تحلیل و اقدامات مقابله با حادثه عملکرد نادرست یک سوئیچ جدا کننده ۱۴۵kV

1. مقدمه

در شبکه برق اندونزی، دستگاه‌های جداکننده ولتاژ بالا ۱۴۵ کیلوولت (HVD) برای حفظ قابلیت اطمینان انتقال در سراسر مناطق جزیره‌ای آن حیاتی هستند. با این حال، حوادث عملکرد نامناسب خطرات قابل توجهی را برای پایداری شبکه به وجود می‌آورند. این مقاله یک حادثه عملکرد نامناسب جداکننده ۱۴۵ کیلوولت در یک زیرстан اندونزی را بررسی می‌کند، علل اساسی آن را تحلیل می‌کند و راهکارها را پیشنهاد می‌دهد در حالی که به استانداردهای محافظت IP66 و همگونی IEC 60068-3-3 اشاره می‌کند تا امنیت عملیاتی را افزایش دهد.

2. مرور حادثه در اندونزی

در مارس ۲۰۲۴، یک جداکننده ۱۴۵ کیلوولت در یک زیرستان در جزیره جاوا طی یک انتقال بار معمولی به طور غیرمنتظره باز شد و فعال‌سازی کASCADE رله‌های محافظ را القا کرد. این حادثه در یک زیرستان ساحلی نزدیک سورابایا رخ داد که پوشش جداکننده با درجه محافظت IP66 طراحی شده بود تا شرایط استوایی را تحمل کند. باز شدن برنامه‌ریزی نشده منجر به اختلال در تأمین برق به ۱۲۰۰۰۰ خانوار شد و ۳۰ مگاوات بار را کاهش داد، با هزینه‌های تعمیر و نگهداری بیش از ۸۰۰۰۰۰ دلار. تحلیل پس از حادثه نشان داد که ترکیب تخریب محیطی و نقصان‌های سیستم کنترل عامل‌های اصلی بودند.

3. تحلیل علل اساسی
3.1 آسیب‌پذیری‌های سیستم کنترل
3.1.1 القای مدار پارازیتی

مدار کنترل مستقیم جداکننده یک زمین مشترک با سیستم محافظت از صاعقه زیرستان داشت، یک نقص طراحی که در ۲۰٪ از زیرستان‌های ۱۴۵ کیلوولت اندونزی (گزارش PLN ۲۰۲۳) شناسایی شده بود. در طول یک طوفان نزدیک، ولتاژهای موقت بیش از حد ۱۲ ولت DC را در سیم‌های کنترل القا کردند و به طور اشتباه رله باز شدن جداکننده را فعال کردند. مشابه یک حادثه در سال 2022 در بالی که حلقه‌های زمینی باعث عملکرد نامناسب جداکننده ۱۴۵ کیلوولت شدند، این مورد نشان داد که جداسازی نامناسب بین مدارهای کنترل و محافظت وجود دارد.

3.1.2 پیری رله

رله الکترومغناطیس جداکننده که برای ۱۰۰۰۰۰ عملیات طراحی شده بود، بیش از ۱۵۰۰۰۰ دور بدون تعویض کار کرده بود. شکست عایق در سیم پیچ رله، که از طریق تشخیص پس از خطای یافت شد، باعث القای قوس برق بین تماس‌های معمولاً باز شد. آزمایش‌های چرخه حرارتی IEC 60068-3-3 بعداً تأیید کرد که عایق اپوکسی رله در دمای >۶۰ درجه سانتیگراد تخریب می‌شود، که در سوئیچ‌یارد‌های بدون کنترل هوای اندونزی معمول است.

3.2 تخریب محیطی
3.2.1 شکست پوشش IP66

با وجود گواهی IP66، لاستیک EPDM جداکننده چند شکاف ۳ میلی‌متری داشت که اجازه ورود ابر نمک را می‌داد. هوا در شرق جاوا شامل ۰.۰۵ میلی‌گرم/متر مکعب یون کلرید دارد که فرسایش را تسهیل می‌کند. تحلیل SEM لاستیک نشان داد که شکست اوزون، نتیجه طولانی مدت قرار گرفتن در معرض تابش UV (شاخص UV سالانه >۱۲) و رطوبت >۸۵٪ بود. این امر محافظت از گرد و آب را کاهش داد و قطعات داخلی با رسوبات روی تماس‌های مسی ۰.۲ میلی‌متری نشان داد.

