Analýza poruchy vypěčového spínače SF6 v podsíti 750 kV

Felix Spark

Pole: Sporo a údržba

China

Díky svým vynikajícím elektroizolačním vlastnostem a schopnostem uhasit oblouk je šestifluortitan (SF₆) plyn široce používán v systémech s vysokým a velmi vysokým napětím. Ve srovnání s tradičními vypínači jsou vypínače SF₆ spolehlivější a mají delší životnost. S rostoucím časem použití a zatížením se však postupně objevují poruchy vypínačů SF₆, zejména propadací poruchy, které se stávají skrytou hrozbou pro bezpečné provozování elektrické sítě. Propadací poruchy nejen poškozují zařízení, ale mohou také vést k rozsáhlým odpojením proudu a ovlivnit stabilitu elektrické sítě. Při výskytu poruchy, doprovázené obloukem a vysokou teplotou, může dojít k poškození vnitřních izolačních materiálů a kovových komponent a dokonce k vyvolání požárů a explozí. Proto je důležité studovat mechanismus propadacích poruch vypínačů SF₆, identifikovat jejich hlavní příčiny a navrhnout preventivní opatření, aby bylo zajištěno bezpečné fungování elektrického systému.

V současné době domácí i zahraniční vědci provedli rozsáhlé výzkumy mechanismu poruch vypínačů SF₆, zaměřující se především na aspekty jako testování elektrických vlastností, analýza stárnutí materiálů a simulace distribuce elektrického pole. Vzhledem k složité vnitřní struktuře vypínačů SF₆ a zapojení mnoha faktorů má však stávající výzkum stále určité omezení. Zvláště pro propadací poruchy v reálném provozu, kvůli omezením místních podmínek a obtížnosti rozebírání zařízení, chybí systematický a komplexní výzkum.

Tento článek proto provedl komplexní analýzu, včetně vyšetřování poruch na místě, rozebírání a testování elektrických vlastností, pro propadací poruchu vypínače SF₆ v určitém transformátorovém stanici. Cílem je komplexně odhalit mechanismus poruchy a poskytnout vědeckou základu a technickou podporu pro vylepšení návrhu, provoz a údržbu a prevenci poruch podobných zařízení v budoucnu.

(2) Detekce dekompozičních produktů plynu SF₆, mikrovodíku a čistoty

Na místě byly provedeny testy dekompozičních produktů plynu SF₆, mikrovodíku a čistoty porouchaného vypínače. Testovací data jsou uvedena v tabulce 1. Podle analýzy výsledků testů dekompoziční produkty plynu SF₆ a obsah mikrovodíku v hasicím prostoru fáze C porouchaného vypínače výrazně překročily standardní limity stanovené v "Kódu pro kondiční údržbu a testování přenosových a transformačních zařízení" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, mikrovodík ≤ 300 μL/L) [5]. Naopak výsledky testů hasicích prostor zbývajících vypínačů byly normální, nebyly zjištěny žádné nepravosti. Na základě těchto dat lze předběžně usuzovat, že v hasicím prostoru fáze C porouchaného vypínače může být propadací porucha.

Tabulka 1 Testovací data dekompozičních produktů plynu SF₆, mikrovodíku a čistoty

(3) Kontrola hlavního odporu izolace vypínače
Během testu odporu izolace fáze C porouchaného vypínače musí být dodrženy standardní pracovní postupy a musí být zajištěno, že vypínač je v otevřeném stavu. Během testu je jedno stranové ložisko zazemleno, zatímco na druhé straně je aplikováno napětí. Tímto způsobem je komplexně hodnocena izolační vlastnost každého portu vypínače, stejně jako mezi vodičovou cestou a obalem.
Analýzou testovacích dat bylo zjištěno, že izolační vlastnost fáze C vypínače byla obecně nedostatečná, zejména problém s izolační vlastností na odpojovacím portu na straně Ⅱ - sběrnice byl zvláště výrazný. Testovací data jsou uvedena v tabulce 2.

