Analyse af nedbrudsfejl i SF6-afbryderen i et 750 kV understation

Felix Spark

Felt: Fejl og vedligeholdelse

China

På grund af dets fremragende elektriske isolations- og bueudslukningskapaciteter er sf6-gas (SF₆) blevet bredt anvendt i højspændings- og ekstremhøjspændingssystemer. I forhold til traditionelle kredsløbsbrydere er SF₆-kredsløbsbrydere mere pålidelige og har en længere levetid. Når anvendelsestiden og belastningen stiger, begynder dog fejl hos SF₆-kredsløbsbryderne at opstå, især nedbrydningfejl, som er blevet en skjult fare for sikker drift af strømnettet. Nedbrydningfejl kan ikke kun skade udstyr, men kan også føre til store strømafbrydelser og påvirke stabiliteten i strømnettet. Når en fejl opstår, kan det være ledsaget af buer og høje temperaturer, hvilket kan skade interne isoleringsmaterialer og metaldele, og endda udløse brande og eksplosioner. Derfor er det af stor betydning at undersøge nedbrydningmekanikken for SF₆-kredsløbsbrydere, identificere de underliggende årsager og foreslå forebyggende foranstaltninger for at sikre sikker drift af strømsystemet.

I øjeblikket har forskere hjemme og udlandet gennemført omfattende forskning på fejlmechanikker for SF₆-kredsløbsbrydere, primært med fokus på aspekter som test af elektrisk ydeevne, analyse af materialaldring og simulering af elektriske feltfordelinger. På grund af den komplekse indre struktur af SF₆-kredsløbsbrydere og involveringen af flere faktorer, har eksisterende forskning dog stadig begrænsninger. Især for nedbrydningfejl under reelt drift, på grund af begrænsede lokale forhold og vanskeligheder med at demontere udstyr, mangler der systematisk og komplet forskning.

Derfor foretager denne artikel en omfattende analyse, herunder undersøgelse af fejl på stedet, udstyr demontering og test af elektrisk ydeevne, for nedbrydningfejl hos en SF₆-kredsløbsbryder i et bestemt transformatorstation. Formålet er at fuldt ud afsløre fejlmechanikken og give videnskabeligt grundlag og teknisk støtte til designforbedringer, drift og vedligeholdelse samt forebyggelse af fejl for lignende udstyr i fremtiden.

(2) Måling af SF₆-gasnedbrydningsprodukter, mikrovandindhold og renhed

Der blev udført stedlige tests på SF₆-gasnedbrydningsprodukter, mikrovandindhold og renhed for den defekte kredsløbsbryder. Testdataene vises i tabel 1. Ifølge analysen af testresultaterne overskred SF₆-gasnedbrydningsprodukter og mikrovandindhold i buedempningskammeret for fase C af den defekte kredsløbsbryder standardgrænserne angivet i "Kode for betingelsesbaserede vedligeholdelsesprøver af overførings- og omdannelsesudstyr" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, mikrovand ≤ 300 μL/L) [5]. Imidlertid viste testresultaterne for gaschamrene for de øvrige kredsløbsbrydere sig at være normale, uden nogen afvigelser. Ud fra de ovenstående data konkluderes det præliminært, at der muligvis findes en udslipningsfejl inde i buedempningskammeret for fase C af den defekte kredsløbsbryder.

Tabel 1 Testdata for SF₆-gasnedbrydningsprodukter, mikrovandindhold og renhed

(3) Kontrol af hovedisolationsmodstanden for kredsløbsbryderen
Under isolationsmodstandstesten for fase C af den defekte kredsløbsbryder skal standardoperativprocedurer følges, og det skal sikres, at kredsløbsbryderen er i åben circuit. Under testen er en side bushing jordet, mens spænding anvendes på den anden side. På denne måde evalueres isolationsydeevnen for hver port af kredsløbsbryderen, såvel som mellem ledningskredsløbet og kassen, kompakt.
Gennem analysen af testdataene blev det fundet, at isolationsydeevnen for fase C af kredsløbsbryderen generelt var utilstrækkelig, især problemet med isolationsydeevne ved afbrydelsesporten på Ⅱ-bussiden af kredsløbsbryderen var særdeles fremherskende. Testdataene vises i tabel 2.