3.2.2 تخریب عایق ناشی از رطوبت

رطوبت بالا (میانگین ۹۰٪ RH) باعث تعرق روی عایق ترکیبی جداکننده شد و مقاومت سطحی را از ۱۰¹²Ω به ۱۰⁸Ω کاهش داد. داده‌های نظارت بر تخلیه جزئی (PD) نشان داد که فعالیت PD از ۵pC به ۲۵pC در طول شش ماه افزایش یافت، که پیش‌بینی‌کننده افتادن برق است. پوشش هیدروفوب عایق که با IEC 60068-3-3 همخوانی داشت، پس از سه سال در شرایط استوایی اثرگذاری را از دست داد و قادر به دفع فیلم‌های آب نشد.

3.3 کمبود‌های نگهداری
3.3.1 روان‌کننده ناکافی

پیوند مکانیکی جداکننده دارای چسب سیلیکون (درجه NLGI 2) کمتر از حد نیاز بود که منجر به افزایش ۱۵٪ اصطکاک در مکانیسم عملیاتی شد. سنسورهای دما ۴۰ درجه سانتیگراد گرم‌تر از پایه در مفاصل محوری ثبت کردند که باعث حرکت stick-slip شد و شوک‌های مکانیکی تولید کرد که دستورات باز شدن معمول را می‌تقلید. این با گزارش PLN در سال ۲۰۲۴ همخوانی دارد که ۴۳٪ از عملکرد نامناسب HVD ۱۴۵ کیلوولت به عدم توجه به روان‌کننده نسبت داده شده است.

3.3.2 تاخیر در کالیبراسیون سنسور

سنسور مقاومت تماس جداکننده که به ±10μΩ کالیبره شده بود، ۱۸ ماه بدون تأیید بود. دقت واقعی به ±35μΩ تغییر کرده بود که یک تخریب ۱۲۰μΩ تماس (حد بحرانی: ۱۵۰μΩ) را مخفی می‌کرد. چنین تأخیرهایی در کالیبراسیون در زیرستان‌های دورافتاده اندونزی معمول است که ۳۷٪ از HVD ۱۴۵ کیلوولت به دلیل چالش‌های لجستیکی نگهداری برنامه‌ریزی شده ندارند.

4. راهکارهای جامع
4.1 طراحی مجدد سیستم کنترل
4.1.1 معماری زمین‌گیری جدا

یک سیستم زمین‌گیری ستاره‌ای برای مدارهای کنترل HVD ۱۴۵ کیلوولت پیاده‌سازی کنید، آن‌ها را از زمین‌های محافظت از صاعقه با ۵ متر جدا کنید. ترانسفورماتورهای عایق‌بندی ۱۰۰۰V را بر روی تغذیه‌های برق کنترل نصب کنید، مانند یک مطالعه موردی در سال ۲۰۲۳ در مدانا که عملکرد نامناسب القایی را ۹۲٪ کاهش داد.

4.1.2 به‌روزرسانی رله حالت جامد

رله‌های الکترومغناطیسی را با رله‌های حالت جامد (SSR) مطابق با استاندارد IEC 60950 با ظرفیت ۱۰⁷ عملیات جایگزین کنید. SSR‌ها در یک پروژه آزمایشی در سمارانگ هیچ اوج ولتاژ و ۵۰٪ سرعت سوئیچینگ سریع‌تر را نشان دادند، خطرات القای قوس برق را در محیط‌های مرطوب حذف کردند.

4.2 افزایش مقاومت محیطی
4.2.1 بازسازی سیستم پوشش IP66

• تعویض لاستیک: از لاستیک‌های فلوروالاستومر (FKM) با مقاومت در برابر دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد، افزایش ۳۰۰٪ و stabilizers UV استفاده کنید که مطابق با ضمیمه اقلیم استوایی IEC 60068-3-3 است.

