Ανάλυση και Πρόληψη Αποτυχίας Προστατευτικών Συσκευών: Κύριες Αιτίες των Δυσλειτουργιών των 10 kV Διανεμητικών Προστατευτικών Συσκευών

1. Εισαγωγή

Κατά τη λειτουργία του συστήματος ενέργειας, το κύριο εξοπλισμός αντιμετωπίζει περιθωριακά και ατμοσφαιρικά υπερτάσεις. Οι προστατευτικοί στίβοι, ειδικά οι μεταλλικοί οξειδικοί προστατευτικοί στίβοι (MOAs) με εξαιρετικές μη γραμμικές χαρακτηριστικές τάση-ρεύμα, είναι βασικοί για την προστασία λόγω της καλής τους απόδοσης, της μεγάλης δυνατότητας μεταφοράς ρεύματος και της ισχυρής αντοχής σε ρύπανση. Ωστόσο, η μακροχρόνια εκθεση σε τάσεις συχνότητας ρεύματος, σε συνδυασμό με την ποιότητα των συστατικών, τις διαδικασίες κατασκευής και το εξωτερικό περιβάλλον, καθιστά τους MOAs ευάλωτους σε ανώμαλη θέρμανση ή εκρήξεις, απαιτούμενη επιστημονική αναγνώριση, κρίση και πρόληψη.

Αυτό το έγγραφο ασχολείται με μεγάλη κλίμακα αποτυχίες 10 kV κατανεμημένων MOAs σε μια περιοχή. Η ανάλυση δείχνει ότι οι εκρηκτικοί προστατευτικοί στίβοι συγκεντρώνονται σε ένα μοντέλο ενός κατασκευαστή. Διασπούνται και δοκιμάζονται τρία ελαττωματικά φάση-φάση και δύο κανονικά φάση-φάση MOAs αυτού του μοντέλου για να καθοριστούν οι αιτίες και οι αντιμετωπιστικές μέτρα.

2. Σύνοψη της Αποτυχίας

Οι ελαττωματικοί προστατευτικοί στίβοι είναι διανεμημένοι στις 10 kV κατανεμημένες γραμμές ενός 35 kV υποσταθμίου. Οι αποτυχίες είναι συχνές κατά τη διάρκεια της θυελλώδους εποχής, και τα ανωμαλίες/αποτυχίες του υποσταθμίου δεν αντιστοιχούν στους ελαττωματικούς φάση-φάση προστατευτικούς στίβους. Τα πέντε δείγματα προστατευτικών στίβων δεν έχουν ακριβή πληροφορίες για την προστασία και την καταγραφή της αποτυχίας. Τα συστήματα θέσης κεραυνών δείχνουν ότι το 2020, υπήρξαν 516 κεραυνοί εντός ακτίνας 10 χλμ κέντρου αυτού του υποσταθμίου.

Μετά την εγκατάσταση στο χώρο, διεξήχθησαν παραδοτικές δοκιμές (συμπεριλαμβανομένης της δοκιμής της αντιστάσεως απόδοσης, της 1 mA DC αναφορικής τάσης δοκιμής και της δοκιμής της διαρροής ρεύματος στο 0.75 φορές της 1 mA DC αναφορικής τάσης), όλες με επιτυχή αποτελέσματα.

3. Ανάλυση της Αιτίας της Αποτυχίας

Διασπούνται τρία ελαττωματικά φάση-φάση προστατευτικοί στίβοι (No.1, No.2, No.3). Δύο κανονικοί φάση-φάση προστατευτικοί στίβοι (No.4, No.5) υποβάλλονται σε δοκιμές και διάσπαση για σύγκριση, για να αναγνωριστούν οι αιτίες της μεγάλης κλίμακας αποτυχίας.

3.1 Ανεπαρκής Πληροφορία Σήμανσης

Στους τρεις ελαττωματικούς φάση-φάση και τους δύο κανονικούς φάση-φάση προστατευτικούς στίβους: 4 έχουν ημερομηνίες κατασκευής αλλά χωρίς αριθμούς σειράς. 1 έχει αριθμό σειράς αλλά χωρίς ημερομηνία. Άλλες πληροφορίες είναι σχετικά ολοκληρωμένες.

