Anàlisi de l'error d'escombrament del disjuntor SF6 en una subestació de 750 kV

Felix Spark

Camp: Fallada i Manteniment

China

Degut a les seves excel·lents propietats d'aislament elèctric i capacitat d'extinció d'arc, el gas hexafluorur de sòdium (SF₆) s'ha utilitzat ampliament en sistemes d'alta i ultra-alta tensió. En comparació amb els interruptors tradicionals, els interruptors SF₆ són més fiables i tenen una vida útil més llarga. No obstant això, a mesura que augmenta el temps d'ús i la càrrega, comencen a aparèixer errors en els interruptors SF₆, especialment els errors de trencament, que han esdevingut un peril ocult per a l'operació segura de la xarxa elèctrica. Aquests errors no només danifiquen l'equipament, sinó que també poden provocar apagalls a gran escala i afectar la stabilitat de la xarxa elèctrica. Quan es produeix un error, acompanyat d'arc i altes temperatures, pot deteriorar els materials d'aislament interns i els components metàl·lics, i fins i tot provocar incendis i explosions. Per tant, estudiar el mecanisme d'error de trencament dels interruptors SF₆, identificar les causes radicals i proposar mesures preventives és d'una gran importància per assegurar l'operació segura del sistema elèctric.

Actualment, els escriptors nacionals i internacionals han realitzat extenses recerques sobre els mecanismes d'error dels interruptors SF₆, centrant-se principalment en aspectes com la prova de rendiment elèctric, l'anàlisi de l'envejeciment del material i la simulació de la distribució del camp elèctric. No obstant això, degut a la complexa estructura interna dels interruptors SF₆ i la implicació de diversos factors, encara hi ha limitacions en la recerca existent. Especialment pels errors de trencament en operació real, a causa de les limitacions de les condicions in situ i la dificultat de desmuntar l'equipament, encara manca una recerca sistemàtica i completa.

Per tant, aquest article duu a terme una anàlisi completa, incloent l'investigació de l'error in situ, l'anàlisi del desmuntatge de l'equipament i la prova de rendiment elèctric, per a l'error de trencament d'un interruptor SF₆ en una subestació determinada. L'objectiu és revelar completament el mecanisme d'error i proporcionar una base científica i suport tècnic per a la millora del disseny, l'operació i manteniment, i la prevenció d'errors d'equips similars en el futur.

(2) Detecció dels productes de descomposició del gas SF₆, el contingut de microaigua i la puretat

S'han realitzat proves in situ dels productes de descomposició del gas SF₆, el contingut de microaigua i la puretat de l'interruptor defectuós. Les dades de la prova es mostren a la Taula 1. Segons l'anàlisi dels resultats de la prova, els productes de descomposició del gas SF₆ i el contingut de microaigua a la cambra d'extinció d'arc de la fase C de l'interruptor defectuós van superar significativament els límits establerts al "Codi de Proves de Manteniment Basat en l'Estat de l'Equipament de Transmissió i Transformació d'Electricitat" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, microaigua ≤ 300 μL/L) [5]. En contrast, els resultats de la prova de les cambres de gas dels altres interruptors van ser tots normals, sense detecció d'anomalies. Basant-nos en les dades anteriors, es dedueix preliminarment que hi pot haver un error de descàrrega a l'interior de la cambra d'extinció d'arc de la fase C de l'interruptor defectuós.

Taula 1 Dades de prova dels productes de descomposició del gas SF₆, el contingut de microaigua i la puretat

(3) Inspecció de la resistència principal d'aislament de l'interruptor
Durant la prova de resistència d'aislament de la fase C de l'interruptor defectuós, s'han de seguir les procedures d'operació estàndard i s'ha de garantir que l'interruptor estigui en estat d'obert. Durant la prova, un costat de la cullissa es connecta a terra mentre que s'aplica tensió a l'altre costat. Així, s'avalua de manera comprensiva el rendiment d'aislament de cada port de l'interruptor, així com entre el circuit conductor i la carcassa.
A través de l'anàlisi de les dades de la prova, es va trobar que el rendiment d'aislament de la fase C de l'interruptor era generalment insuficient, especialment el problema de rendiment d'aislament al port de desconnectat del costat de la barra Ⅱ de l'interruptor era particularment prominent. Les dades de prova es mostren a la Taula 2.