• تغییر در سیستم دренاژ: چشمه‌های ۱۲ میلی‌متری با صفحات ضد حشرات به پوشش‌های جداکننده اضافه کنید تا انباشت آب را کاهش دهید. یک آزمایش در جاکارتا نشان داد که این کار رطوبت داخلی را از ۸۵٪ به ۵۵٪ در ۲۴ ساعت کاهش داد.

4.2.2 راهکارهای عایق‌بندی پیشرفته

• پوشش فوق‌هیدروفوب: پوشش‌های SiO₂ مبتنی بر آروسول (زاویه تماس >۱۵۰ درجه) را بر روی عایق‌ها اعمال کنید تا هیدروفوبیتی را از ۳ به ۷ سال افزایش دهید. آزمایش‌های میدانی در بالی فعالیت PD را ۸۰٪ کاهش دادند.

• یکپارچه‌سازی خشک‌کن: خشک‌کن‌های با اثر Peltier (ظرفیت ۳ لیتر در روز) را در پوشش‌ها نصب کنید تا رطوبت را <۴۰٪ حفظ کنید. یک زیرستان در سولاوسي پس از نصب ثبات مقاومت تماس را ۶۵٪ بهبود بخشید.

4.3 بهینه‌سازی نگهداری پیش‌بینی‌شده
4.3.1 نظارت مجهز به IoT

شبکه سنسوری مجهز به 4G را برای اندازه‌گیری اعمال کنید:

• مقاومت تماس (دقت ۰.۱μΩ)

• ارتعاش مکانیسم (باند عرض ۱۰۰Hz - ۱۰kHz)

• رطوبت/دمای پوشش (±1% RH, ±0.5°C)

داده‌ها از طریق یک پلتفرم AI مبتنی بر ابر (دقت ۹۴٪) تحلیل می‌شوند که شکست‌ها را ۷۲ ساعت قبل پیش‌بینی می‌کند، مانند یک پروژه آزمایشی در پاپوآ که قطعات غیرمنتظره را ۸۵٪ کاهش داد.

4.3.2 برنامه‌های نگهداری منطقه‌ای

طرح‌های نگهداری مبتنی بر اقلیم را توسعه دهید:

5. تأثیر فنی و اقتصادی
5.1 بهبود شاخص‌های قابلیت اطمینان

• افزایش MTBF: از ۱۲۰۰۰ ساعت به ۴۵۰۰۰ ساعت پس از مداخله، بیش از هدف IEC 62271-102.

• زمان تشخیص خطا: از ۴ ساعت به ۱۵ دقیقه از طریق نظارت IoT در زمان واقعی.

5.2 تحلیل هزینه-سود

• سرمایه‌گذاری اولیه: ۵۰۰۰۰۰ دلار برای یک زیرستان ۱۰ جداکننده در اندونزی

• صرفه‌جویی ۵ ساله: ۲.۳ میلیون دلار از:

• کاهش ۷۵٪ هزینه کار نگهداری

• کاهش ۹۰٪ هزینه جایگزینی تجهیزات

• کاهش ۸۸٪ زیان‌های قطع برق

6. نتیجه‌گیری

عملکرد نامناسب جداکننده ۱۴۵ کیلوولت در اندونزی نیاز به راهکارهای یکپارچه برای آسیب‌پذیری‌های سیستم کنترل، تخریب محیطی و کمبود‌های نگهداری را تاکید می‌کند. با اجرای پوشش‌های IP66 بهبود یافته، مولفه‌های مطابق با IEC 60068-3-3 و نگهداری پیش‌بینی‌شده مبتنی بر IoT، شبکه ۱۴۵ کیلوولت اندونزی می‌تواند شاخص‌های قابلیت اطمینانی را به دست آورد که با استانداردهای جهانی همسو است. این رویکرد نه تنها خطرات عملکرد نامناسب را کاهش می‌دهد بلکه هدف کشور از یک زیرساخت برق مقاوم و هوشمند را که قادر به برآورده کردن تقاضای بالای انرژی در محیط‌های استوایی است، حمایت می‌کند.