750 kV alueksen liittymäaseman SF6-purkaimen vika-analyysi

Felix Spark

Kenttä: Virhe ja huolto

China

Sulfaheksafluori (SF₆) kaasun erinomaiset sähköeristysominaisuudet ja tulihaalistumiskyky ovat johtaneet sen laajalle leviämiseen korkean- ja erittäin korkean jännitteen sähköjärjestelmissä. Vertailussa perinteisiin sulkeutimiin SF₆-sulkeutimet ovat luotettavampia ja niillä on pidempi käyttöikä. Kuitenkin kun käyttöaika ja kuormitus kasvavat, SF₆-sulkeutimissa ilmenee vikoja, erityisesti läpisyntyneisyyshaittoja, jotka muodostavat piilovaaran sähköverkon turvallisen toiminnan kannalta. Läpisyntyneisyysvahingot vahingoittavat laitteita, mutta ne voivat myös johtaa laajamittaiseen sähkökatkoon ja vaikuttaa sähköverkon vakautukseen. Kun vika tapahtuu, se voi tuhota sisäiset eristyksen materiaalit ja metalliosat, ja jopa aiheuttaa palot ja räjähdykset. Siksi on hyvin tärkeää tutkia SF₆-sulkeutimien läpisyntyneisyysvikamekanismia, tunnistaa syypäitä ja ehdottaa ennaltaehkäiseviä toimenpiteitä sähköjärjestelmän turvallisen toiminnan varmistamiseksi.

Nykyään kotimaisten ja ulkomaiden tutkijoiden on tehty laaja-alaisia tutkimuksia SF₆-sulkeutimien vikamekanismeista, keskittyen pääasiassa aspekteihin kuten sähköisten ominaisuuksien testaus, materiaalien vanhenemisanalyysi ja sähkökentän jakautumisen simulointi. Kuitenkin SF₆-sulkeutimien monimutkaisen sisäisen rakenteen ja useiden tekijöiden osallistumisen vuoksi nykytutkimuksilla on edelleen rajoituksia. Erityisesti todellisessa käytössä tapahtuvissa läpisyntyneisyysvikojen osalta, paikan päällä olevien olosuhteiden rajoitusten ja laitteiden purkamisen vaikeuden vuoksi ei ole tehty järjestelmällistä ja kattavaa tutkimusta.

Tässä artikkelissa tehdään kattava analyysi, mukaan lukien paikan päällä tapahtunut vikaselvitys, laitteen purkaminen ja sähköisten ominaisuuksien testaus, tietyssä alijärjestelyssä olevan SF₆-sulkeutimen läpisyntyneisyysvian yhteydessä. Tavoitteena on kattavasti paljastaa vikamekanismi ja tarjota tieteellinen perusta ja tekninen tuki samankaltaisten laitteiden tulevalle suunnittelun parantamiselle, toiminnalle ja huollosta sekä vian ennaltaehkäisylle.

(2) SF₆-kaasun hajoamistuotteiden, mikroveden ja puhtauden mittaus

Paikan päällä tehtiin testejä vialliselle sulkeutimelle SF₆-kaasun hajoamistuotteiden, mikroveden ja puhtauden osalta. Testidatat näkyvät taulukossa 1. Testitulosten analyysin mukaan viallisessa sulkeutimessa C-faasin tulihaalistusosaston SF₆-kaasun hajoamistuotteet ja mikroveden määrä olivat merkittävästi yli "Sähköverkkojen ja -laitteiden tilaperusteisen ylläpidon testausohjeen" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, mikrovesi ≤ 300 μL/L) [5] määrittelemät rajat. Vastaavasti muissa sulkeutimissa olevien kaasupuskurien testitulokset olivat normaalit, eikä poikkeamia havaittu. Yllä mainittujen tietojen perusteella voidaan alkuperäisesti päätellä, että viallisessa sulkeutimessa C-faasin tulihaalistusosastossa saattaa olla puhdistevirhe.

Taulukko 1 SF₆-kaasun hajoamistuotteiden, mikroveden ja puhtauden testidatat

(3) Sulkeutimen pääeristysresistanssin tarkastus
Viallisen sulkeutimen C-faasin eristysresistanssin testauksessa on noudatettava standardoitua toimintatapaa, ja on varmistettava, että sulkeutin on avoimessa tilassa. Testauksessa toinen putki maataan, kun toiseen liitetään jännite. Näin arvioidaan kattavasti sulkeutimen jokaisen portin sekä johtavan polun ja kuoren välisen eristyskyvyn.
Testidatan analyysin perusteella havaittiin, että sulkeutimen C-faasin eristyskyky oli yleisesti riittämätön, erityisesti II-bussipuolen irrotuspisteen eristysongelma oli erityisen huomattava. Testidatat näkyvät taulukossa 2.

