Análisis de la descarga parcial de las barras colectoras GIS juntas

CIS (Gas Insulated Switchgear) se refiere a un conjunto de interruptores aislados por gas. Una barra colectora es una vía común a la que se conectan múltiples dispositivos en paralelo. En un CIS, el espacio interno de la barra colectora es relativamente pequeño, pero opera bajo alta tensión y corriente. Si ocurre una descarga parcial, puede afectar seriamente el aislamiento entre fases y representar una amenaza significativa para la operación segura y estable del equipo. Este artículo presenta un análisis y solución de una falla de descarga parcial en una barra colectora de CIS, e introduce un esquema mejorado de apriete para los pernos de la barra colectora de CIS como referencia.

Situación de la Falla

Un CIS de 220 kV en una subestación específica fue puesto en operación el 20 de diciembre de 2016. En marzo de 2017, durante una detección en vivo de la subestación, el personal de operación y mantenimiento detectó señales obvias de muy alta frecuencia (VHF) en la barra colectora, determinando preliminarmente que había una falla de descarga parcial en la barra colectora.

Al utilizar un detector de descargas parciales (modelo PDT-840MS) para la detección en vivo, el personal de operación y mantenimiento detectó señales VHF obvias en el sensor incorporado de la barra colectora entre el interruptor 204 del lado de 220 kV del transformador principal No. 4 y el interruptor 225 de la línea Xinguo de 220 kV. Las señales mostraron dos grupos distintos y simétricos, con una gran cantidad de descarga. La amplitud máxima alcanzó 67 dB, y se pudieron escuchar sonidos anormales de descarga interna en el sitio, indicando preliminarmente la presencia de descarga parcial en el equipo. La empresa organizó al centro de mantenimiento para realizar una nueva medición, y se detectaron simultáneamente señales VHF y ultrasónicas anormales.

La detección ultrasónica mostró que el valor pico en modo continuo fue aproximadamente 120 mV, con cierta correlación de frecuencia de 100 Hz, y el valor máximo en modo de fase fue de alrededor de 70 mV. Después del análisis, se determinó que la descarga flotante fue causada por la vibración del aislamiento entre fases dentro de la cámara de gas de la barra colectora 2B entre el bay del interruptor 204 del lado de 220 kV del transformador principal No. 4 y el bay del interruptor 225 de la línea Xinguo de 220 kV.

Análisis de las Causas de la Falla
Estadísticas de Carga e Inspección del Bay de la Barra Colectora con Falla

Se analizaron estadísticamente las cargas de la línea Xinguo de 220 kV y del interruptor 204 del transformador principal No. 4. La carga de la barra colectora B de 220 kV no mostró cambios significativos y no superó el valor nominal.

El personal de mantenimiento, junto con los técnicos del fabricante, realizó una inspección desmontando el bay de la barra colectora donde ocurrió la descarga parcial. Esta sección de la barra colectora tiene 7 m de longitud y cuenta con 6 soportes de aislamiento entre fases en su interior. Tras desmontar la barra colectora, se encontraron tres pernos sueltos: la fase V del primer componente de aislamiento entre fases, la fase V del quinto componente de aislamiento entre fases y la fase W del sexto componente de aislamiento entre fases. Entre ellos, el primer perno era el más suelto, pudiendo ser retirado directamente, y había una gran cantidad de polvo alrededor de él.

Los hilos de los insertos metálicos de otros aisladores entre fases no mostraban daños evidentes, y la superficie del material del aislador no tenía grietas, arañazos ni depresiones anormales. Otras partes de los conductores trifásicos de otros aisladores entre fases y otros puntos de conexión no mostraron anomalías. Los torques de apriete de los pernos de conexión entre los otros 15 aisladores entre fases y los conductores cumplían con los requisitos especificados.

Análisis y Verificación

• Calidad de los Componentes Modulares de la Barra Colectora e Instalación. Al inspeccionar, la calidad de la carcasa del conducto de la barra colectora y del conductor cumple con los requisitos técnicos de calidad de los planos del fabricante. La rectitud de los componentes en sí mismos cumple con los requisitos de tolerancia de forma de los planos. Los aisladores y sus insertos metálicos de gradiente se fabrican fundiendo y solidificando en un molde. Durante el proceso de ensamblaje en fábrica, se utiliza un dispositivo especial para posicionar las posiciones espaciales relativas de los conductores trifásicos. Sin embargo, los torques de apriete de los pernos de conexión entre los conductores y los aisladores no cumplen plenamente con los requisitos del fabricante en algunos casos.

