تحلیل خرابی قطع کننده سیال SF6 در زیرстанسیون 750 kV

Felix Spark

ميدان: خرابی و نگهداری

China

به دلیل خواص عایق بندی الکتریکی فوق العاده و قابلیت خاموش کردن قوس الکتریکی، گاز سولفور هگزافلورید (SF₆) به طور گسترده در سیستم‌های برق با فشار بالا و فشار بسیار بالا استفاده می‌شود. در مقایسه با شیرهای مدارساز سنتی، شیرهای مدارساز SF₆ قابل اعتمادتر هستند و عمر مفید طولانی‌تری دارند. با این حال، با افزایش زمان استفاده و بار، نقص‌های شیرهای مدارساز SF₆ تدریجاً ظاهر می‌شوند، به ویژه نقص‌های پخشی که به عنوان یک خطر پنهان برای عملکرد ایمن شبکه برق درآمده‌اند. نقص‌های پخشی نه تنها تجهیزات را آسیب می‌دهند بلکه ممکن است منجر به قطع برق در مقیاس بزرگ شده و ثبات شبکه برق را تحت تأثیر قرار دهند. هنگامی که یک نقص رخ می‌دهد، همراه با قوس الکتریکی و دماهای بالا، ممکن است مواد عایق بندی داخلی و اجزای فلزی آسیب ببینند و حتی آتش‌سوزی و انفجار رخ دهد. بنابراین، مطالعه مکانیسم نقص پخشی شیرهای مدارساز SF₆، شناسایی دلایل اساسی و پیشنهاد اقدامات پیشگیرانه برای تضمین عملکرد ایمن سیستم برق اهمیت بسیاری دارد.

در حال حاضر، محققان داخلی و خارجی تحقیقات گسترده‌ای درباره مکانیسم‌های نقص شیرهای مدارساز SF₆ انجام داده‌اند، که عمدتاً بر روی جنبه‌هایی مانند تست عملکرد الکتریکی، تحلیل پیری مواد و شبیه‌سازی توزیع میدان الکتریکی تمرکز دارند. با این حال، به دلیل ساختار داخلی پیچیده شیرهای مدارساز SF₆ و درگیر بودن عوامل متعدد، تحقیقات موجود هنوز محدودیت‌هایی دارند. به ویژه برای نقص‌های پخشی در عملیات واقعی، به دلیل محدودیت‌های شرایط محلی و سختی تجزیه تجهیزات، تحقیقات سیستماتیک و جامع کافی وجود ندارد.

بنابراین، این مقاله تحلیل جامعی انجام می‌دهد، شامل تحقیق نقص محلی، تجزیه تجهیزات و تست عملکرد الکتریکی، برای نقص پخشی یک شیر مدارساز SF₆ در یک زیرстанیون خاص. هدف از این تحقیق، آشکارسازی جامع مکانیسم نقص و ارائه پایه علمی و پشتیبانی فنی برای بهبود طراحی، عملیات و نگهداری و پیشگیری از نقص‌های تجهیزات مشابه در آینده است.

(2) آزمون محصولات تجزیه گاز SF₆، میزان آب ریز و خالصی

آزمون‌های محلی بر روی محصولات تجزیه گاز SF₆، میزان آب ریز و خالصی شیر مدارساز معیوب انجام شد. داده‌های آزمون در جدول 1 نشان داده شده است. بر اساس تحلیل نتایج آزمون، محصولات تجزیه گاز SF₆ و میزان آب ریز در کامره خاموش‌کننده قوس فاز C شیر مدارساز معیوب به طور قابل توجهی از حدود استاندارد مشخص شده در "کد آزمون‌های نگهداری شرایطی تجهیزات انتقال و تغییر ولتاژ" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, آب ریز ≤ 300 μL/L) [5] فراتر رفت. در مقابل، نتایج آزمون کامره‌های گازی سایر شیرهای مدارساز همه طبیعی بود و هیچ ناهماهنگی مشاهده نشد. بر اساس داده‌های فوق، ابتدا می‌توان استنتاج کرد که ممکن است نقص تخلیه داخل کامره خاموش‌کننده قوس فاز C شیر مدارساز معیوب وجود داشته باشد.