Taula 2 Dades de prova d'aislament al port de desconnectat del costat de la barra Ⅱ de l'interruptor

(4) Prova de la capacitància i la pèrdua dielèctrica dels condensadors paral·lels entre els ports d'interrupció de l'interruptor

En les condicions de prova in situ, ja que no era possible provar la capacitància de cada condensador de port d'interrupció individualment, s'adoptà un mètode de prova comparativa de la capacitància i la pèrdua dielèctrica dels condensadors paral·lels entre els ports d'interrupció dels interruptors de les fases ABC. Durant l'operació específica, amb l'interruptor en estat d'obert, es van utilitzar mètodes de prova entre cullisses (connexió positiva) i cullissa a terra (connexió negativa) per dur a terme proves de capacitància i pèrdua dielèctrica. Les dades de prova es mostren a la Taula 3.

Taula 3 Dades de prova de capacitància i pèrdua dielèctrica de l'interruptor defectuós

A través d'una anàlisi comparativa de la Taula 3, es va trobar que el valor de capacitància obtingut amb la prova de connexió positiva entre cullisses era relativament proper al valor real. No obstant això, afectat per la capacitància estranya dins de l'interruptor, encara hi havia una certa desviació entre el valor mesurat i el valor calculat. No obstant això, basant-nos en els resultats de la prova de les capacitàncies paral·leles dels ports d'interrupció entre les fases ABC, les diferències de capacitància entre les tres fases eren relativament petites. Basant-nos en això, es va deduir preliminarment que l'estat del condensador paral·lel del port d'interrupció de la fase C era normal.

(5) Inspecció a l'interior de la cambra de l'interruptor

Al lloc de gestió de l'error, es va recuperar professionalment el gas de la fase C de l'interruptor defectuós. Posteriorment, s'utilitzà un endoscopi per dur a terme una inspecció en profunditat a l'interior de la cambra. Després d'una inspecció detallada, es va trobar que la resistència de tancament propera al costat de la barra Ⅱ havia patit un trencament. Fragments de xips de resistència negres estaven dispersos al fons de la cambra. A més, es va observar que la màniga de tetrafluoroetilèn de polietilèn d'una de les resistències de tancament s'havia esquitxallat i caigut al fons de la cambra.

2.1.1 Inspecció del commutador de desconnectat

Després d'una inspecció detallada in situ, es van trobar marques evidents de cremat en les parts de dits d'arc dels contactes mòbils de les fases C dels commutadors de desconnectat de cada costat de l'interruptor defectuós. Posteriorment, operant manualment el commutador de desconnectat de la fase C in situ, tot el procés d'operació va ser fluid sense cap aturada. A més, durant la inspecció, es va observar que no hi havia cap fenomen de soldadura entre els contactes mòbils i estàtics. Un cop completada l'operació d'obertura, es va realitzar una inspecció detallada de la base del contacte estàtic i els dits de contacte, i no es van trobar marques de cremat greus.

2.1.2 Inspecció de l'equipament secundari

El 18 de juny de 2022, a les 12:31:50.758, la fase C de l'interruptor defectuós a la subestació de 750kV va ser aterrada. Després de l'error, la protecció diferencial de fibra òptica de la línia i la protecció diferencial de la barra Ⅱ de 750kV van funcionar correctament. A través d'una anàlisi en profunditat de la corrent d'error i de l'operació de la protecció diferencial de la barra i la protecció de la línia, quan el commutador de desconnectat estava en estat tancat (durant el qual la tensió del sistema es mantingué estable sense sobretensió), es va observar que la barra Ⅱ de 750kV va suministrar corrent d'error al punt d'error. Cal destacar que CT₇ i CT₈ implicats en la protecció diferencial de la barra de l'interruptor defectuós no van detectar la presència de corrent d'error. Basant-nos en aquesta observació, es va determinar que el punt d'error hauria d'estar en l'àrea entre el CT₇ de l'interruptor i la barra. Alhora, CT₁ i CT₂ per a la protecció de la línia van detectar la presència de corrent d'error, i el valor de la corrent d'error va arribar a una corrent primària de 4,5kA. Per tant, es va inferir més endavant que el punt d'error estava en l'àrea entre el CT₂ de l'interruptor defectuós i el port d'interrupció del costat de la barra Ⅱ de l'interruptor. Aquesta inferència era coherent amb la ubicació del punt d'error trobat en la inspecció interna in situ.

