS zařízení. Přes optimalizaci struktury, upgrade ochranného systému a zlepšení správy byl zaveden komplexní systém prevence rizik. Kontinuální sledování výkonu zařízení poskytne replikovatelné zkušenosti s modernizací pro podobné transformační stanice.