تحليل عطل الانهيار في قاطع الدائرة SF6 في محطة كهرباء بجهد 750 كيلوفولت

Felix Spark

حقل: الفشل والصيانة

China

بسبب خصائص العزل الكهربائي الممتازة وقدرات إطفاء القوس، تم استخدام غاز السلفور هكسافلوري (SF₆) على نطاق واسع في أنظمة الطاقة ذات الجهد العالي والجهد فوق العالي. مقارنة مع المقاطع الكهربائية التقليدية، فإن مقاطع الدائرة SF₆ أكثر موثوقية ولها عمر خدمة أطول. ومع ذلك، مع زيادة وقت الاستخدام والحمل، تظهر أعطال مقاطع الدائرة SF₆ تدريجياً، خاصة الأعطال الناجمة عن الانهيار، والتي أصبحت خطرًا مخفياً على التشغيل الآمن للشبكة الكهربائية. لا تؤدي أعطال الانهيار إلى تلف المعدات فحسب، بل قد تؤدي أيضًا إلى انقطاعات كهربائية كبيرة وتؤثر على استقرار الشبكة الكهربائية. عند حدوث عطل، يرافقه قوس كهربائي ودرجات حرارة عالية، مما قد يؤدي إلى تلف المواد العازلة الداخلية والأجزاء المعدنية، وحتى تشعل الحرائق والانفجارات. لذلك، فإن دراسة آلية عطل الانهيار في مقاطع الدائرة SF₆، تحديد الأسباب الجذرية، وتقديم تدابير وقائية هي من أهم الأمور لضمان التشغيل الآمن لنظام الطاقة.

حالياً، أجرت الباحثون في الداخل والخارج بحوثاً واسعة حول آليات الأعطال في مقاطع الدائرة SF₆، ركزت بشكل أساسي على جوانب مثل اختبارات الأداء الكهربائي، تحليل الشيخوخة للمواد، ومحاكاة توزيع المجال الكهربائي. ومع ذلك، بسبب البنية الداخلية المعقدة لمقاطع الدائرة SF₆ وتضمين عدة عوامل، لا تزال البحوث الحالية لها بعض القيود. خاصة بالنسبة لأعطال الانهيار أثناء التشغيل الفعلي، بسبب قيود الظروف على الأرض وصعوبة فك المعدات، هناك نقص في البحث الشامل والمتكامل.

لذلك، يقوم هذا البحث بتحليل شامل، بما في ذلك التحقيق في الموقع، تحليل فك المعدات، واختبارات الأداء الكهربائي، لأعطال الانهيار في أحد مقاطع الدائرة SF₆ في محطة توزيع معينة. الهدف هو الكشف بشكل شامل عن آلية العطل وتقديم أساس علمي ودعم تقني لتحسين التصميم، التشغيل والصيانة، ومنع الأعطال لمعدات مماثلة في المستقبل.

(2) كشف منتجات تحلل غاز SF₆ ومحتوى الماء الدقيق والنقاء

تم إجراء الاختبارات على موقع منتجات تحلل غاز SF₆ ومحتوى الماء الدقيق والنقاء للمقاطع الكهربائية المعيبة. البيانات الاختبارية موضحة في الجدول 1. بناءً على تحليل نتائج الاختبار، تجاوزت منتجات تحلل غاز SF₆ ومحتوى الماء الدقيق في غرفة إطفاء القوس للمقطع C للمقاطع الكهربائية المعيبة الحدود المحددة في "الكود لاختبارات الصيانة المستندة على الحالة لآلات نقل وتوزيع الطاقة" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, الماء الدقيق ≤ 300 μL/L) [5]. في المقابل، كانت نتائج الاختبارات لغرف الغاز للمقاطع الكهربائية المتبقية طبيعية، ولم يتم اكتشاف أي شذوذ. بناءً على هذه البيانات، يمكن استنتاج أن هناك قد يكون هناك عطل في الإفراز داخل غرفة إطفاء القوس للمقطع C للمقاطع الكهربائية المعيبة.

الجدول 1 بيانات الاختبار لمنتجات تحلل غاز SF₆ ومحتوى الماء الدقيق والنقاء

(3) فحص مقاومة العزل الرئيسية للمقاطع الكهربائية
خلال اختبار مقاومة العزل للمقطع C للمقاطع الكهربائية المعيبة، يجب اتباع الإجراءات التشغيلية القياسية، ويجب التأكد من أن المقاطع الكهربائية تكون في حالة فتح الدائرة. خلال الاختبار، يتم توصيل جانب واحد بالأرض بينما يتم تطبيق الجهد على الجانب الآخر. بهذه الطريقة، يتم تقييم أداء العزل لكل منفذ للمقاطع الكهربائية، وكذلك بين مسار التوصيل والعجلة.
من خلال تحليل البيانات الاختبارية، تبين أن أداء العزل للمقطع C للمقاطع الكهربائية كان غير كافٍ بشكل عام، خاصة مشكلة أداء العزل في منفذ الفصل على الجانب الثاني من المقاطع الكهربائية كانت بارزة بشكل خاص. البيانات الاختبارية موضحة في الجدول 2.

