Analyse des Durchschlagfehlers des SF6-Schalters in einer 750-kV-Umspannanlage

Felix Spark

Feld: Fehler und Wartung

China

Aufgrund seiner ausgezeichneten elektrischen Isolationseigenschaften und Böschungslöschfähigkeiten wird Schwefelhexafluorid (SF₆) in Hoch- und UHV-Stromsystemen weit verbreitet eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Schaltgeräten sind SF₆-Schalter zuverlässiger und haben eine längere Lebensdauer. Mit zunehmender Nutzungsdauer und Belastung treten jedoch allmählich Fehler bei SF₆-Schaltern auf, insbesondere Durchschlagsfehler, die zu einer Gefahr für den sicheren Betrieb des Stromnetzes geworden sind. Durchschlagsfehler beschädigen nicht nur Ausrüstungen, sondern können auch zu großen Stromausfällen führen und die Stabilität des Stromnetzes beeinträchtigen. Bei einem Fehler, der mit Bögen und hohen Temperaturen einhergeht, können innere Isoliermaterialien und Metallkomponenten beschädigt werden und sogar Brände und Explosionen auslösen. Daher ist es von großer Bedeutung, den Mechanismus von Durchschlagsfehlern bei SF₆-Schaltern zu untersuchen, die Wurzelursachen zu identifizieren und präventive Maßnahmen vorzuschlagen, um den sicheren Betrieb des Stromsystems zu gewährleisten.

Derzeit haben In- und Auslandswissenschaftler umfassende Forschungen zum Fehlmechanismus von SF₆-Schaltern durchgeführt, wobei der Fokus hauptsächlich auf Aspekten wie elektrischer Leistungstests, Materialalterungsanalyse und elektrischem Feldverteilungssimulation liegt. Aufgrund der komplexen inneren Struktur von SF₆-Schaltern und der Einbeziehung vieler Faktoren haben bestehende Forschungen jedoch noch Grenzen. Insbesondere bei Durchschlagsfehlern im tatsächlichen Betrieb mangelt es an systematischen und umfassenden Untersuchungen, da die Vor-Ort-Bedingungen begrenzt sind und die Zerlegung der Ausrüstung schwierig ist.

Daher führt dieser Artikel eine umfassende Analyse durch, einschließlich der Vor-Ort-Fehleruntersuchung, der Gerätezerlegungsanalyse und der elektrischen Leistungstests, für den Durchschlagsfehler eines SF₆-Schalters in einem bestimmten Umspannwerk. Das Ziel ist es, den Fehlmechanismus umfassend zu enthüllen und eine wissenschaftliche Grundlage und technische Unterstützung für die Designverbesserung, den Betrieb und die Wartung sowie die Fehlprävention ähnlicher Ausrüstungen in Zukunft bereitzustellen.

(2) Detektion von SF₆-Gas-Zersetzungsprodukten, Mikrowasserinhalt und Reinheit

Vor-Ort-Tests wurden an den SF₆-Gas-Zersetzungsprodukten, dem Mikrowasserinhalt und der Reinheit des defekten Schalters durchgeführt. Die Testdaten sind in Tabelle 1 dargestellt. Laut der Analyse der Testergebnisse überschritten die SF₆-Gas-Zersetzungsprodukte und der Mikrowasserinhalt im Böschungsraum der Phase C des defekten Schalters deutlich die in der "Richtlinie für Zustandsbasierte Wartungsprüfungen von Energieübertragungs- und -umwandlungsausrüstungen" festgelegten Grenzwerte (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, Mikrowasser ≤ 300 μL/L) [5]. Im Gegensatz dazu waren die Testergebnisse der Gasräume der verbleibenden Schalter normal, ohne dass Anomalien festgestellt wurden. Basierend auf den obigen Daten kann voraussichtlich geschlossen werden, dass es möglicherweise einen Entladungsfehler im Böschungsraum der Phase C des defekten Schalters gibt.

Tabelle 1 Testdaten von SF₆-Gas-Zersetzungsprodukten, Mikrowasserinhalt und Reinheit

(3) Prüfung des Hauptisolationswiderstands des Schalters
Während des Isolationswiderstandstests der Phase C des defekten Schalters müssen Standardvorschriften eingehalten werden, und es muss sichergestellt sein, dass der Schalter im offenen Zustand ist. Während des Tests wird eine Seite der Buchse geerdet, während Spannung auf der anderen Seite angelegt wird. Auf diese Weise wird die Isolationsleistung jeder Anschlussstelle des Schalters sowie zwischen dem leitenden Stromkreis und der Gehäusewand umfassend bewertet.
Durch die Analyse der Testdaten wurde festgestellt, dass die Isolationsleistung der Phase C des Schalters im Allgemeinen unzureichend war, insbesondere das Problem der Isolationsleistung am Trennungspunkt auf der Ⅱ-Busseite des Schalters war besonders auffällig. Die Testdaten sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2 Isolations-Testdaten am Trennungspunkt auf der Ⅱ-Bus-Seite des Schalters

