تحلیل خطای شکست سیم برشی SF6 در زیراستانیون 750 kV

Felix Spark

فیلد: شکست و نگهداری

China

به دلیل ویژگی‌های عالی عایق بندی الکتریکی و قابلیت خاموش کردن آتش، گاز سولفور هگزافلوئورید (SF₆) به طور گسترده‌ای در سیستم‌های توان بالا و فوق‌بالا مورد استفاده قرار گرفته است. در مقایسه با شیرهای مدارسنتی، شیرهای مدار SF₆ قابل اعتمادتر هستند و عمر عملکردی طولانی‌تری دارند. با این حال، با افزایش زمان استفاده و بار، خرابی‌های شیرهای مدار SF₆ به تدریج ظاهر می‌شوند، به ویژه خرابی‌های شکست پخشی که به عنوان یک خطر پنهان برای عملکرد ایمن شبکه توان تبدیل شده‌اند. خرابی‌های شکست پخشی نه تنها تجهیزات را آسیب می‌دهند بلکه ممکن است منجر به قطع توان در مقیاس گسترده و تأثیر بر ثبات شبکه توان شوند. وقتی خرابی رخ می‌دهد، همراه با آرک‌ها و دماهای بالا، ممکن است مواد عایق بندی داخلی و قطعات فلزی را آسیب ببیند و حتی موجب آتش‌سوزی و انفجار شود. بنابراین، مطالعه مکانیسم خرابی شیرهای مدار SF₆، شناسایی علل اصلی و ارائه اقدامات پیشگیرانه برای تضمین عملکرد ایمن سیستم توان اهمیت بسیاری دارد.

در حال حاضر، دانشمندان داخلی و خارجی تحقیقات گسترده‌ای درباره مکانیسم‌های خرابی شیرهای مدار SF₆ انجام داده‌اند که عموماً روی جنبه‌هایی مانند آزمون عملکرد الکتریکی، تحلیل پیری مواد و شبیه‌سازی توزیع میدان الکتریکی تمرکز دارند. با این حال، به دلیل ساختار داخلی پیچیده شیرهای مدار SF₆ و دخالت عوامل متعدد، تحقیقات موجود هنوز محدودیت‌هایی دارند. به ویژه برای خرابی‌های شکست پخشی در عملیات واقعی، به دلیل محدودیت‌های شرایط محلی و دشواری تجزیه تجهیزات، تحقیقات نظاممند و جامع کمی وجود دارد.

بنابراین، این مقاله تجزیه و تحلیل جامعی انجام می‌دهد، شامل تحقیق خرابی محلی، تجزیه تجهیزات و آزمون عملکرد الکتریکی، برای خرابی شکست پخشی یک شیر مدار SF₆ در یک زیرстанیون مشخص. هدف آن است که مکانیسم خرابی را به طور جامع فاش کند و پایه علمی و پشتیبانی فنی برای بهبود طراحی، عملیات و نگهداری و پیشگیری از خرابی تجهیزات مشابه در آینده ارائه دهد.

(2) آزمون محصولات تجزیه گاز SF₆، محتوای آب میکرو و خلوص

آزمون‌های محلی بر روی محصولات تجزیه گاز SF₆، محتوای آب میکرو و خلوص شیر مدار خراب انجام شد. داده‌های آزمون در جدول 1 نشان داده شده‌اند. بر اساس تحلیل نتایج آزمون، محصولات تجزیه گاز SF₆ و محتوای آب میکرو در کامره خاموش کننده آتش فاز C شیر مدار خراب به طور قابل توجهی از حدود استاندارد مشخص شده در "کد آزمون‌های نگهداری شرایطی تجهیزات انتقال و تغییر دهنده توان" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, آب میکرو ≤ 300 μL/L) [5] فراتر رفت. در مقابل، نتایج آزمون کامره‌های گازی شیرهای مدار باقی‌مانده همه عادی بودند و هیچ ناهماهنگی‌ای یافت نشد. بر اساس داده‌های فوق، ابتدا تخمین زده می‌شود که ممکن است خرابی شکست پخشی در کامره خاموش کننده آتش فاز C شیر مدار خراب وجود داشته باشد.

جدول 1 داده‌های آزمون محصولات تجزیه گاز SF₆، محتوای آب میکرو و خلوص

(3) آزمون مقاومت عایق اصلی شیر مدار
در طول آزمون مقاومت عایق فاز C شیر مدار خراب، باید از روش‌های عملیاتی استاندارد پیروی کرد و مطمئن شد که شیر مدار در وضعیت باز است. در طول آزمون، یک سوی بوشینگ به زمین متصل می‌شود در حالی که ولتاژ به سوی دیگر اعمال می‌شود. به این ترتیب، عملکرد عایق تمام پورت‌های شیر مدار و همچنین بین مدار هدایتی و بدنه به طور جامع ارزیابی می‌شود.
با تحلیل داده‌های آزمون، مشخص شد که عملکرد عایق فاز C شیر مدار به طور کلی کافی نبود، به ویژه مشکل عملکرد عایق در پورت جدا شدن سمت Ⅱ - باس شیر مدار بسیار برجسته بود. داده‌های آزمون در جدول 2 نشان داده شده‌اند.

