Análise de descarga parcial de barras coletoras GIS juntas

CIS (Gas Insulated Switchgear) refere-se a um conjunto de equipamentos de comutação isolados a gás. Uma barramento é uma via comum à qual vários dispositivos estão conectados em paralelo. Em um CIS, o espaço interno do barramento é relativamente pequeno, mas opera sob alta tensão e corrente. Se ocorrer uma descarga parcial, pode afetar severamente o isolamento entre fases e representar uma ameaça significativa para a operação segura e estável do equipamento. Este artigo apresenta uma análise e solução de uma falha de descarga parcial em um barramento CIS, e introduz um esquema aprimorado de aperto para parafusos de barramento CIS como referência.

Situação da Falha

Um CIS de 220 kV em uma certa subestação foi colocado em operação em 20 de dezembro de 2016. Em março de 2017, durante uma detecção em linha viva na subestação, a equipe de operação e manutenção detectou sinais de frequência muito alta (VHF) óbvios no barramento, determinando preliminarmente que havia uma falha de descarga parcial no barramento.

Ao usar um detector de descarga parcial (modelo PDT-840MS) para detecção em linha viva, a equipe de operação e manutenção detectou sinais VHF óbvios no sensor embutido do barramento entre o disjuntor 204 do lado de 220 kV do transformador principal nº 4 e o disjuntor 225 da linha Xinguo de 220 kV. Os sinais mostraram dois agrupamentos distintos e simétricos, com grande quantidade de descarga. A amplitude máxima atingiu 67 dB, e sons anormais de descarga interna puderam ser ouvidos no local, indicando preliminarmente a presença de descarga parcial no equipamento. A empresa organizou para que o centro de manutenção realizasse uma nova medição, e sinais VHF e ultrassônicos anormais foram detectados simultaneamente.

A detecção ultrassônica mostrou que o valor de pico no modo contínuo era aproximadamente 120 mV, com uma certa correlação de frequência de 100 Hz, e o valor máximo no modo de fase era cerca de 70 mV. Após análise, determinou-se que a descarga flutuante foi causada pela vibração do isolamento entre fases dentro da câmara de gás do barramento 2B entre a baía do disjuntor 204 do lado de 220 kV do transformador principal nº 4 e a baía do disjuntor 225 da linha Xinguo de 220 kV.

Análise das Causas da Falha
Estatísticas de Carga e Inspeção da Baía de Barramento com Falha

As cargas da linha Xinguo de 220 kV e do disjuntor 204 do transformador principal nº 4 foram analisadas estatisticamente. A carga do barramento B de 220 kV não mostrou mudança significativa e não excedeu o valor nominal.

Pessoal de manutenção, juntamente com técnicos do fabricante, realizou uma inspeção de desmontagem na baía de barramento onde ocorreu a descarga parcial. Esta seção do barramento tem 7 m de comprimento e possui 6 suportes de isolamento entre fases internos. Após o desmonte do barramento, foram encontrados três parafusos soltos: a fase V do primeiro componente de isolamento entre fases, a fase V do quinto componente de isolamento entre fases e a fase W do sexto componente de isolamento entre fases. Dentre eles, o primeiro parafuso estava o mais solto, podendo ser removido diretamente, e havia uma grande quantidade de poeira ao seu redor.

Os fios metálicos de outros isoladores entre fases não mostraram danos evidentes, e a superfície do material do isolador não tinha rachaduras, arranhões ou depressões anormais. Outras partes dos condutores trifásicos de outros isoladores entre fases e outros pontos de conexão não mostraram anomalias. Os torques de aperto dos parafusos de conexão entre os outros 15 isoladores entre fases e os condutores atendiam aos requisitos especificados.

