Análisis de la falla por ruptura del interruptor de SF6 en una subestación de 750 kV

Felix Spark

Campo: Fallo y Mantenimiento

China

Debido a sus excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y capacidades de extinción de arco, el gas hexafluoruro de azufre (SF₆) se ha utilizado ampliamente en sistemas de alta y ultra-alta tensión. En comparación con los interruptores tradicionales, los interruptores de SF₆ son más confiables y tienen una vida útil más larga. Sin embargo, a medida que aumenta el tiempo de uso y la carga, las fallas en los interruptores de SF₆ comienzan a surgir gradualmente, especialmente las fallas por ruptura, que se han convertido en un peligro oculto para la operación segura de la red eléctrica. Las fallas por ruptura no solo dañan el equipo, sino que también pueden provocar apagones a gran escala y afectar la estabilidad de la red eléctrica. Cuando ocurre una falla, acompañada de arcos y altas temperaturas, puede dañar los materiales de aislamiento internos y los componentes metálicos, e incluso desencadenar incendios y explosiones. Por lo tanto, estudiar el mecanismo de falla por ruptura de los interruptores de SF₆, identificar las causas raíces y proponer medidas preventivas es de gran importancia para garantizar la operación segura del sistema de potencia.

Actualmente, los académicos nacionales e internacionales han realizado extensas investigaciones sobre los mecanismos de falla de los interruptores de SF₆, centrándose principalmente en aspectos como pruebas de rendimiento eléctrico, análisis de envejecimiento de materiales y simulación de distribución de campo eléctrico. Sin embargo, debido a la compleja estructura interna de los interruptores de SF₆ y la implicación de múltiples factores, la investigación existente aún tiene limitaciones. Especialmente para las fallas por ruptura en la operación real, debido a las limitaciones de las condiciones in situ y la dificultad de desmontar el equipo, falta una investigación sistemática y comprensiva.

Por lo tanto, este artículo realiza un análisis integral, incluyendo la investigación de fallas in situ, el análisis de desmontaje del equipo y las pruebas de rendimiento eléctrico, para la falla por ruptura de un interruptor de SF₆ en una subestación determinada. El objetivo es revelar de manera integral el mecanismo de falla y proporcionar una base científica y soporte técnico para la mejora del diseño, la operación y mantenimiento, y la prevención de fallas de equipos similares en el futuro.

(2) Detección de Productos de Descomposición del Gas SF₆, Contenido de Microagua y Pureza

Se realizaron pruebas in situ de los productos de descomposición del gas SF₆, el contenido de microagua y la pureza del interruptor con falla. Los datos de prueba se muestran en la Tabla 1. Según el análisis de los resultados de la prueba, los productos de descomposición del gas SF₆ y el contenido de microagua en la cámara de extinción de arco de la fase C del interruptor con falla superaron significativamente los límites estándar especificados en el "Código para Pruebas de Mantenimiento Basado en Condición de Equipos de Transmisión y Transformación" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, microagua ≤ 300 μL/L) [5]. En contraste, los resultados de las pruebas de las cámaras de gas de los demás interruptores fueron todos normales, sin anomalías detectadas. Basándose en los datos anteriores, se infiere preliminarmente que puede haber una falla de descarga dentro de la cámara de extinción de arco de la fase C del interruptor con falla.

Tabla 1 Datos de Prueba de Productos de Descomposición del Gas SF₆, Contenido de Microagua y Pureza

(3) Inspección de la Resistencia Principal de Aislamiento del Interruptor
Durante la prueba de resistencia de aislamiento de la fase C del interruptor con falla, se deben seguir los procedimientos operativos estándar y asegurarse de que el interruptor esté en estado de circuito abierto. Durante la prueba, un lado de la cubierta se tierra mientras se aplica voltaje al otro lado. De esta manera, se evalúa de manera integral el rendimiento de aislamiento de cada puerto del interruptor, así como entre el circuito conductor y la carcasa.
A través del análisis de los datos de prueba, se encontró que el rendimiento de aislamiento de la fase C del interruptor era generalmente insuficiente, especialmente el problema de rendimiento de aislamiento en el puerto de desconexión del lado del bus Ⅱ del interruptor fue particularmente prominente. Los datos de prueba se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Datos de Prueba de Aislamiento en el Puerto de Desconexión del Lado del Bus Ⅱ del Interruptor

