Anàlisi de fallida dels paraigües i prevenció: causes principals de les malfuncions dels paraigües de distribució de 10 kV

1. Introducció

Durant l'operació del sistema elèctric, l'equipament principal es troba amenaçat per sobretensions internes i atmosfèriques. Els parafulmers, especialment els de òxid metàl·lic (MOA) amb excel·lents característiques no lineals de volt-amper, són clau per la protecció degut al seu bon rendiment, gran capacitat de portada de corrent i forta resistència a la contaminació. No obstant això, la llarga exposició a tensions de freqüència d'una reixa, juntament amb la qualitat dels components, els processos de fabricació i els entorns externs, fan que els MOA siguin propensos a calentaments anormals o explosions, requerint una identificació, un juici i una prevenció científics.

Aquest article aborda les fallades en gran escala de MOA de distribució de 10 kV en una regió. L'anàlisi mostra que les fallades es concentren en un model d'un fabricant específic. Es desmuntaran i provaran tres MOA defectuosos en fases defectuoses i dos normals d'aquest model per determinar les causes i les mesures correctores.

2. Visió general de la falla

Els parafulmers defectuosos estan distribuïts en les línies de distribució de 10 kV d'una subestació de 35 kV. Les fallades són freqüents durant la temporada de tempestes de trons, i els registres d'anomalies/fallades de la subestació no poden correspondre als parafulmers defectuosos en les fases. Els cinc parafulmers mostrats no tenen informació precisa sobre l'acció de protecció ni registres de falla. Els sistemes de localització de llamps mostren que el 2020 hi hagué 516 impacts de llamp dins d'un radi de 10 km centrats en aquesta subestació.

Després de la instal·lació in situ, es van realitzar proves de transició (incloent-hi la prova de resistència a l'isolament, la prova de tensió CC de referència a 1 mA i la prova de corrent de fuga a 0,75 vegades la tensió CC de referència a 1 mA), totes amb resultats qualificats.

3. Anàlisi de les causes de la falla

Es desmunten tres parafulmers defectuosos en fases defectuoses (nº 1, nº 2, nº 3); es realitzen proves i es desmunten dos parafulmers normals en fases normals (nº 4, nº 5) per comparació, per identificar les causes de les fallades en gran escala.

3.1 Informació incompleta de la placa de nomenament

Entre els tres parafulmers defectuosos en fases defectuoses i els dos normals en fases normals: 4 tenen dates de fabricació però no tenen números de sèrie; 1 té un número de sèrie però no té data; la resta d'informació és relativament completa.

Les plaques de nomenament són crítiques per al personal d'operació i manteniment per obtenir informació bàsica sobre l'equipament. La falta de dates de fabricació/números de sèrie dificulta el càlcul de la vida útil i el traçat de la qualitat, impedint la gestió centralitzada de defectes.

3.2 Tots els varistors són fragments

El desmuntatge del parafulmer defectuós nº 1 revela: 6 varistors entre dues electrodos, amb marques de cremat i pols blanc en algunes superfícies; a excepció de les superfícies superior i inferior relativament planes, els varistors tenen formes irregulars, sense mida ni disposició uniformes. Les gruixoses inclouen 18 mm, 20 mm, 23 mm i 25 mm. Tres varistors tenen arcs exteriors regulars (presumiblement dels cercles exteriors de varistors completament discoidals o anulars). Problemes similars existeixen en els altres dos parafulmers defectuosos en fases defectuoses.

El parafulmer intacte nº 5 va ser desmuntat (sense danys durant el procés, resultats a la Figura 4). A l'interior: 5 peces de varistor + 3 juntes metàl·liques. Els varistors tenen superfícies superior i inferior planes, fragments irregulars en altres parts, similars als altres: 3 peces d'uns 22 mm d'espessor, 1 de 20 mm, 1 de 17 mm. 3 peces mostren arcs exteriors regulars (del cercle exterior de varistors completament discoidals o anulars); 2 mostren arcs interiors regulars (del cercle interior de varistors completament anulars).

Els varistors dels parafulmers d'òxid metàl·lic estàndard són discs, anells o cilindres regulars. Les seves dimensions estan estrictament relacionades amb la relació de tensions (tensió residual/tensió de referència), gradient de potencial, capacitat de portada de corrent, matèries primeres i processos de cocció. Abans de l'assemblatge del nucli, cada varistor passa per proves completes (freqüència d'ona, CC, impuls de corrent elevat, ona quadrada, etc.). Només les peces aprovades es monten.

El desmuntatge mostra que aquests parafulmers utilitzen varistors no convencionals: nombres inconsistents de varistors/juntes metàl·liques en unitats del mateix model; formes irregulars, espessor variable i arcs exteriors irregulars. Per tant, els nuclis estan tafanerats amb fragments de varistors convencionals (diferents especificacions/paràmetres elèctrics), no estàndards de 10 kV. La comparació entre les fases defectuoses i normals confirma que això és un defecte de fabricació, no provocat per la falla.