جدول 2 داده‌های آزمون عایق در پورت جدا شدن سمت Ⅱ - باس شیر مدار

(4) آزمون ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک خازن‌های موازی بین پورت‌های قطع شیر مدار

در شرایط آزمون محلی، چون امکان آزمون ظرفیت هر خازن پورت قطع به تنهایی وجود نداشت، روش آزمون مقایسه‌ای ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک خازن‌های موازی بین پورت‌های قطع شیرهای مدار فاز ABC به کار گرفته شد. در عملیات خاص، با شیر مدار در وضعیت باز، روش‌های آزمون بین بوشینگ (اتصال مثبت) و بوشینگ به زمین (اتصال منفی) برای انجام آزمون ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک استفاده شد. داده‌های آزمون در جدول 3 نشان داده شده‌اند.

جدول 3 داده‌های آزمون ظرفیت و ضریب اتلاف دی‌الکتریک شیر مدار خراب

با تحلیل مقایسه‌ای جدول 3، مشخص شد که مقدار ظرفیت به دست آمده از آزمون اتصال مثبت بین بوشینگ‌ها نسبتاً به مقدار واقعی نزدیک بود. با این حال، تحت تأثیر ظرفیت‌های جانبی داخل شیر مدار، هنوز اختلافی بین مقدار اندازه‌گیری شده و محاسبه شده وجود داشت. با این حال، از نتایج آزمون ظرفیت‌های موازی پورت‌های قطع بین فازهای ABC، اختلاف ظرفیت بین سه فاز نسبتاً کم بود. بر اساس این، ابتدا قضاوت شد که وضعیت خازن موازی پورت قطع فاز C طبیعی است.

(5) بازرسی داخل خزان شیر مدار

در محل رسیدگی به خرابی، گاز فاز C شیر مدار خراب به طور حرفه‌ای بازیابی شد. سپس از یک اندوسکوپ برای بازرسی عمیق داخل خزان استفاده شد. پس از بازرسی دقیق، مشخص شد که مقاومت بستن نزدیک به سمت Ⅱ - باس شکسته شده بود. تکه‌های سیاه از چیپ‌های مقاومت در پایین خزان پخش شده بود. علاوه بر این، مشخص شد که لباس محافظ پلی‌تترافلورواتیلن یکی از مقاومت‌های بستن ترک خورده و به پایین خزان افتاده بود.

2.1.1 بازرسی شیر جدا کننده

پس از بازرسی دقیق محلی، نشانه‌های سوختگی واضح در بخش‌های اشاره‌کننده آتش فاز C شیرهای جدا کننده دو طرف شیر مدار خراب یافت شد. سپس با عملیات دستی شیر جدا کننده فاز C محلی، کل فرآیند عملیاتی صاف و بدون گیر بود. علاوه بر این، در طول بازرسی مشاهده شد که هیچ پدیده جوشکاری بین تماس‌های متحرک و ثابت وجود نداشت. پس از تکمیل عملیات باز شدن، بازرسی دقیق‌تری از پایه تماس ثابت و انگشتان تماس انجام شد و هیچ نشانه سوختگی جدی یافت نشد.

2.1.2 بازرسی تجهیزات ثانویه

در ساعت 12:31:50.758 در 18 ژوئن 2022، فاز C شیر مدار خراب در زیرستانیون 750kV به زمین متصل شد. پس از وقوع خرابی، حفاظ خطی دیفرانسیلی و حفاظ دیفرانسیلی 750kV Bus - Ⅱ هر دو به درستی عمل کردند. با تحلیل عمیق جریان خرابی و عملکرد حفاظ دیفرانسیلی و حفاظ خطی، زمانی که شیر جدا کننده در وضعیت بسته بود (که در آن ولتاژ سیستم پایدار بود و بدون ولتاژ اضافی)، مشاهده شد که 750kV Bus - Ⅱ جریان خرابی را به نقطه خرابی تأمین می‌کرد. قابل توجه است که CT₇ و CT₈ مربوط به حفاظ دیفرانسیلی شیر مدار خراب وجود جریان خرابی را تشخیص ندادند. بر اساس این مشاهده، تعیین شد که نقطه خرابی باید در منطقه بین شیر مدار CT₇ و باس باشد. در عین حال، CT₁ و CT₂ مربوط به حفاظ خطی وجود جریان خرابی را تشخیص دادند و مقدار جریان خرابی به جریان اولیه 4.5kA رسید. بنابراین، استنتاج شد که نقطه خرابی در منطقه بین CT₂ شیر مدار خراب و پورت قطع سمت Ⅱ - باس شیر مدار است. این استنتاج با مکان نقطه خرابی یافت شده در بازرسی داخلی محلی مطابقت داشت.