Οι σήμανσεις είναι κρίσιμες για το προσωπικό λειτουργίας και συντήρησης για να προσκομίσει βασικές πληροφορίες εξοπλισμού. Η έλλειψη ημερομηνιών κατασκευής/αριθμών σειράς εμποδίζει τον υπολογισμό ζωής χρήσης και την παρακολούθηση ποιότητας, εμποδίζοντας την ενοποίηση της διαχείρισης των ελαττωμάτων.

3.2 Οι Βαριστόρες Είναι Όλοι Κομμάτια

Η διάσπαση του No.1 ελαττωματικού προστατευτικού στίβου αποκαλύπτει: 6 βαριστόρες μεταξύ δύο ηλεκτρόδων, με εντάξεις και λευκό σκόνη σε μερικές επιφάνειες. Εκτός από τις σχετικά επίπεδες επιφάνειες πάνω και κάτω, οι βαριστόρες έχουν ανόμοια μορφή, χωρίς ομοιόμορφη μέγεθος ή διάταξη. Το πάχος περιλαμβάνει 18 mm, 20 mm, 23 mm, και 25 mm. Τρία βαριστόρες έχουν κανονικές εξωτερικές τόξα (πιθανώς από τα εξωτερικά κύκλους ολοκληρωμένων δισκοειδών/αναλοιπικών βαριστόρες). Παρόμοια προβλήματα υπάρχουν στους άλλους δύο ελαττωματικούς φάση-φάση προστατευτικούς στίβους.

Ο No. 5 ολοκληρωμένος προστατευτικός στίβος διασπάται (χωρίς βλάβη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, τα αποτελέσματα στο Σχήμα 4). Μέσα: 5 κομμάτια βαριστόρες + 3 μεταλλικές φράγματα. Οι βαριστόρες έχουν επίπεδες επιφάνειες πάνω και κάτω, αλλιώς ανόμοια κομμάτια, παρόμοια με τα άλλα: 3 κομμάτια ~22mm πάχος, 1 στο 20mm, 1 στο 17mm. 3 κομμάτια έχουν κανονικά εξωτερικά τόξα (από τα εξωτερικά κύκλους ολοκληρωμένων δισκοειδών/αναλοιπικών βαριστόρες). 2 έχουν κανονικά εσωτερικά τόξα (από τα εσωτερικά κύκλους ολοκληρωμένων αναλοιπικών βαριστόρες).

Οι βαριστόρες των προτύπων μεταλλικών οξειδικών προστατευτικών στίβων είναι κανονικοί δίσκοι, αναλοιπικοί ή κυλίνδροι. Τα διαστάτα τους συνδέονται αυστηρά με το λόγο τάσης (υπόλοιπη/αναφορική τάση), την κατανομή δυναμικού, την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος, τα αρχικά υλικά και τις διαδικασίες εξάρσης. Πριν από την συναρμολόγηση του πυρήνα, κάθε βαριστόρ υποβάλλεται σε πλήρεις δοκιμές (συχνότητα ρεύματος, DC, υψηλή ροή ρεύματος, τετραγωνικό κύμα κλπ.). Μόνο τα κομμάτια που πέρασαν διασυνδέονται.

Η διάσπαση δείχνει ότι αυτοί οι προστατευτικοί στίβοι χρησιμοποιούν μη συνήθεις βαριστόρες: η αριθμητική των βαριστόρες/μεταλλικών φραγμάτων διαφέρει σε ίδια μοντέλα. Η μορφή, το πάχος και τα εξωτερικά τόξα είναι ανόμοια. Έτσι, οι πυρήνες είναι συντηρημένοι από κομμάτια συνήθων βαριστόρες (διαφορετικά πρότυπα/ηλεκτρικά παράμετρα), όχι 10 kV πρότυπα. Η σύγκριση των ελαττωματικών και κανονικών φάση-φάση επιβεβαιώνει ότι αυτό είναι έλλειψη εργοστασίου, όχι αποτέλεσμα αποτυχίας.

Αυτοί οι βαριστόρες έχουν υποδεέστερη ηλεκτρική απόδοση. Οι ανόμοιες επαφές επιδεινώνουν την αντοχή στην υπερτάση, την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος και τη σταθερότητα, προκαλώντας εύκολα καταστροφές κατά τη διάρκεια ρευστών στις γραμμές.