Taulukko 2 Eritystestidatat sulkeutimen II-bussipuolen irrotuspisteessä

(4) Rinnakkaiskondensaattoreiden kapasiteetin ja dielektrisen hukkajan testaus sulkeutimen katkopisteiden välillä

Paikan päällä olevissa testiolosuhteissa, koska jokaisen katkopistekapasitaattorin kapasiteettia ei voitu testata yksitellen, käytettiin vertailutestausmenetelmää ABC-faasien sulkeutimen katkopisteiden välisille rinnakkaiskondensaattoreille. Konkreettisessa toiminnassa, kun sulkeutin oli avoimessa tilassa, käytettiin putken välisten (positiivinen yhteys) ja putken maahan (negatiivinen yhteys) testausmenetelmiä kapasiteetin ja dielektrisen hukkajan testaamiseen. Testidatat näkyvät taulukossa 3.

Taulukko 3 Viallisen sulkeutimen kapasiteetin ja dielektrisen hukkajan testidatat

Taulukon 3 vertailuanalyysin perusteella havaittiin, että positiivisella yhteydellä mitattu kapasiteettiarvo putkien välillä oli suhteellisen lähellä todellista arvoa. Kuitenkin sulkeutimen sisäisten sivukapasiteettien vaikutuksesta oli edelleen jonkin verran poikkeamaa mitatun ja lasketun arvon välillä. Joka tapauksessa, ABC-faasien katkopisteiden välisistä rinnakkaiskapasiteettien testituloksista huomattiin, että kolmen faasin väliset kapasiteettipoikkeamat olivat suhteellisen pieniä. Tämän perusteella voidaan alkuperäisesti päätellä, että C-faasin katkopisteen rinnakkaiskapasiteetin tila on normaali.

(5) Tarkastus sulkeutimen säiliön sisällä

Viankorjauspaikan päällä viallisen sulkeutimen C-faasin kaasu kerättiin ammattimaisesti. Sen jälkeen käytettiin endoskooppia säiliön sisällä tehtävään syvempään tarkastukseen. Yksityiskohtaisen tarkastuksen jälkeen havaittiin, että II-bussipuolen lähellä oleva sulkuriresistanssi oli läpisyntynyt. Mustat resistanssilepot sirottelivat säiliön pohjalla. Lisäksi havaittiin, että yhden sulkuriresistanssin polytetrafluooretyyneeppinen kuoretta oli rikkoutunut ja pudonnut säiliön pohjalle.

2.1.1 Katkaisun tarkastus

Yksityiskohtaisen paikan päällä tehdyn tarkastuksen jälkeen havaittiin selvät palamomerkit viallisen sulkeutimen molemmilla puolilla olevien C-faasin katkaisun liikekontaktien arkkipalkkiosissa. Tämän jälkeen manuaalisesti toimittaessa C-faasin katkaisua koko toiminto sujui silti sujuvasti ilman esteyksiä. Lisäksi tarkastuksen aikana havaittiin, ettei liike- ja staattisten kontaktien välillä ollut tapahtunut kierrystä. Avausoperaation jälkeen tehtiin lisätarkastus staattisen kontaktin pohjan ja kontaktipalkkien suhteen, eikä vakavia palamomerkkejä löytynyt.

2.1.2 Toissijaisen laitteen tarkastus

18. kesäkuuta 2022 kello 12:31:50.758 viallinen 750kV:n alijärjestelyssä oleva sulkeutimen C-faasi kytkettiin maata vasten. Vian tapahduttua 750kV:n linjan optinen differentiaalisuojitus ja Bus - Ⅱ:n differentiaalisuojitus toimivat oikein. Syvällisen analyysin perusteella vian virran ja Bus - Ⅱ:n differentiaalisuojituksen sekä linjasuojituksen toiminnan perusteella, kun katkaisu oli suljettuna (jolloin järjestelmän jännite pysyi vakiona ilman ylijännitteitä), havaittiin, että 750kV:n Bus - Ⅱ antoi vian virran vian paikkaan. On huomionarvoista, että viallisen sulkeutimen differentiaalisuojituksessa mukana olevat CT₇ ja CT₈ eivät havainneet vian virran olemassaoloa. Tämän perusteella pääteltiin, että vian paikka pitäisi olla sulkeutimen CT₇:n ja bussin välissä. Samalla CT₁ ja CT₂, jotka olivat linjasuojituksen mukana, havaintoivat vian virran olemassaolon, ja vian virran arvo oli ensimmäisenä kuluneena 4,5kA. Siksi pääteltiin, että vian paikka oli viallisen sulkeutimen CT₂:n ja sulkeutimen II-bussipuolen katkopisteen välissä. Tämä päätelmä oli yhtenevä paikan päällä tehdyn sisäisen tarkastuksen tulosten kanssa.