الجدول 2 بيانات اختبار العزل في منفذ الفصل على الجانب الثاني من المقاطع الكهربائية

(4) اختبار السعة وخسارة العازل للمكثفات الموازية بين منافذ المقاطع الكهربائية

تحت ظروف الاختبار على الأرض، حيث لم يكن بالإمكان اختبار سعة كل مكثف من مكثفات المنافذ بشكل فردي، تم استخدام طريقة اختبار مقارنة للسعة وخسارة العازل للمكثفات الموازية بين منافذ المقاطع الكهربائية ABC. أثناء العملية المحددة، مع وجود المقاطع الكهربائية في حالة فتح الدائرة، تم استخدام طرق الاختبار بين الأكمام (الاتصال الموجب) والأكمام إلى الأرض (الاتصال السالب) لإجراء اختبارات السعة وخسارة العازل. البيانات الاختبارية موضحة في الجدول 3.

الجدول 3 بيانات اختبار السعة وخسارة العازل للمقاطع الكهربائية المعيبة

من خلال تحليل مقارنة الجدول 3، تبين أن قيمة السعة التي تم الحصول عليها من خلال الاختبار بالاتصال الموجب بين الأكمام كانت قريبة نسبياً من القيمة الفعلية. ومع ذلك، تحت تأثير السعة الضائعة داخل المقاطع الكهربائية، لا يزال هناك انحراف معين بين القيمة المقاسة والقيمة المحسوبة. ومع ذلك، من نتائج الاختبار للمكثفات الموازية بين منافذ الأقطاب ABC، كان الاختلاف في السعة بين الثلاثة أقطاب صغيراً نسبياً. بناءً على ذلك، تم استنتاج أن حالة المكثف الموازي لمنفذ القطبية C كانت طبيعية.

(5) فحص داخل خزان المقاطع الكهربائية

في موقع التعامل مع العطل، تم استعادة غاز القطبية C للمقاطع الكهربائية المعيبة بشكل محترف. بعد ذلك، تم استخدام المنظار لإجراء فحص دقيق داخل الخزان. بعد فحص تفصيلي، تبين أن المقاومة القريبة من الجانب الثاني تعرضت لهبوط. كانت شظايا رقاقة المقاومة السوداء متناثرة في قاع الخزان. بالإضافة إلى ذلك، تم اكتشاف أن غلاف رباعي الفلورثيلين لواحدة من المقاومات القريبة قد تشققت وسقطت في قاع الخزان.

2.1.1 فحص المفتاح الفاصل

بعد فحص تفصيلي على الأرض، تم العثور على علامات حرق واضحة على أجزاء الأصابع القوسية للاتصالات المتحركة على كلا الجانبين من القطبية C للمفاتيح الفاصلة على كلا الجانبين من المقاطع الكهربائية المعيبة. بعد ذلك، من خلال تشغيل المفتاح الفاصل للقطبية C يدوياً على الأرض، كان العملية بأكملها سلسة دون أي تعقيدات. بالإضافة إلى ذلك، أثناء الفحص، لم يتم ملاحظة أي ظاهرة لحام بين الاتصالات المتحركة والسكونية. بعد اكتمال عملية الفتح، تم إجراء فحص تفصيلي لقاعدة الاتصال السكوني وأصابع الاتصال، ولم يتم العثور على علامات حرق خطيرة.

2.1.2 فحص المعدات الثانوية

في الساعة 12:31:50.758 من يوم 18 يونيو 2022، تم توصيل القطبية C للمقاطع الكهربائية المعيبة في محطة التحويل 750kV بالأرض. بعد حدوث العطل، تعمل حماية الفرق البصري للألياف الضوئية للخط وحماية الفرق لـ 750kV Bus - Ⅱ بشكل صحيح. من خلال تحليل عميق لتيار العطل وعمل حماية الفرق للألياف الضوئية وحماية الخط، عندما كان المفتاح الفاصل في حالة الإغلاق (حيث ظل جهد النظام مستقرًا دون زيادة الجهد)، تم ملاحظة أن 750kV Bus - Ⅱ قدم تيار العطل إلى نقطة العطل. من المهم ملاحظة أن CT₇ و CT₈ المشاركين في حماية الفرق للمقاطع الكهربائية المعيبة لم يكتشفا وجود تيار العطل. بناءً على هذه الملاحظة، تم تحديد أن نقطة العطل يجب أن تكون في المنطقة بين CT₇ للمقاطع الكهربائية وحافلة. في الوقت نفسه، اكتشف CT₁ و CT₂ لحماية الخط وجود تيار العطل، وكان قيمة تيار العطل تبلغ 4.5kA. لذلك، تم استنتاج أن نقطة العطل كانت في المنطقة بين CT₂ للمقاطع الكهربائية المعيبة ومنفذ الفصل على الجانب الثاني من المقاطع الكهربائية. هذا الاستنتاج كان متوافقًا مع موقع نقطة العطل التي تم العثور عليها في الفحص الداخلي على الأرض.