3.3 Κακή Σφραγίδα Συνδυασμένης Μπουκαλάς

Η διάσπαση του No. 3 ελαττωματικού προστατευτικού στίβου: ένα άκρο της συνδυασμένης μπουκαλάς σφραγίζεται καλά με τον ηλεκτρόδο (Σχήμα 5). Το άλλο άκρο χωρίς σφραγίδα χύσης. Μόνο μικρό ποσό σφραγίδας γεμίζει το χάσμα ηλεκτρόδου-αρκτικού φραγματος - αναποτελεσματικό για προστασία, προκαλώντας χάσματα και σοβαρή ράσταση ηλεκτρόδου (Σχήμα 6).

Αυτή η κακή σφραγίδα προέρχεται από ανεπαρκή χύση κατά την παραγωγή, όχι από αποτυχίες.

Η συνδυασμένη μπουκαλάς δεν έχει σφραγίδα χύσης σε ένα άκρο του αρκτικού φραγματος, και η ελικοειδής επιφάνεια του μπλοκ ηλεκτρόδου είναι σοβαρά ράστα. Αυτό δείχνει ότι, ακόμη και με σφραγίδα, η υγρασία μπορεί να εισέλθει στον αρκτικό φραγματος μέσω των χασμάτων των ελικών. Κατά τη λειτουργία, η υγρασία που προσκολλάται στην επιφάνεια συναρμολόγησης του πυρήνα βαριστόρες αυξάνει τη διαρροή ρεύματος και τις αντιστατικές συνιστώσες, προκαλώντας σοβαρή θέρμανση. Η μακροχρόνια λειτουργία οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας μέσα στον αρκτικό φραγματος, πιθανώς λιώνοντας και σπάντας τον τοίχο, επιβαρύνοντας σταδιακά την ποιότητα λειτουργίας του προστατευτικού στίβου.

Κατά την εξέταση του No. 4 προστατευτικού στίβου, ανακαλύφθηκε η ανόμοια πάχος της συνδυασμένης μπουκαλάς σε ένα άκρο ηλεκτρόδου. Ένα μικρομέτρημα μέτρησε το πιο παχύ μέρος σε 4.985 mm και το πιο λεπτό μόνο 0.275 mm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Το Σχήμα δείχνει επίσης ότι το κέντρο του ηλεκτρόδου στήλης τρύπησης της μπουκαλάς δεν είναι κανονικός κύκλος, δείχνοντας κακή σφραγίδα εδώ.

Η συνδυασμένη μπουκαλάς είναι κυρίως από σιλικόνιο καουτσούκ. Η ανόμοια πάχος της προέρχεται από κακή ελεγχόμενη διαδικασία και εκτροχιασμό κατά την ετεροθάλυση κατά την παραγωγή. Για συνήθεις 10 kV προστατευτικούς στίβους, η συνδυασμένη μπουκαλάς έχει ομοιόμορφη πάχος 3-5 mm. Το υπερλεπτό σιλικόνιο καουτσούκ έχει κακή αντοχή στην ηλικία και είναι ευάλωτο σε ρωγμές. Όχι μόνο επιτρέπει την εισαγωγή υγρασίας και την προσκόλληση στην επιφάνεια του μπουκαλάς απομόνωσης, προκαλώντας αποτυχίες λόγω υγρασίας, αλλά μπορεί επίσης να επηρεάσει την εξωτερική απομονωτική απόδοση του εξοπλισμού, γίνοντας κλειδί για την περιορισμό της ποιότητας του προϊόντος.

3.4 Ικανοποιητικά στις Συνήθεις Δοκιμές, Ανίκανοι σε Ειδικές Δοκιμές

Εκτελέστηκαν δοκιμές σχετικά με την DC τάση στο No. 5 κανονικό προστατευτικό στίβο, με αποτελέσματα στο Πίνακα 1.

Για την επαλήθευση της ικανότητας αντοχής σε υψηλή ροή ρεύματος, διεξήχθη δοκιμή υψηλής ροής ρεύματος στο No. 4 κανονικό προστατευτικό στίβο. Ακόμη και όταν η δοκιμαστική ροή ρεύματος ήταν πολύ κάτω από την τιμή που ορίζεται από το πρότυπο, ο προστατευτικός στίβο