(4) Prueba de Capacitancia y Pérdida Dieléctrica de los Capacitores Paralelos entre los Puertos de Interrupción del Interruptor

Bajo las condiciones de prueba in situ, ya que no era posible probar la capacitancia de cada capacitor de puerto de interrupción individualmente, se adoptó un método de prueba comparativa de la capacitancia y la pérdida dieléctrica de los capacitores paralelos entre los puertos de interrupción de los interruptores de fases ABC. Durante la operación específica, con el interruptor en estado de circuito abierto, se utilizaron métodos de prueba de entre cubiertas (conexión positiva) y cubierta a tierra (conexión negativa) para realizar pruebas de capacitancia y pérdida dieléctrica. Los datos de prueba se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3 Datos de Prueba de Capacitancia y Pérdida Dieléctrica del Interruptor con Falla

A través de un análisis comparativo de la Tabla 3, se encontró que el valor de capacitancia obtenido por la prueba de conexión positiva entre cubiertas fue relativamente cercano al valor real. Sin embargo, afectado por la capacitancia parásita dentro del interruptor, aún había cierta desviación entre el valor medido y el calculado. No obstante, a partir de los resultados de las pruebas de las capacitancias paralelas de los puertos de interrupción entre las fases ABC, las diferencias de capacitancia entre las tres fases fueron relativamente pequeñas. Basándose en esto, se juzgó preliminarmente que el estado del capacitor paralelo del puerto de interrupción de la fase C era normal.

(5) Inspección Interior del Tanque del Interruptor

En el sitio de manejo de la falla, se recuperó profesionalmente el gas de la fase C del interruptor con falla. Posteriormente, se utilizó un endoscopio para realizar una inspección profunda en el interior del tanque. Después de una inspección detallada, se encontró que la resistencia de cierre cerca del lado del bus Ⅱ había sufrido una ruptura. Fragmentos de chips de resistencia negros estaban dispersos en el fondo del tanque. Además, también se observó que la funda de tetrafluoroetileno polimérico de una de las resistencias de cierre se había agrietado y caído al fondo del tanque.

2.1.1 Inspección del Interruptor de Desconexión

Después de una inspección detallada in situ, se encontraron marcas de quemaduras evidentes en las partes de dedos de arco de los contactos móviles de ambos lados de la fase C de los interruptores de desconexión en ambos lados del interruptor con falla. Posteriormente, mediante la operación manual del interruptor de desconexión de la fase C in situ, todo el proceso de operación fue fluido sin atascos. Además, durante la inspección, se observó que no había fenómeno de soldadura entre los contactos móviles y estáticos. Después de completar la operación de apertura, se realizó una inspección detallada adicional de la base del contacto estático y los dedos de contacto, y no se encontraron marcas de quemadura graves.

2.1.2 Inspección del Equipo Secundario

A las 12:31:50.758 del 18 de junio de 2022, la fase C del interruptor con falla en la subestación de 750kV se puso a tierra. Después de que ocurrió la falla, la protección diferencial de fibra óptica de línea y la protección diferencial del bus 750kV - Ⅱ funcionaron correctamente. A través de un análisis profundo de la corriente de falla y la operación de la protección diferencial del bus y la protección de línea, cuando el interruptor de desconexión estaba en estado cerrado (durante el cual el voltaje del sistema permaneció estable sin sobretensión), se observó que el bus 750kV - Ⅱ suministraba corriente de falla al punto de falla. Es importante señalar que CT₇ y CT₈ involucrados en la protección diferencial del bus del interruptor con falla no detectaron la existencia de corriente de falla. Basándose en esta observación, se determinó que el punto de falla debería estar en el área entre el interruptor CT₇ y el bus. Mientras tanto, CT₁ y CT₂ para la protección de línea detectaron la existencia de corriente de falla, y el valor de la corriente de falla alcanzó una corriente primaria de 4.5kA. Por lo tanto, se infirió aún más que el punto de falla estaba en el área entre CT₂ del interruptor con falla y el puerto de interrupción del lado del bus Ⅱ del interruptor. Esta inferencia fue consistente con la ubicación del punto de falla encontrado en la inspección interna in situ.