Análise e Verificação

• Qualidade dos Componentes do Módulo de Barramento e Instalação. Na inspeção, a qualidade da carcaça do duto de barramento e do condutor está de acordo com os requisitos técnicos de qualidade dos desenhos do fabricante. A retidão dos componentes em si atende aos requisitos de tolerância de forma dos desenhos. Os isoladores e seus inserts metálicos de graduação são fabricados por fundição e solidificação em moldes. Durante o processo de montagem na fábrica, usa-se um dispositivo especial para posicionar as posições espaciais relativas dos condutores trifásicos. No entanto, os torques de aperto dos parafusos de conexão entre os condutores e os isoladores não atendem totalmente aos requisitos do fabricante em alguns casos.

• Quando o barramento está em operação viva, as correntes trifásicas são simétricas, e cada condutor de fase está sujeito à mesma força eletrodinâmica alternada. As três fases estão distribuídas simetricamente no espaço. O condutor do barramento é um condutor oco, que tem maior resistência à flexão do que condutores. Sob instalação normal, os condutores trifásicos não se desviarão para qualquer posição angular fixa devido à força eletrodinâmica durante a operação.

• Cálculo de Resistência Mecânica. O fabricante calcula a resistência de conexão dos fixadores e determina que o comprimento de conexão entre o fio externo do parafuso e o fio interno do inserto do isolador precisa ser maior que o design atual de 16 mm, e a espessura do calço metálico precisa ser aumentada para pelo menos 7 mm (atualmente 4 mm). Isso pode atender aos requisitos de resistência mecânica sob a condição de conexão de único parafuso e força eletrodinâmica de 10 kN durante curto-circuito no barramento.

• Testes de Tipo. Os resultados do teste de estabilidade térmica (corrente de resistência de curta duração) de 500 A/3 s, teste de estabilidade dinâmica (corrente de pico de resistência) de 135 kA, especialmente o teste de elevação de temperatura sob corrente de barramento de 7 h/4000 A, mostram que não há soltura mecânica ou conexões anormais após os testes. Isso indica que o design existente para o aperto dos condutores do barramento é confiável sob condições de teste de tipo.

Determinação da Causa

Através da inspeção in loco e análise teórica, a causa principal desta falha é determinada como segue: os torques de aperto dos parafusos durante a montagem do fabricante não atendem aos padrões, e o comprimento de conexão dos parafusos e a espessura dos calços não atendem aos requisitos operacionais.

Esquema de Tratamento

Com base nos resultados das inspeções in loco e análises teóricas, foi proposto um novo esquema de aperto de parafusos para garantir a operação confiável do barramento.

• Utilizar parafusos de dupla extremidade que se conectam de maneira conjugada com os fios internos dos inserts metálicos dos isoladores anulares (no lado do fio mais curto do parafuso). Aplicar adesivo Loctite 603 número 2 na superfície dos fios externos do parafuso. Aplicar três tiras longitudinais de adesivo Loctite 603 a intervalos de aproximadamente 120° ao longo da circunferência do comprimento de fio de 24 mm, garantindo que toda a superfície de 360° do fio esteja coberta com o adesivo após o parafuso ser enroscado. Após o parafuso ser completamente inserido, utilizar papel de limpeza especial para remover qualquer excesso de adesivo.

• Usar porcas de travamento/antisolamento em combinação para prevenir efetivamente o afrouxamento dos parafusos. Adotar um componente de calço integrado com espessura de 8 mm.

• Utilizar uma chave de torque para apertar os parafusos, tomando um valor de 75 N·m, que está no limite superior do intervalo de (70±7) N·m. Para garantir que o torque de cada parafuso esteja conforme o padrão, implementar um sistema em que uma pessoa trabalha e outra verifica.

Após o aperto ser concluído, usar um aspirador, papel de limpeza especial e álcool para limpar completamente as áreas apertadas e as áreas de cavidades dos condutores.

Tratamento In Loco

Parafusos de dupla extremidade são usados para aumentar a força de aperto dos parafusos, e porcas de travamento são usadas para evitar o afrouxamento dos parafusos devido às forças eletrodinâmicas durante a operação normal. O fabricante realizou o trabalho de modificação dos parafusos neste barramento CIS de acordo com o esquema mencionado, e os resultados após a modificação foram satisfatórios.