Aquests varistors tenen un rendiment elèctric deficient. Àrees de contacte irregulars agraven la resistència a les sobretensions, la capacitat de portada de corrent i l'estabilitat, causant fàcilment ruptures durant els impulsos de la línia.

3.3 Mal sellatge de la jaqueta compost

Desmuntant el parafulmer defectuós nº 3: un extrem de la jaqueta compost està ben sellat amb l'electrodo (Figura 5); l'altre extrem no té sellatge col·locat. Només una mica de producte de sellatge omple la brecha entre l'electrodo i l'escut d'arc, insuficient per a la protecció, causant bresques i rusc sever de l'electrodo (Figura 6).

Aquest mal sellatge prové d'una fundició inadequada en la producció, no d'una falla.

La jaqueta compost no té sellatge de fundició en un costat del cilindre d'isolació d'arc, i la superfície roscada del bloc d'electrodo està severament rustida. Això mostra que fins i tot amb el producte de sellatge, l'humitat pot infiltrar-se al cilindre d'isolació d'arc a través de les bresques del fil. Durant l'operació, l'humitat adherida a la superfície de l'assemblatge del nucli de varistor augmenta la corrent de fuga i les components resistentes, causant un calentament sever. L'operació a llarg termini porta a l'augment de la temperatura a l'interior del cilindre d'isolació d'arc, possiblement fusant i fent esclatar la paret del cilindre, deteriorant gradualment la qualitat operativa del parafulmer.

En inspeccionar el parafulmer nº 4, es va trobar una gruixositat irregular de la jaqueta compost a un extrem d'electrodo. Un micròmetre va mesurar la part més grossa a 4,985 mm i la més fina només a 0,275 mm, com es mostra a la Figura 7. La figura també mostra que la perforació de la columna d'electrodo central de la jaqueta no és un cercle estàndard, indicant un mal sellatge aquí.

La jaqueta compost està principalment feta de caucho de silicona. La seva gruixositat irregular prové d'un control de procés deficient i excentricitat durant l'estapa de vulcanització de la producció. Per als parafulmers de 10 kV convencionals, la jaqueta compost té una gruixositat uniforme de 3-5 mm. El caucho de silicona excessivament fi presenta una pobra resistència a l'envegiment i és propens a la creixada. No només permet que l'humitat penetri i adhiri a la superfície del cilindre d'isolació, causant fallides per humitat, sinó que també pot comprometre el rendiment d'isolament extern de l'equipament, convertint-se en un factor clau que limita la qualitat del producte.

3.4 Qualificats en proves convencionals, no qualificats en proves especials

S'han realitzat proves relacionades amb la tensió CC en el parafulmer normal nº 5, amb resultats mostrats a la Taula 1.

Per verificar la seva capacitat de suport d'alta corrent, s'ha realitzat una prova d'impuls de corrent elevat al parafulmer normal nº 4. Fins i tot quan l'impuls de prova era molt inferior al valor especificat per norma, el parafulmer encara experimentava una ruptura i trencament, resultant en una prova fallida. Dades detallades es presenten a la Taula 2.

4. Recomanacions

Quan es liciten i s'adquireixen parafulmers (especialment per a xarxes de distribució), s'han de definir clarament les qualificacions dels proveïdors i les especificacions tècniques. S'ha de triar proveïdors amb processos madurs i un bon rendiment; s'ha d'evitar ofertes de baix cost excessives.

Durant la recepció dels parafulmers de la xarxa de distribució, les unitats de construcció i operació han de seguir normes com el "Cinc Passos". S'han de realitzar comprovacions punt per punt, conservant els informes de proves de fabrica per assegurar les taxes de qualificació.

S'ha d'utilitzar les plataformes de prova dels centres d'inspecció de materials provincials. S'han de realitzar proves d'amostratge (AC/CC, impuls de corrent elevat, sellatge) per als parafulmers de 10 kV per bloquejar els productes no qualificats de la connexió a la xarxa.

Després de la instal·lació, abans de la posada en servei, s'ha de seguir estrictament la norma GB 50150—2016 per a les proves in situ. S'han d'emetre informes estandaritzats i arxivats segons es requereix. S'ha d'assegurar la gestió de dades de tot el procés (producció → transport → recepció → prova de transició → posada en servei). Després de la posada en servei, s'ha de millorar les patrulles i els registres. En la temporada de pluja, s'ha d'utilitzar la imatge infraroja. En cas de calentament anormal, s'ha de tallar la corrent i reemplaçar prontament per prevenir l'ampliació de la falla.