Analýza a řešení poruch izolace v 35kV venkovních vakuumových vypínačích

Popis zařízení

Typ ZW7 - 40.5 venkovní vysoké napětí vakuumový spínač je venkovně instalované, třífázové, AC 50 Hz vysokonapěťové elektrické zařízení, které používá vakuum jako středivo pro udušení oblouku. Je primárně určen k přepínání nominálního a poruchového proudu v systému vysokého napětí 40.5 kV [1] a je zvláště vhodný pro místa, kde jsou požadovány časté operace.

Celková struktura tohoto produktu je typu porcelánová trubka, jak je znázorněno na obrázku 1. Horní porcelánová trubka je trubka vakuumového přerušovače, ve které je nainstalován vakuumový přerušovač, a dolní porcelánová trubka je podpůrná porcelánová trubka. Obě, trubka vakuumového přerušovače i podpůrná porcelánová trubka, jsou vyplněny vakuumovým izolačním tukem s vynikajícími izolačními vlastnostmi. Tři fáze porcelánových trubek jsou nainstalovány na jednom rámci.

Třífázové proudové transformátory jsou nainstalovány uvnitř tohoto rámce a jsou připojeny k hlavnímu obvodu spínače uvnitř třífázových podpůrných porcelánových trubek. Rámec je opatřen uzavíracími deskami ze všech čtyř stran a zdola, aby byl přizpůsoben venkovnímu prostředí.

Pohyblivý konec vakuumového přerušovače je spojen s vývodním hřídelem pohonných mechanizmů prostřednictvím kolíku a izolačné tyče. Otevírání a zavírání spínače, stejně jako řídicí a ochranné vedení, jsou vedeny komponenty a terminály uvnitř skříně mechanismu. Třífázové propojení je dosaženo prostřednictvím ovládací a přenosné struktury.

Obrázek 1 Schéma vakuumového spínače

Analýza příčin vady

Dne 18. března 2010, během rutinní stavové údržby zařízení v určitém rozvodném podsíti, testovací personál zjistil, že došlo k izolačnímu propadu fáze A 3515 vakuumového spínače (typ: ZW7 - 40.5/T1250 - 25) během zkoušky odolnosti proti střídavému napětí.

Testovací personál provedl relevantní analýzu a testy ohledně izolačního propadu fáze A 3515 spínače. Konkrétní data jsou uvedena v tabulce 1 níže:

Podle pravidel pro rutinní testy Státní elektrárny byla izolační odpor vakuumových spínačů nad 35 kV neměla být nižší než 3000 MΩ, a zkouška odolnosti proti střídavému napětí měla být 80% hodnoty z továrny, tedy 76 kV/min. Předtím, než testovací personál provedl zkoušku odolnosti proti střídavému napětí 3515 vakuumového spínače, izolační odpor hlavního obvodu ve všech třech fázích splňoval požadavky pravidel.

Následně testovací personál provedl zkoušky odolnosti proti střídavému napětí hlavních obvodů v každé fázi zvlášť. Zjistilo se, že když se napětí fáze A zvýšilo na 35 kV, proud okamžitě vzrostl a došlo k propadu.

Po výskytu tohoto jevu testovací personál provedl následující testy na základě struktury tohoto typu spínače:

• Vakuumový spínač byl otevřen a provedena byla zkouška izolačního odporu horní porcelánové trubky spínače. Testovací data splňovala požadavky pravidel, což potvrdilo, že vadná část byla v dolní porcelánové trubce.

• Provedena byla zkouška izolačního odporu dolní porcelánové trubky. Testovací data nesplňovala požadavky pravidel, což dále potvrdilo, že vadná část byla v dolní porcelánové trubce.

• Dolní porcelánová trubka se skládala z těla dolní porcelánové trubky, izolačného tyče a podpůrné porcelánové vázy. Proto testovací personál odpojil kolík mezi izolačnou tyčí a podpůrnou porcelánovou vázou a provedl zkoušky izolačního odporu izolační tyče a podpůrné porcelánové vázy zvlášť. Izolační odpory jak podpůrné porcelánové vázy, tak izolačné tyče splňovaly požadavky pravidel, což určilo, že vadná část byla v těle dolní porcelánové trubky.

• Tělo dolní porcelánové trubky obsahovalo vakuumový izolační tuk a proudové transformátory. Snížení izolačního odporu mohlo být způsobeno vlhkostí vakuumového izolačního tuku a propadem proudových transformátorů.

Řešení vady

Na konci října 2010 výrobce rozebral a prozkoumal spínač fáze A. Testovací kroky a výsledky byly následující:

• Horní porcelánová trubka a podpora vakuumového spínače byly odstraněny a přímo uvnitř podpůrné porcelánové vázy byla provedena zkouška izolačního odporu. Testovací výsledky potvrdily, že výše uvedená analýza byla přesná.

• Vakuumový izolační tuk a proudové transformátory vakuumového spínače byly odděleny a provedeny byly zkoušky izolačního odporu na nich zvlášť. Izolační odpor vakuumového izolačního tuku byl přibližně 50 MΩ, zatímco izolační odpor proudových transformátorů splňoval požadavky pravidel. Bylo určeno, že izolační propad byl způsoben vakuumovým izolačním tukem.

• Po výměně vakuumového izolačního tuku byly provedeny zkoušky izolačního odporu a odolnosti proti střídavému napětí na fázi A vakuumového spínače. Testovací data všechna splňovala požadavky pravidel.

 Preventivní opatření

Externí izolace vakuumového spínače typu ZW7 - 40.5 používá vakuumový izolační tuk, což je kapalný izolační prostředek. Během provozu a instalace zařízení se obsah vlhkosti v kapalném prostředku zvýší. Vláha je v suspendovaném stavu v izolačním tuku elektrického zařízení. Pod vlivem síly elektrického pole se voda postupně uspořádá do "mostu" podél elektrických silových linií.

Tento "most" prochází oběma póly a může značně snížit propadové napětí. To také vysvětluje, proč byl izolační odpor velmi nízký při 5 kV napětí během vzdáleného měření izolačního odporu, ale tento skrytý nedostatek nebyl projeven při pracovním napětí.

Na základě výše uvedené analýzy, aby se zabránilo výskytu vady izolačního propadu způsobeného vlhkostí vakuumového izolačního tuku vakuumového spínače, jsou navržena následující preventivní opatření:

• Instalace zařízení v souladu s montážním procesem, aby se zabránilo smíšení nepožadovaných látek a aby se zabránilo kontaktu prostředku s atmosférou. 

• Zlepšení kontrolních aktivit a provedení částečných výbojkových testů pomocí ultravlnného detektoru.

• Provedení testů v souladu s pravidly pro elektrické testy, včetně testů hermetičnosti, stupně vakuu, izolace atd.