Análise da descarga parcial de barras de GIS xuntas

O CIS (Gas Insulated Switchgear) refírese a un conxunto de interruptores aislados por gas. Un barramento é unha via común á que se conectan múltiples dispositivos en paralelo. No CIS, o espazo interno do barramento é relativamente pequeno, pero opera baixo alta tensión e corrente. A descarga local, se ocorre, pode afectar gravemente o aislamento entre fases e supoñer unha ameaza significativa para a operación segura e estable do equipo. Este artigo presenta unha análise e solución dunha falla de descarga local nun barramento CIS, e introduce un esquema mellorado de aperto para os parafusos do barramento CIS como referencia.

Situación da Falla

Un CIS de 220 kV nunha certa subestación foi posto en servizo o 20 de decembro de 2016. En marzo de 2017, durante unha detección en vivo da subestación, o persoal de operación e mantemento detectou sinais obvios de moi alta frecuencia (VHF) no barramento, determinando preliminarmente que había unha falla de descarga local no barramento.

Ao utilizar un detector de descargas parciais (modelo PDT-840MS) para a detección en vivo, o persoal de operación e mantemento detectou sinais VHF obvios no sensor integrado do barramento entre o interruptor 204 do lado de 220 kV do transformador principal número 4 e o interruptor 225 da liña Xinguo de 220 kV. Os sinais mostraban dous grupos distintos e simétricos, cunha cantidade grande de descarga. A amplitud máxima alcanzou 67 dB, e podían escucharse sons anómalos de descarga interna no local, indicando preliminarmente a presenza de descarga local no equipo. A empresa dispuxo que o centro de mantemento realizase unha nova medida, e detectáronse simultaneamente sinais VHF e ultrasonidos anómalos.

A detección ultrasonora mostrou que o valor pico no modo continuo era aproximadamente 120 mV, cunha certa correlación de frecuencia de 100 Hz, e o valor máximo no modo de fase era aproximadamente 70 mV. Despois da análise, determinouse que a descarga flotante foi causada pola vibración do aislamento entre fases dentro da cámara de gas do barramento 2B entre a bahía do interruptor 204 do lado de 220 kV do transformador principal número 4 e a bahía do interruptor 225 da liña Xinguo de 220 kV.

Análise das Causas da Falla
Estadísticas de Carga e Inspección da Bahía do Barramento Afectada

Foron analizadas as cargas da liña Xinguo de 220 kV e do interruptor 204 do transformador principal número 4. A carga do barramento B de 220 kV non mostrou cambios significativos e non superou o valor nominal.

O persoal de mantemento, xunto co técnicos do fabricante, realizou unha inspección desmontaxe da bahía do barramento onde ocorreu a descarga local. Esta sección do barramento ten 7 m de lonxitude e conta con 6 soportes de aislamento entre fases no interior. Despois de desmontar o barramento, atopáronse tres parafusos afloixados: a fase V do primeiro componente de aislamento entre fases, a fase V do quinto componente de aislamento entre fases e a fase W do sexto componente de aislamento entre fases. Entre eles, o primeiro parafuso estaba o máis afloixado, podéndose retirar directamente, e había unha gran cantidade de po de alrededor.

Os rosca dos insertos metálicos nos outros aisladores entre fases non mostraron danos obvios, e a superficie do material do aislador non tiña fisuras, rallas ou depresións anómalas. Outras partes dos conductores trifásicos dos outros aisladores entre fases e outros puntos de conexión non mostraron anormalidades. As torques de aperto dos parafusos de conexión entre os outros 15 aisladores entre fases e os conductores cumpriron os requisitos especificados.

Análise e Verificación

• Calidade dos Compoñentes do Módulo do Barramento e Instalación. Ao inspeccionar, a calidade da carcasa do ducto do barramento e do conductor cumple cos requisitos técnicos de calidade dos planos do fabricante. A rectitude dos compoñentes en si mesmos cumpre os tolerancias de forma dos planos. Os aisladores e os seus insertos metálicos de gradación son fabricados por fundición e solidificación en un molde. Durante o proceso de montaxe na fábrica, usa-se un dispositivo especial para posicionar as posicións espaciais relativas dos conductores trifásicos. Pero as torques de aperto dos parafusos de conexión entre os conductores e os aisladores non cumpren completamente os requisitos do fabricante en algúns casos.

