35kV GIS電圧変換器の故障および焼損の原因は何ですか

1. 事故概要
1.1 35kV GISスイッチギア電圧変換器の構造と接続

2011年3月に製造され、2012年7月に正式に運転を開始したZX2ガス絶縁二重母線スイッチギアは、各母線セクションに対して2組の母線電圧変換器（PT）が設置されています。同じ母線セクションの2組のPTは、幅600mmの1つのスイッチギアキャビネットに設計されています。三相PTはキャビネットの底部で三角形に配置されています。

PTは、PTスイッチギアの母線室内の遮断機に短いケーブルプラグで接続されています。遮断機はSF₆全密閉母線室内の可動接触子を通じて三相母線に接続されています。全密閉母線構造により故障率が低減され、母線には専用の母線保護装置が装備されていません。母線の故障は、電力入力スイッチのバックアップ保護によってクリアされます。

1.2 焼損前の運転モード

事故前、電力網の運転状況は以下の通りでした：

• 220kVシステム：橋石線と灰石線が並列運転し、母線連絡スイッチが閉鎖されていました。

• 主変圧器負荷：第1主変圧器が47MW、第2主変圧器が14MWを供給していました。

• 35kVシステム：ユニットAは二重母線分割運転をしており、発電機第2号機が30.5MWを供給し、ユニットEの母線1を経由してユニットAの母線IIに接続され、熱油連絡線スイッチギア361および367を通じて第2主変圧器と並列運転していました。

1.3 事故の経過

• 故障の前兆

• 4月19日15時11分20秒393から、ユニットE（発電機1号機と2号機の母線ユニット）のスイッチ367の保護装置が繰り返しPT切断警報を発生させ、間歇的にリセットされました。

• 設備の焼損

• 15時12分59秒に、ユニットEの母線1のPTキャビネットから煙とアークが観察されました。スイッチ361および367の零相過電流保護が作動し、両スイッチがトリップしました。

• 現場調査

• キャビネットドアが吹き飛ばされました。A相PTが重度に焼損し、B相のプラグが割れていました。内部設備は焦げていました。

• 隣接する避雷器キャビネットの二次配線が損傷していました。母線室の圧力試験と絶縁試験は正常でした。

2. 原因分析
2.1 設備品質と設置上の欠陥

• 設計と製造上の問題

• 絶縁塗装プロセスが不良であり、部分放電が発生しました。

• 鉄心の層間が緩んでおり、渦電流による加熱が発生しました。

• コイル巻きが不規則であり、ターン間短絡のリスクが高まりました。

• 設置とメンテナンス上の欠陥

• 接地ねじの溶接が不良であり、接触抵抗が増大しました。

• 輸送または設置中に鉄心が変形しました。

• 短いケーブルプラグからの横方向のストレスにより、エポキシ樹脂が時間とともにひび割れました。

2.2 異常な運転条件

• 二次回路の故障

• 並列ループが多すぎることによる二次回路の過負荷により、熱生成量が増加しました。\(Q = I^2rt\)。

• 二次ショート回路により一次電流が急増し、過熱しました。

• システムの過電圧

• 切り替え操作やアーク接地によるフェロレゾナンスにより、定格値の2.5倍までの過電圧が発生しました。

• 波形歪みにより絶縁劣化が加速しました。

• 三相バランスの崩壊

• 高調波成分（主に奇数高調波）によりインピーダンスのバランスが崩れました。

• 中性点のずれ電流により零相回路が過熱しました。

2.3 製造元の分解分析

• 故障部位

• A相PTのフランジ取り付け穴のエポキシ樹脂のひび割れにより、断続的な接地が発生しました。

• B相プラグの機械的破断により、相間短絡が発生しました。

• 応力分析

• 非柔軟なケーブル接続により、フランジ穴に横方向のストレスが集中しました。

• 故障進行：断続的な接地 → アルミニウムコーティングの剥離 → 故障リセット → 最終的な破壊。

3. 改良計画
3.1 設備監視の最適化

• 同型のGISスイッチギアにオンライン部分放電監視を実施し、基準データを確立します。

• 定期的に絶縁抵抗試験を行い、閾値を200 MΩとします。

3.2 構造設計の改善

• キャビネット拡張：キャビネット幅を600 mmから800 mmに拡大し、放熱性を向上させます。

• 接続方式の改良：短いケーブルプラグを直接接続に置き換え、ストレスを軽減します。

• モジュール化設計：プラグイン式のPT/避雷器を採用し、メンテナンス時間を最小限に抑えます。

3.3 保護システムの強化

• PTスイッチギアに過電流/過電圧保護付き専用回路ブレーカーを追加します。

• 迅速な故障隔離のために専用の母線保護装置を設置します。

• ゼロ相回路設計を最適化し、共振リスクを軽減します。

3.4 運転・保守戦略の調整

• 設備のライフサイクル管理記録を確立し、設置と保守データを文書化します。

• 四半期ごとにSF₆の水分含有量試験を行い、閾値を300 ppm以下とします。

• 年間PTの電圧アンペア特性試験を行い、工場データとの比較を行います。

4. 教訓と予防措置
4.1 主な教訓

• 設計上の欠陥：PTの共同配置により故障伝播リスクが増大しました。

• 保守上のギャップ：累積ストレス損傷の検出ができませんでした。

• 保護機能の不足：バックアップ保護への依存により故障クリアランスが遅延しました。

4.2 予防措置

• 設備製造の監督を強化し、絶縁プロセスと構造の健全性に焦点を当てます。

• 振動監視を用いた状態ベースのメンテナンスを推進し、ストレスレベルを評価します。

• 設計仕様を改訂し、PTと母線間の柔軟な接続を義務付けます。

• PT故障に対する標準的な緊急対応手順を確立するための防災訓練を実施します。

4.3 実施結果

改良後のデータは以下の通りです：

• 部分放電が80 pCから15 pCに減少しました。

• 満載時の温度上昇が12℃減少しました。

• 故障応答時間が600 msから40 msに短縮されました。

5. 結論

この事故は、GIS設備の設計、設置、保守における複数の潜在的なリスクを明らかにしました。構造の最適化、保護システムのアップグレード、管理の強化を通じて、包括的なリスク防止システムが確立されました。設備性能の継続的な監視により、類似の変電所での改良経験が提供されます。