Tabel 2 Isolationsprøvedata ved afbrydelsesporten på Ⅱ-bussiden af kredsløbsbryderen

(4) Test af kapacitans og dielektrisk tab for parallelle kondensatorer mellem kredsløbsbryderens afbrydelsesporter

Under stedlige testforhold, da det ikke var muligt at teste kapacitansen for hver afbrydelsesportkondensator individuelt, blev en sammenlignende testmetode for kapacitans og dielektrisk tab for parallelle kondensatorer mellem afbrydelsesporter for ABC-fase kredsløbsbryderne valgt. Under den specifikke operation, med kredsløbsbryderen i åben circuit, blev testmetoder for inter-bushing (positiv forbindelse) og bushing-til-jord (negativ forbindelse) anvendt til at foretage kapacitans- og dielektrisk tabtest. Testdataene vises i tabel 3.

Tabel 3 Kapacitans- og dielektrisk tabtestdata for den defekte kredsløbsbryder

Gennem en sammenlignende analyse af tabel 3 blev det fundet, at kapacitansværdien, der blev opnået ved positiv forbindelse test mellem bushings, var relativt tæt på den faktiske værdi. Dog påvirket af strejfkapacitanserne indeni kredsløbsbryderen, var der stadig en vis afvigelse mellem den målte værdi og den beregnede værdi. Alligevel, ifølge testresultaterne for parallelle kapacitancer for afbrydelsesporter mellem ABC faser, var forskellen i kapacitans mellem de tre faser relativt lille. På baggrund af dette blev det præliminært konkluderet, at tilstanden for den parallelle kapacitator for C-fases afbrydelsesport var normal.

(5) Inspektion indeni kredsløbsbryderens tank

På fejlbehandlingsstedet blev gas fra fase C af den defekte kredsløbsbryder professionelt genoprettet. Herefter blev en endoskop anvendt til at foretage en dybdegående inspektion indeni tanken. Efter en detaljeret inspektion blev det fundet, at lukningsmodstanden nær Ⅱ-bussen havde en nedbrydning. Sorte modstandsfragmenter var spredt på bunden af tanken. Desuden blev det også fundet, at polytetrafluorethylen-hylsteret for en af lukningsmodstandene havde revnet og falder til bunden af tanken.

2.1.1 Inspektion af afbrydelsesswitchen

Efter en detaljeret stedlig inspektion blev tydelige brændmærker fundet på buefingerdele af de bevægelige kontakter på begge sider af fase C af afbrydelsesswitcherne på begge sider af den defekte kredsløbsbryder. Herefter, ved manuel drift af fase C af afbrydelsesswitchen på stedet, var hele driftsprocessen glat uden nogen blokering. Desuden under inspektionen blev det observeret, at der ikke var noget lasningsfænomen mellem de bevægelige og statiske kontakter. Efter at afbrydelsesoperationen var fuldført, blev der foretaget en detaljeret inspektion af den statiske kontaktbase og kontaktfingrene, og ingen alvorlige brændmærker blev fundet.

2.1.2 Inspektion af sekundære udstyr

Den 18. juni 2022 kl. 12:31:50.758 blev fase C af den defekte kredsløbsbryder i 750kV-transformatorstationen jordet. Efter fejlen opstod, fungerede både linjen fiber-optiske differentielbeskyttelse og bus-differentielbeskyttelsen for 750kV Bus - Ⅱ korrekt. Gennem en dybdegående analyse af fejlstrømmen og funktionen af bus-differentielbeskyttelsen og linjesbeskyttelsen, når afbrydelsesswitchen var i lukket tilstand (hvor systemspændingen forblev stabil uden overspænding), blev det observeret, at 750kV Bus - Ⅱ leverede fejlstrøm til fejlpunktet. Det er værd at bemærke, at CT₇ og CT₈, der deltog i bus-differentielbeskyttelsen for den defekte kredsløbsbryder, ikke registrerede eksistensen af fejlstrøm. Baseret på denne observation konkluderede det, at fejlpunktet skulle være i området mellem kredsløbsbryder CT₇ og bus. Samtidig registrerede CT₁ og CT₂ for linjesbeskyttelse eksistensen af fejlstrøm, og værdien af fejlstrømmen nåede en primærstrøm på 4.5kA. Derfor konkluderede det yderligere, at fejlpunktet var i området mellem CT₂ for den defekte kredsløbsbryder og afbrydelsesporten på Ⅱ-bussiden af kredsløbsbryderen. Denne konklusion stemte overens med placeringen af fejlpunktet, der blev fundet under stedlig intern inspektion.