جدول 1 داده‌های آزمون محصولات تجزیه گاز SF₆، میزان آب ریز و خالصی

(3) آزمون مقاومت عایق اصلی شیر مدارساز
در طی آزمون مقاومت عایق فاز C شیر مدارساز معیوب، باید از رویه‌های استاندارد عملیاتی پیروی شود و اطمینان حاصل شود که شیر مدارساز در وضعیت باز است. در طی آزمون، یک سوی بوشینگ به زمین متصل می‌شود در حالی که ولتاژ به سوی دیگر اعمال می‌شود. به این ترتیب، عملکرد عایق بندی هر پورت شیر مدارساز و همچنین بین مسیر هدایت و بدنه به طور جامع ارزیابی می‌شود.
با تحلیل داده‌های آزمون، مشخص شد که عملکرد عایق بندی فاز C شیر مدارساز به طور کلی کافی نبود، به ویژه مشکل عملکرد عایق بندی در پورت جدا شدن سمت Ⅱ-بوس شیر مدارساز بسیار برجسته بود. داده‌های آزمون در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2 داده‌های آزمون عایق بندی در پورت جدا شدن سمت Ⅱ-بوس شیر مدارساز

(4) آزمون ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک کندانسورهای موازی بین پورتهای جدا شدن شیر مدارساز

در شرایط آزمون محلی، چون امکان آزمون ظرفیت هر کندانسور پورت جدا شدن به صورت جداگانه وجود نداشت، روش آزمون مقایسه‌ای ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک کندانسورهای موازی بین پورتهای جدا شدن شیرهای مدارساز ABC به کار گرفته شد. در طی عملیات خاص، با شیر مدارساز در وضعیت باز، روش‌های آزمون ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک با استفاده از روش‌های میان-بوشینگ (اتصال مثبت) و بوشینگ-به-زمین (اتصال منفی) انجام شد. داده‌های آزمون در جدول 3 نشان داده شده است.

جدول 3 داده‌های آزمون ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک شیر مدارساز معیوب

با تحلیل مقایسه‌ای جدول 3، مشخص شد که مقدار ظرفیت به دست آمده از آزمون میان-بوشینگ نسبتاً نزدیک به مقدار واقعی بود. با این حال، به دلیل تأثیر ظرفیت‌های جانبی داخل شیر مدارساز، هنوز تفاوتی بین مقدار اندازه‌گیری شده و محاسبه شده وجود داشت. با این حال، از نتایج آزمون ظرفیت‌های موازی پورتهای جدا شدن بین فاز‌های ABC، تفاوت ظرفیت بین سه فاز نسبتاً کم بود. بر اساس این، ابتدا تشخیص داده شد که حالت کندانسور موازی پورت جدا شدن فاز C طبیعی است.

(5) بررسی داخل ظرف شیر مدارساز

در محل رسیدگی به نقص، گاز فاز C شیر مدارساز معیوب به طور حرفه‌ای بازیابی شد. سپس از اندوسکوپ برای بررسی عمیق داخل ظرف استفاده شد. پس از بررسی دقیق، مشخص شد که مقاومت بستن نزدیک سمت Ⅱ-بوس دچار پخش شده است. تکه‌های سیاه ریز مقاومت در پایین ظرف پخش شده بود. علاوه بر این، مشخص شد که پوشش پلی‌تترافلئورواتیلن یکی از مقاومت‌های بستن پاره شده و به پایین ظرف ریخته شده است.

2.1.1 بررسی شیر جدا کننده

پس از بررسی دقیق محلی، نشانه‌های سوختگی واضح در بخش‌های انگشت‌های قوسی تماس‌های متحرک سمت فاز C شیرهای جدا کننده دو طرف شیر مدارساز معیوب مشاهده شد. سپس، با عملیات دستی شیر جدا کننده فاز C محلی، کل فرآیند عملیاتی به صورت هموار بدون هیچ نوع گیر و دار انجام شد. علاوه بر این، در طی بررسی مشاهده شد که هیچ پدیده جوشکاری بین تماس‌های متحرک و ثابت وجود نداشت. پس از اتمام عملیات باز شدن، بررسی دقیق‌تری از پایه تماس ثابت و انگشت‌های تماس انجام شد و هیچ نشانه سوختگی جدی مشاهده نشد.

2.1.2 بررسی تجهیزات ثانویه

در ساعت 12:31:50.758 در 18 ژوئن 2022، فاز C شیر مدارساز معیوب در زیرستانیون 750kV به زمین خورد. پس از وقوع نقص، حفاظت دیفرانسیل خطی و حفاظت دیفرانسیل بوس 750kV-Ⅱ به درستی عمل کرد. با تحلیل عمیق جریان نقص و عملکرد حفاظت دیفرانسیل بوس و حفاظت خطی، زمانی که شیر جدا کننده در حالت بسته بود (در طی که ولتاژ سیستم پایدار بود و بدون ولتاژ بیش از حد)، مشاهده شد که بوس 750kV-Ⅱ جریان نقص را به نقطه نقص ارائه می‌کند. باید توجه داشت که CT₇ و CT₈ مربوط به حفاظت دیفرانسیل شیر مدارساز معیوب وجود جریان نقص را تشخیص ندادند. بر اساس این مشاهده، تعیین شد که نقطه نقص باید در منطقه بین CT₇ شیر مدارساز و بوس باشد. همچنین، CT₁ و CT₂ مربوط به حفاظت خطی وجود جریان نقص را تشخیص دادند و مقدار جریان نقص به یک جریان اولیه 4.5kA رسید. بنابراین، استنباط شد که نقطه نقص در منطقه بین CT₂ شیر مدارساز معیوب و پورت جدا شدن سمت Ⅱ-بوس شیر مدارساز است. این استنباط با موقعیت نقطه نقص پیدا شده در بررسی داخلی محلی مطابقت داشت.