2.2 Inspección de Desmontaje

Como se muestra en la Figura 2, durante la inspección del interior del tanque en el proceso de desmontaje del interruptor, se observaron fragmentos de la resistencia de cierre y su funda protectora dispersos alrededor. Algunos chips de resistencia de la cuarta columna de resistencia de cierre, que estaba conectada en paralelo con el puerto principal de interrupción del lado del mecanismo del interruptor, habían explotado, y las dos fundas protectoras de resistencia correspondientes también se habían roto. La pantalla A de la resistencia mostró rastros de ablación por descarga en la pared interna del tanque, y la pantalla B también tenía rastros de ablación por descarga en A. Además, la superficie del soporte aislante mostró rastros de oscurecimiento. Al verificar los datos de montaje, las pruebas de fábrica y la instalación in situ del interruptor, y al inspeccionar las principales partes aislantes, no se encontraron anomalías.

3 Análisis de la Causa de la Falla

A través del análisis de desmontaje, se llegaron a las siguientes conclusiones: Durante el proceso de cierre del interruptor de desconexión, la pantalla A de la resistencia primero descargó hacia la pared interna del tanque. Esto llevó a corrientes anormales en las resistencias de cierre de la cuarta, tercera y segunda columna. Posteriormente, la pantalla B descargó hacia A, causando un cortocircuito en las resistencias de la segunda y tercera columna, y la corriente se concentró principalmente en la cuarta columna. Este fenómeno causó un aumento repentino de la temperatura de los chips de resistencia en la cuarta columna, lo que finalmente llevó a la explosión, y la funda protectora de la resistencia se rompió y cayó. Durante el proceso de descarga, la generación de arcos de alta temperatura causó que la superficie del soporte aislante se oscureciera.

El interruptor de tipo tanque puede soportar un voltaje de impulso de rayo de hasta 2100kV. Durante el proceso de cierre normal del interruptor de desconexión, aunque puede ocurrir sobretensión, bajo condiciones de operación normales, este nivel de sobretensión no es suficiente para activar el mecanismo de descarga del interruptor. Sin embargo, a través de un análisis profundo e inferencia, se sospecha preliminarmente que puede haber objetos extraños en el interior del tanque. Estos objetos extraños pueden tener un impacto adverso en la distribución del campo eléctrico, causando distorsión del campo eléctrico y superando la resistencia aislante que el espacio de gas SF₆ puede soportar. En este caso, la pantalla A de la resistencia puede descargarse primero hacia la pared interna del tanque. Considerando que los objetos extraños en el interior del tanque pueden estar ocultos en grietas imperceptibles, cuando el interruptor de desconexión se cierra con alimentación, la sobretensión generada, bajo la acción de la fuerza del campo eléctrico, puede mover los objetos extraños a áreas con un campo eléctrico más fuerte, lo que provoca la distorsión del campo eléctrico y conduce a la ocurrencia de fenómenos de descarga.

4 Conclusión

Dado el amplio uso de equipos de conmutación avanzados en el sistema de potencia, los accidentes como el salto de interruptores de tipo tanque y equipos GIS debido a objetos extraños ocurren con frecuencia. Para prevenir tales fallas, es necesario fortalecer el trabajo de detección en línea, especialmente aumentando la frecuencia de detección para interruptores que operan con frecuencia. Al mismo tiempo, durante la aceptación in situ, se debe verificar estrictamente si el equipo ha completado 200 operaciones mecánicas para asegurar el rodaje del mecanismo y evitar los efectos adversos de los residuos metálicos en la operación del equipo después de la puesta en marcha.