2.2 Inspecció de desmuntatge

Com es mostra a la Figura 2, durant la inspecció de l'interior de la cambra en el procés de desmuntatge de l'interruptor, es van observar fragments de la resistència de tancament i la seva màntiga protectora dispersos al voltant. Algunes xips de resistència de la quarta columna de la resistència de tancament, connectada en paral·lel amb el port d'interrupció principal del costat de la màquina de l'interruptor, havien explotat, i les dues màntigues protectoras corresponents també s'havien rupturat. El escut A de la resistència mostrava vestigis d'ablatió per descàrrega a la paret interior de la cambra, i el escut B també mostrava vestigis d'ablatió per descàrrega a A. A més, la superfície de la barra d'aislament mostrava traces fosquejades. Comprovant l'ensamblatge, les proves de fabricació i les dades d'instal·lació in situ de l'interruptor, i inspeccionant les principals parts d'aislament, no es van trobar anomalies.

3 Anàlisi de la causa de l'error

A través de l'anàlisi de desmuntatge, es van obtenir les conclusions següents: Durant el procés de tancament del commutador de desconnectat, el escut A de la resistència va descarregar primer a la paret interior de la cambra. Això va conduir a corrents anòmals en les resistències de tancament de la quarta, tercera i segona columna. Posteriorment, el escut B va descarregar a A, causant un curt-circuit entre les resistències de la segona i tercera columna, i la corrent es va concentrar principalment a la quarta columna. Aquest fenomen va fer que la temperatura de les xips de resistència de la quarta columna augmentés de manera aguda, finalment provocant una explosió, i la màntiga protectora de la resistència es va romandre i caure. Durant el procés de descàrrega, la generació d'arcs d'alta temperatura va fer que la superfície de la barra d'aislament fos fosquejada.

L'interruptor de cambra pot suportar una tensió d'impuls de relampago de fins a 2100kV. Durant el procés de tancament normal del commutador de desconnectat, encara que pot produir-se una sobretensió, en condicions normals d'operació, aquest nivell de sobretensió no és suficient per activar el mecanisme de descàrrega de l'interruptor. No obstant això, a través d'una anàlisi en profunditat i inferència, es va sospitar inicialment que podria haver-hi objectes estranys a l'interior de la cambra. Aquests objectes estranys podrien tenir un impacte advers en la distribució del camp elèctric, causant una distorsió del camp elèctric que supera la resistència a l'aislament que el gas SF₆ pot suportar. En aquest cas, el escut A de la resistència podria descarregar primer a la paret interior de la cambra. Considerant que els objectes estranys a l'interior de la cambra podrien estar amagats en fentes imperceptibles, quan el commutador de desconnectat es tanca amb alimentació, la sobretensió generada, sota l'acció de la força del camp elèctric, podria moure els objectes estranys a àrees amb un camp elèctric més fort, provocant així una distorsió del camp elèctric i conduint a la producció de fenòmens de descàrrega.

4 Conclusió

Atès l'ampli ús de maquinària de conmutació avançada en el sistema elèctric, els accidents com el salt d'interruptors de cambra i equips GIS a causa d'objectes estranys ocorren sovint. Per prevenir aquests errors, cal reforçar la detecció en línia, especialment augmentant la freqüència de detecció per a interruptors que operen sovint. Alhora, durant l'acceptació in situ, s'ha de comprovar estrictament si l'equipament ha completat 200 operacions mecàniques per assegurar el rodament de la màquina i evitar els efectes adversos dels detritus metàl·lics en l'operació de l'equipament després de la posada en servei.