Tabulka 2 Testovací data izolace na odpojovacím portu na straně Ⅱ - sběrnice vypínače

(4) Testování kapacity a dielektrických ztrát paralelních kondenzátorů mezi odpojovacími porty vypínače

Vzhledem k místním testovacím podmínkám, kdy nebylo možné testovat kapacitu každého kondenzátoru odpojovacího portu individuálně, byla použita srovnávací metoda pro testování kapacity a dielektrických ztrát paralelních kondenzátorů mezi odpojovacími porty vypínačů fází ABC. Během konkrétního provozu, s vypínačem v otevřeném stavu, byly použity metody testování mezi ložisky (přímé spojení) a ložisko - zem (indirektní spojení) pro testování kapacity a dielektrických ztrát. Testovací data jsou uvedena v tabulce 3.

Tabulka 3 Testovací data kapacity a dielektrických ztrát porouchaného vypínače

Pomocí srovnávací analýzy tabulky 3 bylo zjištěno, že hodnota kapacity získaná pomocí testu přímého spojení mezi ložisky byla relativně blízká skutečné hodnotě. Nicméně, vlivem cizí kapacity uvnitř vypínače, stále existovala určitá odchylka mezi naměřenou a vypočtenou hodnotou. Nicméně, z výsledků testů paralelních kapacit odpojovacích portů mezi fázemi ABC, byly rozdíly v kapacitě mezi třemi fázemi relativně malé. Na základě tohoto bylo předběžně usoudeno, že stav paralelního kondenzátoru odpojovacího portu fáze C byl normální.

(5) Kontrola uvnitř nádrže vypínače

Na místě řešení poruchy byl profesionálně získán plyn fáze C porouchaného vypínače. Následně byl použit endoskop k hluboké kontrole uvnitř nádrže. Po detailní kontrole bylo zjištěno, že zavírací odpor poblíž strany Ⅱ - sběrnice měl propad. Černé fragmenty odporových čipů byly rozprostřeny na dně nádrže. Kromě toho bylo také zjištěno, že tetrafluorethenová obalová vrstva jednoho z zavíracích odporů byla prasklá a spadla na dno nádrže.

2.1.1 Kontrola odpojovacího spínace

Po detailní kontrole na místě byly zjištěny zřetelné stopiny hoření na obloukových prstech pohyblivých kontaktů na obou stranách fáze C odpojovacích spínačů na obou stranách porouchaného vypínače. Následně byl manuálně provozován odpojovací spínač fáze C na místě, celý provozní proces byl hladký bez jakékoli zácpy. Navíc během kontroly bylo pozorováno, že nebylo žádné svařování mezi pohyblivými a pevnými kontakty. Po dokončení operace otevření byla provedena detailní kontrola základny pevného kontaktu a kontaktových prstů, a nebyly zjištěny žádné závažné stopiny hoření.

2.1.2 Kontrola sekundárního zařízení

V 12:31:50.758 dne 18. června 2022 byla fáze C porouchaného vypínače v 750kV transformátorové stanici zazemlena. Po výskytu poruchy správně odpůsobily vláknová diferenciální ochrana linky a diferenciální ochrana 750kV sběrnice Ⅱ. Důkladnou analýzou proudu poruchy a chování diferenciální ochrany sběrnice a ochrany linky, když byl odpojovací spínač v uzavřeném stavu (během kterého zůstalo napětí systému stabilní bez přepětí), bylo pozorováno, že 750kV sběrnice Ⅱ dodávala proud poruchy do místa poruchy. Je vhodné poznamenat, že CT₇ a CT₈ zapojené do diferenciální ochrany porouchaného vypínače neprozrazovaly existence proudu poruchy. Na základě tohoto pozorování bylo určeno, že místo poruchy by mělo být v oblasti mezi vypínačem CT₇ a sběrnici. Zároveň CT₁ a CT₂ pro ochranu linky detekovaly existenci proudu poruchy, a hodnota proudu poruchy dosáhla primárního proudu 4,5kA. Proto bylo dále dedukováno, že místo poruchy by mělo být v oblasti mezi CT₂ porouchaného vypínače a odpojovacím portem na straně Ⅱ - sběrnice vypínače. Tato dedukce byla v souladu s místem poruchy nalezeným při interní kontrole na místě.

