Anàlisi de la descàrrega parcial de les barres de GIS juntes

CIS (Gas Insulated Switchgear) fa referència a un conjunt d'equips de commutació tancats i aïllats amb gas. La barra de distribució és una via comuna on es connecten diversos dispositius en paral·lel. En un CIS, l'espai intern de la barra de distribució és relativament petit, però opera sota alta tensió i corrent. Si es produeix una descàrrega local, pot afectar greument l'aïllament entre fases i posar en risc la seguretat i estabilitat de l'operació dels equips. Aquest article presenta un anàlisi i solució d'una falla de descàrrega local en una barra de distribució CIS, i introdueix un esquema millorat de fixació per als torns de la barra de distribució CIS com a referència.

Situació de la Falla

Un CIS de 220 kV en una certa subestació va ser posat en funcionament el 20 de desembre de 2016. El març de 2017, durant una detecció en línia de la subestació, el personal d'operació i manteniment va detectar senyals de molt alta freqüència (VHF) evidents en la barra de distribució, determinant preliminarment que hi havia una falla de descàrrega local en la barra de distribució.

Quan s'utilitzava un detector de descàrrega parcial (model PDT-840MS) per a la detecció en línia, el personal d'operació i manteniment va detectar senyals VHF evidents en el sensor integrat de la barra de distribució entre el disjuntor 204 al costat de 220 kV del transformador principal número 4 i el disjuntor 225 de la Línia Xinguo de 220 kV. Els senyals mostraven dos grups distintes i simètrics, amb una gran quantitat de descàrrega. L'amplitud màxima va assolir els 67 dB, i es van poder escoltar sons de descàrrega interna anòmala in situ, indicant preliminarment la presència de descàrrega local en l'equip. La companyia va organitzar que el centre de manteniment realitzés una nova mesura, i es van detectar simultàniament senyals VHF i ultrasònics anòmals.

La detecció ultrasònica va mostrar que el valor màxim en mode continu era aproximadament 120 mV, amb una certa correlació de freqüència de 100 Hz, i el valor màxim en mode de fase era d'uns 70 mV. Després de l'anàlisi, es va determinar que la descàrrega flotant estava causada per la vibració de l'aïllament entre fases a l'interior de la cambra de gas de la barra 2B entre el quadre del disjuntor 204 al costat de 220 kV del transformador principal número 4 i el quadre del disjuntor 225 de la Línia Xinguo de 220 kV.

Anàlisi de les Causes de la Falla
Estadístiques de Càrrega i Inspecció del Quadre de la Barra de Distribució Defectuosa

Es van analitzar estadísticament les càrregues de la Línia Xinguo de 220 kV i el disjuntor 204 del transformador principal número 4. La càrrega de la barra de secció B de 220 kV no va mostrar cap canvi significatiu i no va superar el valor nominal.

El personal de manteniment, juntament amb els tècnics del fabricant, va realitzar una inspecció desmuntant el quadre de la barra de distribució on es va produir la descàrrega local. Aquesta secció de la barra de distribució té 7 m de llargada i té sis suports d'aïllament entre fases a l'interior. Després de desmuntar la barra de distribució, es van trobar tres torns alliberats: la fase V del primer component d'aïllament entre fases, la fase V del cinquè component d'aïllament entre fases, i la fase W del sisè component d'aïllament entre fases. D'entre ells, el primer torn era el més alliberat, que es podia treure directament, i hi havia una gran quantitat de pols al voltant seu.

Les roscades dels inserts metàl·lics en altres aïllants entre fases no mostraven cap dan de manera evident, i la superfície del material de l'aïllant no tenia creixals, raigs o depressions anòmal·les. Altres parts dels conductors trifàsics d'altres aïllants entre fases i altres punts de connexió no mostraven irregularitats. Les tensions de fixació dels torns de connexió entre els altres 15 aïllants entre fases i els conductors complien amb els requisits especificats.

