Análise de Falha na Barra de Distribuição de 35kV RMU devido a Erros de Instalação

Este artigo apresenta um caso de falha de quebra de isolamento da barramento em unidade principal de anel de 35kV, analisa as causas da falha e propõe soluções [3], fornecendo referência para a construção e operação de estações de energia renovável.

1 Visão Geral do Acidente

Em 17 de março de 2023, um local de projeto de controle de desertificação fotovoltaica relatou um acidente de disparo de falta à terra na unidade principal de anel de 35kV [4]. O fabricante do equipamento organizou uma equipe de especialistas técnicos para ir ao local investigar a causa da falha. Ao inspecionar, foi constatado que o conector de quatro vias no topo do gabinete sofreu quebra de isolamento à terra. A Figura 1 mostra a condição do barramento da fase B no local do acidente. Como pode ser visto na Figura 1, havia uma substância branca em pó no barramento da fase B, suspeita de ser vestígios deixados após a quebra elétrica do barramento. Este sistema estava em operação energizada há apenas 8 dias.

De acordo com as inspeções e testes no local, foi constatado que a equipe de construção não seguiu estritamente as exigências do manual de instalação e operação do equipamento para instalação e inspeção, resultando em contato pobre dos condutores e superaquecimento, o que subsequentemente desencadeou a quebra de isolamento do barramento.

2 Testes e Inspeções no Local

2.1 Testes de Isolamento

Primeiro, a alimentação externa foi desconectada para desenergizar toda a subestação, a fim de localizar a posição da falha. O quadro de comando foi ajustado para o estado condutor (seccionador fechado, disjuntor fechado, seccionador de aterramento aberto). A resistência de isolamento foi medida nas fases A, B e C, respectivamente, nos terminais de saída do equipamento. O teste revelou que as leituras do megômetro para as fases A e C do equipamento se aproximaram do infinito (bom isolamento), enquanto a leitura do megômetro para a fase B foi inferior a 5MΩ, indicando baixo desempenho de isolamento na fase B do equipamento. Isso inicialmente sugeriu um problema de isolamento em algum local na fase B do equipamento.

2.2 Inspeção do Registro de Falhas

O registro de falhas no local é mostrado na Figura 2. Como pode ser visto na Figura 2, no momento da ocorrência da falha, a tensão das fases A e C no barramento de 35kV número 1 subiu para a tensão de linha, enquanto a tensão da fase B ficou próxima de zero.

2.3 Inspeção Visual do Equipamento no Local

O barramento da Seção I tem 9 gabinetes. Através da inspeção visual do equipamento no local, foi encontrada uma substância branca em pó no barramento da fase B, suspeita de ser vestígio deixado após a quebra elétrica do barramento. Isso identificou que o acidente de quebra de isolamento do barramento ocorreu no gabinete 1AH8 do barramento da Seção I.

2.4 Desmontagem e Inspeção do Local da Falha

Após abrir a cobertura de isolamento do barramento da fase B, foi constatado que o plugue de isolamento não estava adequadamente fixado, conforme mostrado na Figura 3, e os segmentos de condutor do azulejo do barramento não estavam firmemente pressionados, conforme mostrado na Figura 4.

2.5 Desmontagem Secundária e Inspeção do Barramento Isolado

O conector de quatro vias danificado do barramento foi cortado para análise. Foi constatado que a estrutura interna do conector de quatro vias exibiu ablação severa de alta temperatura, conforme mostrado na Figura 5. O plugue de isolamento próximo à área do condutor também exibiu ablação severa de alta temperatura, conforme mostrado na Figura 6.

2.6 Inspeção dos Barramentos Isolados das Fases A e C no Topo do Gabinete

Através da inspeção dos restantes barramentos isolados das fases A e C, verificou-se que sua execução de instalação estava correta, sem observação de descoloração ou ablação nas posições de condução de corrente dos condutores do equipamento.

3 Análise das Causas da Quebra de Isolamento do Barramento

3.1 Determinação do Escopo da Falha

Testes de resistência de isolamento foram realizados no equipamento no local. Foi constatado que as fases A e C passaram no teste de isolamento, enquanto a fase B falhou. Além disso, os dados do registro de falhas no local mostraram que o barramento da fase B sofreu um curto-circuito à terra. Quando a falha ocorreu, a tensão das fases A e C no barramento de 35kV número 1 subiu para a tensão de linha, enquanto a tensão da fase B se aproximou de zero. Isso é característico de uma típica falha de curto-circuito metálico monofásico (quebra de isolamento do barramento da fase B à terra). Através da investigação, a localização da falha foi identificada no enlace do barramento da fase B no gabinete 1AH8.