2.2 Purkaminen ja tarkastus

Kuten kuvassa 2 näkyy, sulkeutimen purkamisen aikana säiliön sisällä tehdyn tarkastuksen aikana havaittiin sulkuriresistanssin ja sen suojakuoren lepot sirotteleminen ympärille. Neljäs sarake sulkuriresistanssi, joka oli rinnakkaistettu sulkeutimen mekanismin puolella olevan pääkatkopisteen kanssa, oli räjähtänyt, ja kaksi vastaavaa resistanssin suojakuorta oli myös rikkoutunut. Resistanssin A-pääsuuntaus näytti sähkövirtauksen kulumerkit säiliön sisäpuolella, ja B-pääsuuntaus näytti A:n kulumerkit. Lisäksi eristysvaateen pintaa oli mustanut. Tarkistamalla sulkeutimen kokoonpano, tehtaantestaus ja paikan päällä tehty asennusdata sekä tarkistamalla pääeristyksen osat, ei löytynyt epäilyttäviä merkkejä.

3 Vian syyanalyysi

Purkaminen ja analyysi johtivat seuraaviin päätelmiin: Katkaisun suljetuksen aikana resistanssin A-pääsuuntaus aloitti sähkövirtauksen säiliön sisäpuolelle. Tämä johti epänormaaleihin virtoihin neljännessä, kolmannessa ja toisessa sulkuriresistanssissa. Sitten B-pääsuuntaus virtasi A:han, mikä aiheutti toisen ja kolmannen sulkuriresistanssin lyhytinnoituksen, ja virta keskittyi pääasiassa neljänteen sarakeen. Tämä ilmiö sai neljännen sarakkeen resistanssilappujen lämpötilan nousemaan nopeasti, mikä lopulta aiheutti räjähdyksen, ja resistanssin suojakuoret rikkoutuivat ja pudonneet. Virtauksen aikana syntynyttä korkeaa lämpöä aiheutti eristysvaateen pinnan musteneminen.

Säiliötäyteinen sulkeutin kestää jopa 2100kV:n ukkosjänniten. Normaalissa katkaisun suljetuksessa voi tapahtua ylijännitteitä, mutta normaaleissa toimintaolosuhteissa tämä taso ylijännitteitä ei ole riittävä käynnistää sulkeutimen virtausmekanismia. Kuitenkin syvällisen analyysin ja päättelyn perusteella epäiletään, että säiliön sisällä voi olla vieraslajeja. Nämä vieraslajit voivat vaikuttaa sähkökentän jakautumiseen, mikä saattaa aiheuttaa sähkökentän vääristymisen ja ylittää SF₆-kaasun välin eristyskyvyn. Tällöin resistanssin A-pääsuuntaus voi aloittaa virtauksen säiliön sisäpuolelle. Ottaen huomioon, että säiliön sisällä olevat vieraslajit voivat piiloutua huomaamattomiin reepuihin, kun katkaisu suljetaan sähköllä, sähkökentän voiman aiheuttama ylijännite saattaa siirtää vieraslajit vahvempaan sähkökenttään, mikä aiheuttaa sähkökentän vääristymisen ja johtaa virtauksen tapahtumiseen.

4 Johtopäätös

Ottaen huomioon modernien sulkemislaitteiden laajamittaisen soveltamisen sähköjärjestelmässä, vieraslajien aiheuttamat onnettomuudet, kuten säiliötäyteisten sulkeutimien ja GIS-laitteiden katkeamiset, tapahtuvat usein. Tällaisten vian ehkäisemiseksi on lisättävä elossa olevan mittauksen työtä, erityisesti lisäämällä usein toimivien sulkeutimien mittausfrekvenssiä. Samalla paikan päällä tehdyn hyväksynnän yhteydessä on tarkistettava, että laite on suorittanut 200 mekaanista toimintaa varmistaaksemme mekanismin käyttökyvyn ja välttää metallijäteiden haitallisia vaikutuksia laitteen toimintaan käyttöönoton jälkeen.