• Cuando la barra colectora está en operación, las corrientes trifásicas son simétricas, y cada conductor de fase está sometido a la misma fuerza electrodinámica alterna. Las tres fases están distribuidas simétricamente en el espacio. El conductor de la barra colectora es un conductor hueco, que tiene una mayor resistencia a la flexión que los conductores. Con una instalación normal, los conductores trifásicos no se desviarán hacia ninguna posición angular fija debido a la fuerza electrodinámica durante la operación.

• Cálculo de la Resistencia Mecánica. El fabricante calcula la resistencia de conexión de los elementos de fijación y determina que la longitud de conexión entre el hilo externo del perno y el hilo interno del inserto del aislador necesita ser mayor que el diseño actual de 16 mm, y el grosor de la arandela metálica necesita aumentarse a al menos 7 mm (actualmente 4 mm). Esto puede cumplir con los requisitos de resistencia mecánica bajo la condición de una conexión de un solo perno y una fuerza electrodinámica de 10 kN durante un cortocircuito de la barra colectora.

• Pruebas Tipo. Los resultados de la prueba de estabilidad térmica (corriente de corta duración soportada) de 500 A/3 s, la prueba de estabilidad dinámica (corriente de pico soportada) de 135 kA, especialmente la prueba de elevación de temperatura bajo una corriente de la barra colectora de 7 h/4000 A, muestran que no hay aflojamiento mecánico o conexiones anormales después de las pruebas. Esto indica que el diseño existente para el apriete de los conductores de la barra colectora es confiable bajo condiciones de prueba tipo.

Determinación de la Causa

A través de la inspección in situ y el análisis teórico, se determina que la causa principal de esta falla es la siguiente: los torques de apriete de los pernos durante el ensamblaje del fabricante no cumplen con los estándares, y la longitud de conexión de los pernos y el grosor de las arandelas no pueden cumplir con los requisitos operativos.

Esquema de Tratamiento

Basado en los resultados de las inspecciones in situ y los análisis teóricos, se ha propuesto un nuevo esquema de apriete de pernos para garantizar la operación confiable de la barra colectora.

• Utilizar tornillos doble extremo que se conectan mediante roscas internas de los insertos metálicos de los aisladores anulares (en el lado del hilo más corto del tornillo). Aplicar adhesivo Loctite 603 No. 2 a la superficie de los hilos externos del tornillo. Aplicar tres franjas longitudinales de adhesivo Loctite 603 a intervalos de aproximadamente 120° a lo largo de la circunferencia de la longitud del hilo de 24 mm, asegurando que toda la superficie de 360° del hilo esté cubierta con el adhesivo después de atornillar. Después de que el perno esté completamente insertado, usar papel de limpieza especial para eliminar cualquier exceso de adhesivo.

• Usar tuercas de autobloqueo/antideslizantes en combinación para prevenir eficazmente el aflojamiento de los pernos. Adoptar un componente de arandela integrada con un grosor de 8 mm.

• Usar una llave dinamométrica para apretar los pernos, tomando un valor de 75 N·m, que está en el extremo superior del rango (70±7) N·m. Para asegurar que el torque de cada perno cumpla con los estándares, implementar un sistema donde una persona trabaja y otra verifica.

Una vez completado el apriete, usar un aspirador, papel de limpieza especial y alcohol para limpiar a fondo las áreas apretadas y las cavidades de los conductores.

Tratamiento In Situ

Se utilizan pernos doble extremo para reforzar la fuerza de apriete de los pernos, y tuercas de autobloqueo para prevenir el aflojamiento de los pernos debido a las fuerzas electrodinámicas durante la operación normal. El fabricante llevó a cabo el trabajo de modificación de los pernos en esta barra colectora de GIS según el esquema mencionado, y los resultados después de la modificación fueron satisfactorios.