2.2 Demontering og inspektion

Som vist i figur 2, under inspektionen af indersiden af tanken under demontering af kredsløbsbryderen, blev fragmenter af lukningsmodstanden og dens beskyttelseshylster observeret spredt rundt. Nogle modstandsblade fra den fjerde kolonne lukningsmodstand, der var forbundet parallelt med hovedafbrydelsesporten på maskinemaskinsiden af kredsløbsbryderen, var sprunget, og de to tilsvarende modstandsbeskyttelseshylstre var også revet. End shield A af modstanden viste spor af udslipningsablation på indervæggen af tanken, og shield B havde også spor af udslipningsablation på A. Desuden viste overfladen af isolerende støttestang sorte spor. Ved at tjekke montering, fabriksprøve, og stedlig installationsdata for kredsløbsbryderen, og inspektion af de hovedisolerede dele, blev ingen afvigelser fundet.

3 Fejlårsagsanalyse

Gennem demontering og analyse blev følgende konklusioner trukket: Under lukningsprocessen for afbrydelsesswitchen, udløste end shield A af modstanden først udslip til indervæggen af tanken. Dette førte til abnormale strømme i den fjerde, tredje og anden kolonne lukningsmodstand. Herefter udløste shield B til A, hvilket forårsagede, at den anden og tredje kolonne modstand kortsluttede, og strømmen koncentrerede sig hovedsageligt i den fjerde kolonne. Dette fænomen forårsagede, at temperaturen af modstandsblade i den fjerde kolonne steg skarpt, hvilket sidst førte til eksplosion, og modstandsbeskyttelseshylsterne rev og faldt af. Under udslipningsprocessen forårsagede oprettelsen af højt tempererede buer, at overfladen af isolerende støttestang blev sort.

Tanktypen kredsløbsbryder kan udmærket modstå lynimpulsspændinger op til 2100kV. Under normal lukningsprocess for afbrydelsesswitchen, kan det ske, at overspændinger opstår, men under normale driftsforhold er disse overspændinger ikke tilstrækkelige til at udløse udslipningsmekanikken for kredsløbsbryderen. Dog gennem en dybdegående analyse og konklusion, mistænkes det præliminært, at der kan være fremmedlegemer indeni tanken. Disse fremmedlegemer kan have en negativ indflydelse på elektriske feltfordeling, hvilket kan føre til, at feltet forvrider og overstiger isolationsstyrken, som SF₆-gasrummet kan udmærket modstå. I dette tilfælde kan end shield A af modstanden først udløse udslip til indervæggen af tanken. Med hensyn til, at fremmedlegemer indeni tanken kan være skjult i usynlige sprækker, når afbrydelsesswitchen lukkes med strøm, kan de genererede overspændinger, under virkningen af elektriske feltkræfter, flytte fremmedlegemer til områder med stærkere elektriske felt, hvilket fører til feltforvrængning og udslipningsfænomen.

4 Konklusion

Med tanke på det omfattende anvendelse af avancerede switchgear i strømsystemet, finder fejl som tripning af tanktype kredsløbsbrydere og GIS-udstyr på grund af fremmedlegemer ofte sted. For at forhindre sådanne fejl, er det nødvendigt at styrke live-line detection arbejde, især ved at øge detectionsfrekvensen for kredsløbsbrydere, der opererer hyppigt. Samtidig, under stedlig accept, bør det strengt kontrolleres, om udstyret har gennemført 200 mekaniske operationer for at sikre running-in af mekanismen og undgå de negative effekter af metaldebris på udstyrets drift efter kommissionering.