• Cando o barramento está en funcionamento, as correntes trifásicas son simétricas, e cada conductor de fase está suxeito á mesma forza eletrodinámica alternada. As tres fases están distribuídas simetricamente no espazo. O conductor do barramento é un conductor oco, que ten unha maior resistencia ao doblado que os conductores. Baixo unha instalación normal, os conductores trifásicos non se desviarán cara ningunha posición angular fixa debido á forza eletrodinámica durante a operación.

• Cálculo de Resistencia Mecánica. O fabricante calcula a resistencia de conexión dos elementos de fijación e determina que a lonxitude de conexión entre a rosca externa do parafuso e a rosca interna do inserto do aislador debe ser maior que o actual deseño de 16 mm, e a espesor do espaciador metálico debe aumentarse a polo menos 7 mm (actualmente 4 mm). Isto pode cumprir os requisitos de resistencia mecánica baixo a condición de conexión de único parafuso e unha forza eletrodinámica de 10 kN durante un curto circuito no barramento.

• Ensayos Tipo. Os resultados do ensaio de estabilidade térmica de 500 A/3 s (corrente de resistencia a breve duración), o ensaio de estabilidade dinámica de 135 kA (corrente de pico de resistencia), especialmente o ensaio de elevación de temperatura baixa corrente do barramento de 7 h/4000 A, mostran que non hai solturas mecánicas obvias ou conexiones anómalas despois dos ensaios. Isto indica que o deseño existente para o aperto dos conductores do barramento é confiable baixo as condicións de ensaio tipo.

Determinación da Causa

A través da inspección no local e a análise teórica, a causa principal desta falla foi determinada como segue: As torques de aperto dos parafusos durante o montaxe do fabricante non cumpren as normas, e a lonxitude de conexión dos parafusos e a espesor dos espaciadores non poden cumprir os requisitos operativos.

Esquema de Tratamento

Baixo os resultados das inspeccións no local e as análises teóricas, propôuse un novo esquema de aperto de parafusos para asegurar a operación confiable do barramento.

• Empregar parafusos de dúas cabezas que se conectan de maneira acoplada coas roscas internas dos insertos metálicos dos aisladores anulares (no lado da rosca máis curta do parafuso). Aplicar adhesivo Loctite 603 Número 2 na superficie das roscas externas do parafuso. Aplicar tres tiras longitudinales de adhesivo Loctite 603 a intervalos de aproximadamente 120° ao longo da circunferencia da lonxitude de 24 mm da rosca, asegurando que a superficie completa de 360° da rosca estea recuberta de adhesivo despois de atornillar. Despois de que o parafuso estea totalmente inserido, usar papel de limpeza especial para eliminar o adhesivo sobrante.

• Usar tarraxas de autocierre/antideslizantes en combinación para prevenir eficazmente o afloxo dos parafusos. Adoptar un compoñente de espaciador integrado con unha espesor de 8 mm.

• Usar unha llave dinamométrica para apertar os parafusos, tomando un valor de 75 N·m, que está no extremo superior do rango de (70±7) N·m. Para asegurar que a torque de cada parafuso cumpra as normas, implementar un sistema onde unha persoa traballe e outra verifique.

Despois de completado o aperto, usar un aspirador, papel de limpeza especial e alcohol para limpar a fondo as áreas apretadas e as cavidades dos conductores.

Tratamento no Local

Parafusos de dúas cabezas usáronse para reforzar a forza de aperto dos parafusos, e tarraxas de autocierre usáronse para prevenir o afloxo dos parafusos debido ás forzas eletrodinámicas durante a operación normal. O fabricante realizou o traballo de modificación dos parafusos neste barramento GIS segundo o esquema mencionado, e os resultados despois da modificación foron satisfactorios.