2.2 Rozmontovací kontrola

Jak je znázorněno na obrázku 2, během kontroly uvnitř nádrže během procesu demontáže vypínače byly pozorovány fragmenty zavíracího odporu a jeho ochranné obalové vrstvy rozprostřené kolem. Některé odporové čipy čtvrtého sloupce zavíracího odporu, který byl zapojen paralelně s hlavním odpojovacím portem na straně mechaniky vypínače, explodovaly, a odpovídající dvě ochranné obalové vrstvy také praskly. Konečná clona A odporu ukazovala stopy výboje na vnitřní stěně nádrže, a clona B také měla stopy výboje na A. Kromě toho povrch izolačního nosného prutu ukazoval černé stopy. Kontrolou montáže, továrních zkoušek a dat instalace na místě vypínače, a inspekce hlavních izolačních částí, nebyly zjištěny žádné nepravosti.

3 Analýza příčin poruchy

Rozmontovací analýzou byly dospěly k následujícím závěrům: Během zavírání odpojovacího spínače konečná clona A odporu nejprve výbojila k vnitřní stěně nádrže. To vedlo k neobvyklému proudu v čtvrtém, třetím a druhém sloupci zavíracího odporu. Následně clona B výbojila k A, což způsobilo, že druhý a třetí sloupec odporu byly zkráceny, a proud byl hlavně soustředěn v čtvrtém sloupci. Tento jev způsobil, že teplota odporových čipů v čtvrtém sloupci rychle stoupla, což nakonec vedlo k explozi, a ochranná obalová vrstva odporu praskla a odpadla. Během procesu výboje bylo generováno vysokoteplé oblouky, což způsobilo, že povrch izolačního nosného prutu zčernal.

Nádržový vypínač může snést bleskové impulsní napětí až 2100kV. Během normálního zavírání odpojovacího spínače, i když může dojít k přepětí, v normálních provozních podmínkách toto přepětí není dostatečné k vyvolání výboje vypínače. Nicméně, důkladnou analýzou a dedukcí bylo předběžně podezřelé, že uvnitř nádrže mohou být cizí objekty. Tyto cizí objekty mohou mít negativní dopad na distribuci elektrického pole, což může způsobit deformaci elektrického pole a překročení izolační síly, kterou může unést mezera plynu SF₆. V tomto případě může konečná clona A odporu nejprve výbojila k vnitřní stěně nádrže. Vzhledem k tomu, že cizí objekty uvnitř nádrže mohou být skryté v neviditelných škvírách, když je odpojovací spínač zavřen pod napětím, může vygenerované přepětí, pod vlivem síly elektrického pole, posunout cizí objekty do oblastí s silnějším elektrickým polem, což může způsobit deformaci elektrického pole a vedlo k výskytu výbojových jevů.

4 Závěr

Vzhledem k rozsáhlému použití pokročilých spínačových zařízení v elektrickém systému, dochází často k nehodám, jako je odpojení nádržových vypínačů a GIS zařízení způsobené cizími objekty. Aby bylo zabráněno takovým poruchám, je nutné zesílit práci na detekci pod napětím, zejména zvýšit frekvenci detekce vypínačů, které často fungují. Současně by mělo být při akceptaci na místě přísně kontrolováno, zda zařízení splnilo 200 mechanických cyklů, aby bylo zajištěno projíždění mechanismu a zabráněno negativním účinkům kovových odpadků na provoz zařízení po uvedení do provozu.