2.2 بازرسی تجزیه

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، در طول بازرسی داخل خزان در فرآیند تجزیه شیر مدار، تکه‌های مقاومت بستن و لباس محافظ آن در اطراف پخش شده بود. برخی از چیپ‌های مقاومت چهارمین ستون که با پورت اصلی قطع سمت مکانیزم شیر مدار موازی بودند منفجر شده بودند و دو لباس محافظ متناظر نیز شکسته شده بودند. سایه A مقاومت نشانه‌های خوردگی تخلیه در دیواره داخلی خزان داشت و سایه B نیز نشانه‌های خوردگی تخلیه در A داشت. علاوه بر این، سطح میله عایق پذیر نشانه‌های سیاه شدن داشت. با بررسی داده‌های مونتاژ، آزمون کارخانه و نصب محلی شیر مدار و بازرسی قطعات عایق اصلی، هیچ ناهماهنگی‌ای یافت نشد.

3 تحلیل علت خرابی

با تجزیه و تحلیل، نتایج زیر به دست آمد: در طول فرآیند بستن شیر جدا کننده، سایه A مقاومت ابتدا به دیواره داخلی خزان تخلیه کرد. این باعث جریان‌های غیرعادی در مقاومت‌های چهارم، سوم و دومین ستون شد. سپس سایه B به A تخلیه کرد که باعث کوتاه شدن مقاومت‌های دوم و سوم شد و جریان اصلی در ستون چهارم متمرکز شد. این پدیده باعث افزایش سریع دما در چیپ‌های مقاومت ستون چهارم شد که در نهایت منجر به انفجار و شکستن و افتادن لباس محافظ شد. در طول فرآیند تخلیه، تولید آرک‌های دمای بالا باعث سیاه شدن سطح میله عایق پذیر شد.

شیر مدار نوع خزان می‌تواند ولتاژ ضربه گرفتگی تا 2100kV را تحمل کند. در طول فرآیند بستن عادی شیر جدا کننده، اگرچه ممکن است ولتاژ اضافی رخ دهد، اما در شرایط عملیاتی عادی، این سطح از ولتاژ اضافی برای فعال کردن مکانیسم تخلیه شیر مدار کافی نیست. با این حال، با تحلیل عمیق و استنتاج، ابتدا مشکوک است که ممکن است اجسام خارجی در داخل خزان وجود داشته باشد. این اجسام خارجی ممکن است تأثیر نامطلوبی بر توزیع میدان الکتریکی داشته باشند که باعث تحریف میدان و فراتر رفتن از قدرت عایق بندی که گاز SF₆ می‌تواند تحمل کند می‌شود. در این صورت، سایه A مقاومت ممکن است ابتدا به دیواره داخلی خزان تخلیه کند. با توجه به اینکه اجسام خارجی داخل خزان ممکن است در شکاف‌های غیرقابل ادراک پنهان شده باشند، هنگام بستن شیر جدا کننده با ولتاژ، ولتاژ اضافی تولید شده ممکن است تحت تأثیر نیروی میدان الکتریکی این اجسام را به مناطق با میدان الکتریکی قوی‌تر حرکت دهد و در نتیجه باعث تحریف میدان و وقوع پدیده تخلیه شود.

4 نتیجه‌گیری

با توجه به کاربرد گسترده تجهیزات قطعه‌ای پیشرفته در سیستم توان، حوادثی مانند قطع توان شیرهای مدار نوع خزان و تجهیزات GIS به دلیل اجسام خارجی به طور مکرر رخ می‌دهند. برای پیشگیری از چنین خرابی‌هایی، لازم است که کارهای آزمون زنده‌خط تقویت شود، به ویژه با افزایش فرکانس آزمون برای شیرهای مداری که به طور مکرر عمل می‌کنند. همچنین، در زمان پذیرش محلی، باید به صورت دقیق بررسی شود که آیا تجهیزات 200 عملیات مکانیکی را به پایان رسانده‌اند تا اطمینان حاصل شود که مکانیسم به درستی رانده شده و اثرات منفی ذرات فلزی بر عملکرد تجهیزات پس از راه‌اندازی جلوگیری شود.