3.2 Valores de Corrente de Sequência Zero e Corrente do Barramento

419 milissegundos após a ocorrência da falha, a proteção de sobrecorrente de sequência zero do transformador de aterramento operou 452 milissegundos após a falha, a corrente de falha desapareceu. Verificando o microcomputador do transformador de aterramento, registrou-se uma operação de proteção de corrente de sequência zero, conforme mostrado na Figura 7. O valor de operação foi de 0,552A (com uma razão de corrente do TC de sequência zero de 100/1), que coincidiu com os valores do registro de falhas, conforme mostrado na Figura 8.

De acordo com o registro de falhas, o valor eficaz da corrente secundária da barra de ramo de baixa tensão número 1 foi de 0,5 a 0,6 A. Como a razão de corrente do TC era 2000/1, foi calculado que a corrente na barra I naquele momento atingiu 1000 a 1200 A.

3.3 Impacto da Qualidade da Instalação

Através da desmontagem e inspeção da barra isolada da fase B no local da falha (gaveta 1AH8), descobriu-se que o plugue de isolamento da fase B não estava adequadamente travado e apertado, o que resultou nos condutores internos do conector de quatro vias não estarem pressionados firmemente juntos. Isso resultou em uma área de contato reduzida no ponto de conexão da barra principal, causando um aumento da resistência nesse local.

onde: R é a resistência do circuito (Ω); ρ é a resistividade do condutor (Ω·m); L é o comprimento do condutor (m); S é a seção transversal do condutor (m²). A partir da fórmula (1), pode-se ver que quando a área de contato é menor, a resistência do circuito do equipamento torna-se maior. De acordo com a fórmula (2), mais calor é gerado por unidade de tempo durante a operação. Quando a dissipação de calor é menor que a geração de calor, o calor se acumula continuamente nesse local. Após atingir certo grau (ponto crítico), o isolamento nesse local é danificado, resultando em ruptura de isolamento e acionamento de uma falha a terra.

onde: Q é calor (J); I é corrente (A); R é resistência (Ω); t é tempo (s).

Em resumo, a alta temperatura causou a deterioração do desempenho de isolamento da barra, desencadeando a ruptura do isolamento da barra. Quando o conector de quatro vias da gaveta 1AH8 foi removido no local, sua porca e parafuso já haviam derretido juntos devido à descarga elétrica e ablação de alta temperatura, tornando impossível a desmontagem, conforme mostrado na Figura 9.

4 Tratamento de Falhas e Recomendações

4.1 Medidas de Tratamento de Falhas

Prepare os materiais, equipamentos e ferramentas relevantes, complete os procedimentos de permissão de trabalho no local, substitua as barras isoladas danificadas no local, como tubos isolantes trifásicos, tubos isolantes quádruplos e tubos retos isolantes, substitua os tubos do tipo F descoloridos devido à alta temperatura, realize testes relevantes e, finalmente, restaure o fornecimento de energia.

4.2 Recomendações Preventivas

Antes da instalação do equipamento, os técnicos do fabricante do equipamento devem fornecer treinamento profissional aos membros da equipe de construção no local e explicar as precauções relevantes. Durante a instalação da barra, a equipe de construção deve seguir estritamente os procedimentos de instalação no manual de operação do fabricante. Após a conclusão da instalação no local, uma chave dinamométrica deve ser usada para verificação, garantindo que a instalação da barra esteja adequadamente apertada. 

Após a conclusão da instalação do equipamento, os técnicos de teste no local precisam realizar testes de resistência de circuito e testes de tensão de frequência de rede no equipamento. Esses testes podem identificar problemas antecipadamente e prevenir a escalada de acidentes. O equipamento só pode ser colocado em operação oficial após aprovação na inspeção. Durante a operação do equipamento, as subestações de distribuição podem considerar a implementação de uma estratégia de inspeção distribuída no tempo e espaço para salas de subestação de distribuição, a fim de identificar riscos potenciais de operação do equipamento o mais cedo possível.

5 Conclusão 

Este artigo introduz uma falha de ruptura de isolamento da barra de uma unidade de anel de 35 kV, realizou inspeção de falha no local, análise de ondas de falha e análise das causas da falha. O disjuntor disparou porque a camada de isolamento da barra rompeu, causando uma falha a terra que acionou a proteção. Este incidente demonstra que a qualidade da instalação tem um impacto significativo na operação de longo prazo do equipamento. 

Embora a qualidade e o serviço dos produtos de energia relevantes na China tenham melhorado muito nos últimos anos, ainda ocorrem acidentes causados por problemas de construção e instalação, como aquecimento anormal e até explosões de ruptura nos terminais do equipamento. Com o desenvolvimento contínuo da indústria de energia da China, fortalecer o treinamento profissional para o pessoal relevante é de grande importância para o rápido desenvolvimento da indústria de energia da China.