(4) Prüfung der Kapazität und die dielektrischen Verluste der parallelen Kondensatoren zwischen den Trennungspunkten des Schalters

Unter Vor-Ort-Prüfbedingungen war es nicht möglich, die Kapazität jedes einzelnen Trennungspunkt-Kondensators einzeln zu testen, daher wurde eine vergleichende Prüfmethode für die Kapazität und die dielektrischen Verluste der parallelen Kondensatoren zwischen den Trennungspunkten der ABC-Phasen-Schalter verwendet. Während der spezifischen Durchführung, mit dem Schalter im offenen Zustand, wurden Prüfmethoden zwischen den Buchsen (positive Verbindung) und Buchse-zu-Erde (negative Verbindung) angewendet, um Kapazitäts- und dielektrische Verlusttests durchzuführen. Die Testdaten sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3 Kapazitäts- und dielektrische Verlust-Testdaten des defekten Schalters

Durch eine vergleichende Analyse von Tabelle 3 wurde festgestellt, dass der durch die positive Verbindung zwischen den Buchsen erhaltene Kapazitätswert relativ nahe am tatsächlichen Wert lag. Allerdings gab es aufgrund der Streukapazität innerhalb des Schalters immer noch einen bestimmten Abstand zwischen dem gemessenen und dem berechneten Wert. Trotzdem zeigten die Testergebnisse der parallelen Kondensatoren der Trennungspunkte der ABC-Phasen, dass die Differenz in der Kapazität unter den drei Phasen relativ gering war. Basierend darauf wurde voraussichtlich beurteilt, dass der Zustand des parallelen Kondensators des Trennungspunkts der Phase C normal war.

(5) Prüfung im Inneren des Schaltgehäuses

Am Ort der Fehlerbehebung wurde das Gas der Phase C des defekten Schalters professionell abgefangen. Anschließend wurde ein Endoskop verwendet, um eine tiefgehende Prüfung im Inneren des Gehäuses durchzuführen. Nach einer detaillierten Prüfung wurde festgestellt, dass der Abschlusswiderstand in der Nähe der Ⅱ-Bus-Seite einen Durchschlag hatte. Schwarze Widerstandschip-Fragmente waren am Boden des Gehäuses verteilt. Darüber hinaus wurde auch festgestellt, dass die Polytetrafluorethylen-Hülle eines der Abschlusswiderstände gerissen und auf den Boden des Gehäuses gefallen war.

2.1.1 Prüfung des Trennschalters

Nach einer detaillierten Vor-Ort-Prüfung wurden deutliche Verbrennungsspuren an den Bögen der beweglichen Kontakte auf beiden Seiten der Phase C der Trennschalter auf beiden Seiten des defekten Schalters gefunden. Anschließend wurde der Trennschalter der Phase C manuell betrieben, und der gesamte Betriebsvorgang verlief reibungslos, ohne Verklemmungen. Zudem wurde während der Prüfung festgestellt, dass es keinen Schweißvorgang zwischen den beweglichen und statischen Kontakten gab. Nach Abschluss des Öffnungsprozesses wurde eine detaillierte Prüfung der Basis des statischen Kontakts und der Kontaktfinger durchgeführt, und keine schweren Verbrennungsspuren wurden gefunden.

2.1.2 Prüfung der Sekundäreinrichtungen

Am 18. Juni 2022 um 12:31:50.758 wurde die Phase C des defekten Schalters in dem 750kV-Umspannwerk geerdet. Nach dem Auftreten des Fehlers arbeiteten sowohl der Linienlichtwellendifferenzschutz als auch der Busdifferenzschutz von 750kV-Bus-Ⅱ korrekt. Durch eine eingehende Analyse des Fehlerstroms und des Betriebs des Busdifferenzschutzes und des Linienschutzes wurde beobachtet, dass 750kV-Bus-Ⅱ beim geschlossenen Trennschalter (während dessen die Systemspannung stabil blieb, ohne Überspannung) den Fehlerstrom zum Fehlerpunkt lieferte. Es ist erwähnenswert, dass die in den Busdifferenzschutz des defekten Schalters involvierten CT₇ und CT₈ keinen Fehlerstrom feststellten. Basierend auf dieser Beobachtung wurde festgestellt, dass der Fehlerpunkt im Bereich zwischen Schalter-CT₇ und dem Bus liegen sollte. Gleichzeitig detektierten die für den Linienschutz verwendeten CT₁ und CT₂ die Existenz eines Fehlerstroms, und der Wert des Fehlerstroms erreichte einen Primärstrom von 4,5 kA. Daher wurde weiterhin geschlussfolgert, dass der Fehlerpunkt im Bereich zwischen CT₂ des defekten Schalters und dem Trennungspunkt auf der Ⅱ-Bus-Seite des Schalters lag. Diese Schlussfolgerung entsprach dem Fundort des Fehlerpunktes, der bei der internen Vor-Ort-Prüfung gefunden wurde.