Anàlisi i Verificació

• Qualitat dels Components del Mòdul de la Barra de Distribució i Instal·lació. Després de l'inspecció, la qualitat de la carcassa del ducte de la barra de distribució i el conductor compleixen amb els requisits tècnics de qualitat dels dibuixos del fabricant. La rectitud dels components mateixos compleix amb els requisits de tolerància de forma dels dibuixos. Els aïllants i els seus inserts metàl·lics de grau són fabricats per fonció i solidificació en un molde. Durant el procés d'ensamblatge a fàbrica, es fa servir un aparell especial per a posicionar les posicions espacials relatives dels conductors trifàsics. No obstant això, les tensions de fixació dels torns de connexió entre els conductors i els aïllants no compleixen totalment amb els requisits del fabricant en alguns casos.

• Quan la barra de distribució està en funcionament en línia, les corrents trifàsiques són simètriques, i cada conductor de fase està sotmès a la mateixa força electrodinàmica alternativa. Les tres fases estan distribuïdes simètricament en l'espai. El conductor de la barra de distribució és un conductor buit, que té una major resistència a la flexió que els conductors. En una instal·lació normal, els conductors trifàsics no es desviaràn cap a cap posició angular fixa degut a la força electrodinàmica durant l'operació.

• Càlcul de la Força Mecànica. El fabricant calcula la força de connexió dels elements de fixació i determina que la longitud de connexió entre la roscada externa del torn i la roscada interna de l'insert de l'aïllant ha de ser superior a la dissenyada actualment de 16 mm, i l'espessor de la xapa metàl·lica ha de ser incrementat com a mínim a 7 mm (actualment 4 mm). Això pot complir amb els requisits de força mecànica en condicions d'una sola connexió de torn i una força electrodinàmica de 10 kN durant un curtcircuí de la barra de distribució.

• Proves de Tipus. Els resultats de la prova de estabilitat tèrmica (corrent de resistència a curt termini) de 500 A/3 s, la prova de estabilitat dinàmica (corrent de pico de resistència) de 135 kA, especialment la prova de elevació de temperatura sota una corrent de la barra de distribució de 7 h/4000 A, mostren que no hi ha aflojaments mecànics evidents ni connexions anòmals després de les proves. Això indica que el disseny existent per a fixar els conductors de la barra de distribució és fiable en condicions de proves de tipus.

Determinació de la Causa

A través de l'inspecció in situ i l'anàlisi teòrica, s'ha determinat que la causa principal d'aquesta falla és la següent: les tensions de fixació dels torns durant l'ensamblatge del fabricant no compleixen amb els estàndards, i la longitud de connexió dels torns i l'espessor de les xapes no compleixen amb els requisits operatius.

Esquema de Tractament

Basant-se en els resultats de les inspeccions in situ i les anàlisis teòriques, s'ha proposat un nou esquema de fixació de torns per assegurar el funcionament fiable de la barra de distribució.

• Utilitzar torns doble extrem que s'encasten amb les roscades internes dels inserts metàl·lics dels aïllants anulars (al costat de la roscada més curta del torn). Aplicar adhesiu Loctite 603 número 2 a la superfície de les roscades externes del torn. Aplicar tres franges longitudinals d'adhesiu Loctite 603 a intervals d'aproximadament 120° al voltant de la longitud de la roscada de 24 mm, assegurant que tota la superfície de 360° de la roscada estigui coberta d'adhesiu després de fer-lo entrar. Un cop el torn estigui completament inserit, utilitzar paper especial de neteja per eliminar qualsevol excés d'adhesiu.

• Utilitzar nuts autoblocants/antialliberaments en combinació per prevenir eficientment l'alliberament dels torns. Adoptar un component de xapa integrada amb un espessor de 8 mm.

• Utilitzar una clau de torque per apretar els torns, prenent un valor de 75 N·m, que està al final superior de l'interval (70±7) N·m. Per assegurar que el torque de cada torn estigui a norma, implementar un sistema on una persona treballa i una altra verifica.

Després de completar la fixació, utilitzar un aspirador, paper especial de neteja i alcohol per netejar a fons les zones apretades i les cavities dels conductors.

Tractament In Situ

Es fan servir torns doble extrem per augmentar la força de fixació dels torns, i nuts autoblocants per prevenir l'alliberament dels torns degut a forces electrodinàmiques durant l'operació normal. El fabricant va realitzar la modificació dels torns en aquesta barra de distribució GIS segons l'esquema mencionat, i els resultats després de la modificació han estat satisfactoris.