Análise de Fallos e Prevención de Para-raíos: Causas Principais dos Malfuncionamentos dos Para-raíos de Distribución de 10 kV

1. Introducción

Durante a operación do sistema eléctrico, o equipo principal enfréntase a ameazas de sobretensións internas e atmosféricas. Os pararrayos, especialmente os de óxido metálico (MOAs) con excelentes características non lineares volt-ampere, son clave para a protección debido ao seu buen rendemento, gran capacidade de corrente e forte resistencia á contaminación. No entanto, a exposición a longo prazo a tensións de frecuencia de rede, xunto coa calidade dos compoñentes, procesos de fabricación e ambientes externos, fai que os MOAs sexan propensos ao aquecemento anormal ou explosións, requirendose unha identificación, xuízo e prevención científica.

Este artigo aborda fallos a gran escala de MOAs de distribución de 10 kV nunha rexión. A análise mostra que os pararrayos defectuosos concéntpanse nun modelo dun fabricante específico. Desmontáronse e probáronse tres MOAs de fase defectuosa e dous de fase normal deste modelo para determinar as causas e contramedidas.

2. Visión xeral do fallo

Os pararrayos defectuosos están distribuídos nas liñas de distribución de 10 kV dunha subestación de 35 kV. As fallos son frecuentes na tempada de tormentas, e os rexistros de anomalias/fallos da subestación non corresponden aos pararrayos de fase defectuosa. Os cinco pararrayos mustrados carecen de información precisa sobre accións de protección e rexistros de fallos. Os sistemas de localización de raios mostran que en 2020 houbo 516 impactos de raio dentro dun radio de 10 km centrado nesta subestación.

Despois da instalación no terreo, realizáronse probas de recepción (incluíndo probas de resistencia de aislamento, tensión DC de referencia de 1 mA e probas de corrente de fuga a 0,75 veces a tensión DC de referencia de 1 mA), todas con resultados cualificados.

3. Análise das causas do fallo

Desmontáronse tres pararrayos de fase defectuosa (No.1, No.2, No.3); dous pararrayos de fase normal (No.4, No.5) foron sometidos a probas e desmontaxe para comparación, para identificar as causas de fallos a gran escala.

3.1 Información incompleta na placa de identificación

Entre tres pararrayos de fase defectuosa e dous de fase normal: 4 teñen datas de fabricación pero sen números de serie; 1 ten número de serie pero sen data; outra información é relativamente completa.

As placas de identificación son cruciais para que o persoal de operación e manutención obteña información básica sobre o equipo. A falta de datas de fabricación/números de serie dificulta o cálculo da vida útil e o seguimento da calidade, obstaculizando a xestión centralizada de defectos.

3.2 Todos os varistores son fragmentos

O desmontaxe do pararrayos defectuoso No.1 revela: 6 varistores entre dous electrodos, con marcas de quema e polvo branco en algunhas superficies; excepto as superficies superior/inferior relativamente planas, os varistores teñen formas irregulares, sen tamaño ni disposición uniformes. As espesuras inclúen 18 mm, 20 mm, 23 mm e 25 mm. Tres varistores teñen arcos exteriores regulares (presumiblemente de círculos completos de varistores discoidais/anulares). Problemas semellantes existen nos outros dous pararrayos de fase defectuosa.

O pararrayos intacto No. 5 foi desmontado (sen danos durante o proceso, resultados na Figura 4). Dentro: 5 pezas de varistor + 3 arandelas metálicas. Os varistores teñen superficies superior/inferior planas, fragmentos irregulares de outra forma, similares a outros: 3 pezas ~22mm de espesor, 1 a 20mm, 1 a 17mm. 3 pezas mostran arcos exteriores regulares (de círculos completos de varistores discoidais/anulares); 2 mostran arcos interiores regulares (de círculos internos de varistores anulares completos).

Os varistores de pararrayos de óxido metálico estándar son discos, anillos ou cilindros regulares. As súas dimensións están estritamente ligadas á relación de voltaxes (voltaxe residual/referencia), gradiente de potencial, capacidade de corrente, materias primas e procesos de disparo. Antes da montaxe do núcleo, cada varistor pasa por probas completas (de frecuencia de rede, DC, impulsos de alta corrente, onda cuadrada, etc.). Só as pezas aprobadas se montan.