2.2 بررسی تجزیه

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، در طی بررسی داخل ظرف در طی فرآیند تجزیه شیر مدارساز، تکه‌های مقاومت بستن و پوشش محافظ آن در اطراف پخش شده بود. برخی از تکه‌های مقاومت ستون چهارم که به صورت موازی با پورت جدا شدن اصلی سمت مکانیزم شیر مدارساز متصل شده بود، منفجر شده بود و دو پوشش محافظ مربوطه نیز پاره شده بود. سپر A مقاومت نشانه‌های اتلاف تخلیه در دیواره داخلی ظرف داشت و سپر B نیز نشانه‌های اتلاف تخلیه بر A داشت. علاوه بر این، سطح میله پشتیبان عایقی تیره شده بود. با بررسی داده‌های مونتاژ، آزمون کارخانه و نصب محلی شیر مدارساز و بررسی اجزای عایق اصلی، هیچ ناهماهنگی مشاهده نشد.

3 تحلیل دلایل نقص

با تحلیل تجزیه، نتایج زیر به دست آمد: در طی فرآیند بستن شیر جدا کننده، سپر A مقاومت ابتدا به دیواره داخلی ظرف تخلیه کرد. این باعث ایجاد جریان‌های غیرعادی در مقاومت‌های ستون چهارم، سوم و دوم شد. سپس، سپر B به A تخلیه کرد و باعث کوتاه شدن مقاومت‌های ستون دوم و سوم شد و جریان عمدتاً در ستون چهارم متمرکز شد. این پدیده باعث افزایش سریع دما در تکه‌های مقاومت ستون چهارم شد و در نهایت منجر به انفجار و پاره شدن پوشش محافظ آن شد. در طی فرآیند تخلیه، ایجاد قوس‌های دما بالا باعث تیره شدن سطح میله پشتیبان عایقی شد.

شیر مدارساز نوع ظرف می‌تواند تا 2100kV ولتاژ ضربه گرمایی را تحمل کند. در طی فرآیند بستن عادی شیر جدا کننده، اگرچه ممکن است ولتاژ بیش از حد رخ دهد، اما در شرایط عملیاتی عادی، این سطح از ولتاژ بیش از حد کافی نیست تا مکانیسم تخلیه شیر مدارساز را فعال کند. با این حال، با تحلیل عمیق و استنباط، ابتدا مشکوک شد که ممکن است اجسام خارجی داخل ظرف وجود داشته باشد. این اجسام خارجی ممکن است تأثیر منفی بر توزیع میدان الکتریکی داشته باشند و باعث تحریف میدان و فراتر رفتن از قدرت عایق بندی که گاز SF₆ می‌تواند تحمل کند شوند. در این صورت، سپر A مقاومت ممکن است ابتدا به دیواره داخلی ظرف تخلیه کند. با توجه به اینکه اجسام خارجی داخل ظرف ممکن است در شکاف‌های نامرئی پنهان شده باشند، هنگامی که شیر جدا کننده با ولتاژ بسته شود، ولتاژ بیش از حد تولید شده ممکن است تحت تأثیر نیروی میدان الکتریکی اجسام خارجی را به مناطقی با میدان الکتریکی قوی‌تر حرکت دهد و باعث تحریف میدان و رخ دادن پدیده تخلیه شود.

4 نتیجه‌گیری

با توجه به استفاده گسترده از تجهیزات کلیدزنی پیشرفته در سیستم برق، حوادثی مانند قطع شیرهای مدارساز نوع ظرف و تجهیزات GIS به دلیل اجسام خارجی به طور مکرر رخ می‌دهند. برای پیشگیری از چنین نقص‌هایی، لازم است که کارهای آزمون زنده را تقویت کنیم، به ویژه با افزایش فرکانس آزمون برای شیرهای مدارسازی که به طور مکرر عمل می‌کنند. همچنین، در طی پذیرش محلی، باید به صورت دقیق بررسی شود که آیا تجهیزات 200 عملیات مکانیکی را به اتمام رسانده‌اند تا از راندمان مکانیزم و جلوگیری از تأثیرات منفی ذرات فلزی بر عملکرد تجهیزات پس از راه‌اندازی اطمینان حاصل شود.