2.2 فحص الفك

كما هو موضح في الشكل 2، أثناء فحص داخل الخزان أثناء عملية فك المقاطع الكهربائية، تم ملاحظة شظايا المقاومة وغلافها الواقي منتشرة حولها. بعض شظايا المقاومة من المقاومة الرابعة، التي كانت متصلة بالتوازي مع المنفذ الرئيسي للمقاطع الكهربائية على الجانب الميكانيكي، قد انفجرت، وانفجر غلافها الواقي أيضا. أظهرت الدرع A للمقاومة آثار تسخين على جدار الخزان الداخلي، وظهرت الدرع B أيضا آثار تسخين على A. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت سطح قضيب الدعم العازل آثار سوداء. من خلال التحقق من التجميع، اختبارات المصنع، وبيانات التركيب على الأرض للمقاطع الكهربائية، وفحص الأجزاء العازلة الرئيسية، لم يتم العثور على أي شذوذ.

3 تحليل سبب العطل

من خلال تحليل الفك، تم الوصول إلى الاستنتاجات التالية: أثناء عملية إغلاق المفتاح الفاصل، أطلق الدرع A للمقاومة أولاً شحنات إلى جدار الخزان الداخلي. هذا أدى إلى تيارات غير طبيعية في المقاومات الرابعة والثالثة والثانية. بعد ذلك، أطلق الدرع B شحنات إلى A، مما أدى إلى قصر المقاومات الثانية والثالثة، وتم تركز التيار بشكل أساسي في العمود الرابع. هذا الظاهرة أدت إلى ارتفاع سريع في درجة حرارة شظايا المقاومة في العمود الرابع، مما أدى في النهاية إلى الانفجار، وانفصل غلاف المقاومة الواقي وسقط. أثناء عملية الإطلاق، أدى تكوين الأقواس الكهربائية ذات درجات الحرارة العالية إلى تغميق سطح قضيب الدعم العازل.

يمكن للمقاطع الكهربائية من نوع الخزان تحمل جهد الصدمة الكهربائي حتى 2100kV. أثناء عملية إغلاق المفتاح الفاصل الطبيعية، قد يحدث زيادة في الجهد، ولكن تحت ظروف التشغيل العادية، فإن مستوى الزيادة في الجهد هذا ليس كافياً لتشغيل آلية الإطلاق للمقاطع الكهربائية. ومع ذلك، من خلال التحليل العميق والاستدلال، يتم الاشتباه في وجود أجسام غريبة داخل الخزان. قد يكون لهذه الأجسام الغريبة تأثير سلبي على توزيع المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى تشوه المجال الكهربائي وإفراز قوة عازلة أعلى مما يمكن أن تحمله فجوة غاز SF₆. في هذه الحالة، قد يطلق الدرع A للمقاومة شحنات إلى جدار الخزان الداخلي أولاً. مع الأخذ في الاعتبار أن الأجسام الغريبة داخل الخزان قد تكون مخفية في الشقوق غير المرئية، عندما يتم إغلاق المفتاح الفاصل تحت تيار، قد يتحرك الأجسام الغريبة تحت تأثير قوة المجال الكهربائي إلى المناطق ذات المجال الكهربائي الأقوى، مما يؤدي إلى تشوه المجال الكهربائي وحدوث ظاهرة الإطلاق.

4 الخاتمة

نظرًا لاستخدام المعدات الكهربائية المتقدمة على نطاق واسع في نظام الطاقة، تحدث حوادث مثل انقطاع المقاطع الكهربائية من نوع الخزان ومعدات GIS بسبب الأجسام الغريبة بشكل متكرر. لمنع مثل هذه الأعطال، من الضروري تقوية أعمال الكشف تحت التيار، خاصة زيادة تواتر الكشف عن المقاطع الكهربائية التي تعمل بشكل متكرر. في نفس الوقت، أثناء القبول على الأرض، يجب التحقق بدقة من إكمال المعدات لـ 200 عملية ميكانيكية لضمان التشغيل السلس للميكانيكية وتجنب الآثار السلبية لشظايا المعدن على تشغيل المعدات بعد التشغيل.