O desmontaxe mostra que estes pararrayos usan varistores non convencionais: diferentes contagens de varistores/arandelas metálicas entre unidades do mesmo modelo; formas irregulares, espesuras variables e arcos exteriores desiguais. Así, os núcleos están parcheados con fragmentos de varistores convencionais (diferentes especificacións/parámetros eléctricos), non de 10 kV estándar. A comparación entre fases defectuosas e normais confirma que isto é un defecto de fábrica, non inducido por fallos.

Estes varistores teñen un rendemento eléctrico inferior. As áreas de contacto desiguais empeoran a resistencia a sobretensións, a capacidade de corrente e a estabilidade, causando facilmente roturas durante os sobresaltos da liña.

3.3 Mal sellado da manga composta

O desmontaxe do pararrayos defectuoso No. 3: un extremo da manga composta está ben sellado co electrodo (Figura 5); o outro extremo carece de sellado fundido. Só un pouco de selante preenche a brecha entre o electrodo y o escudo de arco, inefectivo para a protección, causando brechas e ferralla grave do electrodo (Figura 6).

Este mal sellado deriva dun fundido insuficiente na produción, non de fallos.

A manga composta carece de sellado fundido nun lado do cilindro aislante de arco, e a superficie roscada do bloque de electrodo está gravemente ferrallada. Isto mostra que incluso con selante, a humidade pode infiltrarse no cilindro aislante de arco a través de brechas de rosca. Durante a operación, a humidade aderida á superficie da montaxe do núcleo de varistor aumenta a corrente de fuga e os componentes resistentes, causando calor grave. A operación a longo prazo leva a un aumento de temperatura dentro do cilindro aislante de arco, posiblemente fundindo e reventando a parede do cilindro, deteriorando gradualmente a calidade operativa do pararrayos.

Ao inspeccionar o pararrayos No. 4, atopouse unha espesor desigual da manga composta nun extremo do electrodo. Un micrómetro midiu a parte máis espesa a 4,985 mm e a máis fina só a 0,275 mm, como se mostra na Figura 7. A figura tamén mostra que a perforación da columna de electrodo central da manga non é un círculo estándar, indicando un mal sellado aquí.

A manga composta está principalmente feita de caucho de silicón. A súa espesor desigual resulta dun control de proceso pobre e excentricidade durante a etapa de vulcanización da produción. Para pararrayos de 10 kV convencionais, a manga composta ten unha espesor uniforme de 3-5 mm. O caucho de silicón demasiado fino presenta unha baixa resistencia ao envellecemento e é propenso a rachaduras. Non só permite a penetración de humidade e aderencia á superficie do cilindro aislante, causando fallos por humidade, senón que tamén pode comprometer o rendemento de aislamento externo do equipo, converténdose nun factor clave que restrinxe a calidade do produto.

3.4 Cualificado en probas convencionais, non cualificado en probas especiais

Realizaron probas relacionadas coa tensión DC no pararrayos normal No. 5, con resultados mostrados na Tabla 1.

Para verificar a súa capacidade de resistencia a correntes elevadas, realizouse unha proba de impulsos de corrente elevada no pararrayos normal No. 4. Incluso cando a corrente de impulso de proba estaba ben por debaixo do valor especificado no estándar, o pararrayos aínda experimentou unha ruptura e fragmentación, resultando nunha proba fallida. Datos detallados presentados na Tabla 2.

4. Recomendacións

Ao licitar e adquirir pararrayos (especialmente para redes de distribución), defínanse claramente as cualificacións do fornecedor e as especificacións técnicas. Escóllese fornecedores con procesos maduros e bo rendemento; evítense ofertas de custo demasiado baixo.

Durante a aceptación dos pararrayos de distribución entregados, as unidades de construción e operación deben seguir estándares como "Cinco pasos". Realícense comprobacións punto por punto, reténganse informes de probas de fábrica para asegurar taxas de cualificación.

Úsense plataformas de proba de centros de inspección de materiais provinciais. Realícense probas de muestreo (AC/DC, impulsos de corrente elevada, sellado) para pararrayos de 10 kV para bloquear produtos non cualificados da conexión á rede.

Despois da instalación, antes da puesta en servizo, siga estritamente o GB 50150-2016 para probas no terreo. Emita informes estandarizados, archíveos como se require. Asegure a xestión de datos de todo o proceso (produción → transporte → aceptación → proba de recepción → puesta en servizo). Despois da puesta en servizo, refórtense as patrullas/rrexistros. Na tempada de chuvias, use imaxen infravermella. Para o aquecemento anormal, desligue e substitúaa de inmediato para evitar a expansión do fallo.