2.2 Zerlegungsprüfung

Wie in Abbildung 2 gezeigt, wurden während der Prüfung im Inneren des Gehäuses während des Zerlegungsprozesses Fragmente des Abschlusswiderstands und seiner Schutzhülle umher verteilt beobachtet. Einige Widerstandschips des vierten Spalten-Abschlusswiderstands, der parallel mit dem Haupttrennungspunkt auf der Mechanikseite des Schalters verbunden war, explodierten, und die entsprechenden beiden Widerstandsschutzhüllen rissen ebenfalls. Schild A des Widerstands zeigte Spuren von Entladungsablation an der Innenwand des Gehäuses, und Schild B zeigte ebenfalls Spuren von Entladungsablation auf A. Darüber hinaus zeigte die Oberfläche des Isolierstabs schwarze Spuren. Durch die Überprüfung der Montage, Fabriktests und der Vor-Ort-Installationsdaten des Schalters und die Prüfung der Hauptisolierbestandteile wurden keine Anomalien festgestellt.

3 Fehlerursachenanalyse

Durch die Zerlegungsanalyse wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen: Während des Schließenprozesses des Trennschalters entlud sich zunächst Schild A des Widerstands zur Innenwand des Gehäuses. Dies führte zu abnormalen Strömen in den vierten, dritten und zweiten Spalten-Abschlusswiderständen. Anschließend entlud sich Schild B zu A, was zu Kurzschlüssen in den zweiten und dritten Spalten-Widerständen führte, und der Strom konzentrierte sich hauptsächlich in der vierten Spalte. Dieses Phänomen führte zu einem starken Anstieg der Temperatur der Widerstandschips in der vierten Spalte, was schließlich zur Explosion führte, und die Widerstandsschutzhülle brach und fiel ab. Während des Entladungsprozesses führte die Erzeugung von hochtemperaturigen Bögen dazu, dass die Oberfläche des Isolierstabs schwarz wurde.

Ein Behälter-Schalter kann bis zu 2100 kV Blitzimpulsspannung aushalten. Während des normalen Schließenprozesses des Trennschalters kann es zwar zu Überspannungen kommen, doch unter normalen Betriebsbedingungen ist dieses Niveau der Überspannung nicht ausreichend, um den Entladungsmechanismus des Schalters auszulösen. Allerdings wird durch eine eingehende Analyse und Schlussfolgerung voraussichtlich vermutet, dass es möglicherweise Fremdkörper im Gehäuse gibt. Diese Fremdkörper könnten einen negativen Einfluss auf die elektrische Feldverteilung haben, was zur Verzerrung des elektrischen Feldes führt und die Isolationsstärke übersteigt, die der SF₆-Gasluftspalt aushalten kann. In diesem Fall könnte Schild A des Widerstands zuerst zur Innenwand des Gehäuses entladen. Angesichts der Tatsache, dass die Fremdkörper im Gehäuse in kaum wahrnehmbaren Ritzen versteckt sein könnten, könnten sie beim Schließen des Trennschalters unter Spannung durch die vom elektrischen Feld erzeugte Kraft in Bereiche mit stärkerem elektrischem Feld verschoben werden, was zur Verzerrung des elektrischen Feldes und zur Entstehung von Entladungsphänomenen führt.

4 Fazit

Angesichts der weit verbreiteten Anwendung fortschrittlicher Schaltanlagen im Energiesystem treten häufiger Unfälle wie das Ausfallen von Behälter-Schaltern und GIS-Ausrüstungen aufgrund von Fremdkörpern auf. Um solche Fehler zu vermeiden, ist es notwendig, die Lebend-Leitungsprüfungen zu intensivieren, insbesondere die Prüfhäufigkeit für Schalter, die häufig betrieben werden, zu erhöhen. Gleichzeitig sollten bei der Vor-Ort-Akkreditierung streng überprüft werden, ob die Ausrüstung 200 mechanische Operationen abgeschlossen hat, um das Einlaufen der Mechanik sicherzustellen und die negativen Auswirkungen von Metallsplittern auf den Betrieb der Ausrüstung nach der Inbetriebnahme zu vermeiden.

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