Pagsusuri ng pagkasira ng SF6 circuit breaker sa isang 750 kV substation

Felix Spark

Larangan: Pagsasara at Pagsasainit

China

Dahil sa kanyang kamangha-manghang katangian ng elektrikal na insulasyon at kakayahan sa pagpapatigil ng ark, ang gas na sulfur hexafluoride (SF₆) ay malawakang ginagamit sa mataas na volt at extra-high voltage power systems. Sa paghahambing sa mga tradisyonal na circuit breakers, ang mga SF₆ circuit breakers ay mas mapagkakatiwalaan at may mahabang serbisyo buhay. Gayunpaman, habang tumataas ang oras ng paggamit at load, ang mga kapansanan ng SF₆ circuit breakers ay unti-unting lumalabas, lalo na ang mga breakdown faults, na naging isang panganib sa ligtas na operasyon ng grid ng kuryente. Ang mga breakdown faults hindi lamang nagdudulot ng pinsala sa mga aparato, maaari pa rin itong magresulta sa malaking brownout at epekto sa estabilidad ng grid ng kuryente. Kapag nangyari ang kapansanan, kasama ang arcs at mataas na temperatura, maaaring mapinsalan ang panloob na insulating materials at metal components, at maaaring magtrigger ng sunog at pagsabog. Dahil dito, ang pag-aaral ng breakdown fault mechanism ng SF₆ circuit breakers, pagtukoy ng mga ugat ng problema, at pagpopropona ng mga pamamaraan ng pangangalunan ay napakahalaga para sa siguradong operasyon ng power system.

Sa kasalukuyan, ang mga iskolar sa loob at labas ng bansa ay nagbibigay ng malawakang pag-aaral sa mga fault mechanisms ng SF₆ circuit breakers, pangunahin sa mga aspeto tulad ng electrical performance testing, material aging analysis, at electric field distribution simulation. Gayunpaman, dahil sa komplikadong panloob na estruktura ng SF₆ circuit breakers at ang kasangkot na maraming factors, ang umiiral na pag-aaral ay may limitasyon pa rin. Lalo na para sa mga breakdown faults sa aktwal na operasyon, dahil sa limitasyon ng on-site conditions at kahirapan ng pag-disassemble ng equipment, kulang pa rin ang sistematikong at komprehensibong pag-aaral.

Kaya, ang papel na ito ay nagbibigay ng komprehensibong analisis, kasama ang on-site fault investigation, equipment disassembly analysis, at electrical performance testing, para sa breakdown fault ng isang SF₆ circuit breaker sa isang partikular na substation. Ang layunin ay upang komprehensibong ipakita ang fault mechanism at ibigay ang siyentipikong batayan at teknikal na suporta para sa pagpapabuti ng disenyo, operasyon at pagmamanman, at pangangalunan ng kapansanan ng katulad na equipment sa hinaharap.

(2) Pagsubok sa Decomposition Products, Micro-water Content, at Purity ng Gas na SF₆

Ang mga on-site tests ay isinagawa sa decomposition products, micro-water content, at purity ng gas na SF₆ ng may kapansanan na circuit breaker. Ang datos ng test ay ipinapakita sa Table 1. Ayon sa analisis ng resulta ng test, ang decomposition products at micro-water content ng gas na SF₆ sa arc-extinguishing chamber ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker ay lubhang lumampas sa standard limits na inilalarawan sa "Code for Condition-based Maintenance Tests of Power Transmission and Transformation Equipment" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, micro-water ≤ 300 μL/L) [5]. Sa kabilang dako, ang resulta ng test ng mga gas chambers ng natitirang circuit breakers ay lahat normal, walang anumang anomalya. Batay sa nabanggit na datos, itinuturing na may posibilidad na may discharge fault sa loob ng arc-extinguishing chamber ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker.

Table 1 Test Data ng Decomposition Products, Micro-water Content at Purity ng Gas na SF₆

(3) Pagsusuri sa Main Insulation Resistance ng Circuit Breaker
Sa insulation resistance test ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker, dapat sundin ang standard operating procedures, at siguraduhin na ang circuit breaker ay nasa open-circuit state. Sa test, ang isang-side bushing ay grounded habang ang voltage ay ina-apply sa kabilang side. Sa ganitong paraan, ang insulation performance ng bawat port ng circuit breaker, pati na rin ang pagitan ng conductive circuit at casing, ay komprehensibong pinag-uusapan.
Sa pamamagitan ng analisis ng datos ng test, natuklasan na ang insulation performance ng phase C ng circuit breaker ay pangkalahatan ay hindi sapat, lalo na ang insulation performance problem sa disconnection port sa Ⅱ-bus side ng circuit breaker ay napaka-hindi maayos. Ang datos ng test ay ipinapakita sa Table 2.

Table 2 Insulation Test Data sa Disconnection Port sa Ⅱ-bus Side ng Circuit Breaker

(4) Pagsubok sa Capacitance at Dielectric Loss ng Parallel Capacitors sa Pagitan ng Interrupting Ports ng Circuit Breaker

Sa on-site testing conditions, dahil hindi posible na subukan ang capacitance ng bawat interrupting port capacitor nang individual, isinagawa ang comparative testing method para sa capacitance at dielectric loss ng parallel capacitors sa pagitan ng interrupting ports ng ABC-phase circuit breakers. Sa tiyak na operasyon, habang ang circuit breaker ay nasa open-circuit state, ang testing methods ng inter-bushing (positive connection) at bushing-to-ground (negative connection) ay isinagawa upang gawin ang capacitance at dielectric loss tests. Ang datos ng test ay ipinapakita sa Table 3.

Table 3 Capacitance at Dielectric Loss Test Data ng May Kapansanan na Circuit Breaker

Sa pamamagitan ng comparative analysis ng Table 3, natuklasan na ang capacitance value na nakuha sa positive-connection test sa pagitan ng bushings ay medyo malapit sa aktwal na value. Gayunpaman, dahil sa stray capacitance sa loob ng circuit breaker, may kaunting deviation pa rin sa pagitan ng measured value at calculated value. Ngunit, mula sa resulta ng test ng parallel capacitances ng interrupting ports sa pagitan ng ABC phases, ang mga difference sa capacitance sa tatlong phases ay medyo maliit. Batay dito, itinuturing na normal ang estado ng parallel capacitor sa C-phase interrupting port.

(5) Pagsusuri sa Loob ng Tank ng Circuit Breaker

Sa lugar ng pag-aayos ng kapansanan, ang gas ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker ay propesyonal na inirecover. Pagkatapos, isinagawa ang endoscope upang gawin ang detalyadong pagsusuri sa loob ng tank. Matapos ang detalyadong pagsusuri, natuklasan na ang closing resistance malapit sa Ⅱ-bus side ay may breakdown. Ang mga black resistance chip fragments ay nakalat sa ilalim ng tank. Bukod dito, natuklasan din na ang polytetrafluoroethylene sheath ng isa sa closing resistances ay may crack at napatumba sa ilalim ng tank.

2.1.1 Pagsusuri sa Disconnect Switch

Matapos ang detalyadong on-site inspection, natuklasan ang malinaw na burning marks sa arcing finger parts ng moving contacts sa parehong gilid ng phase C ng disconnect switches sa parehong gilid ng may kapansanan na circuit breaker. Pagkatapos, sa pamamagitan ng manual na pag-operate ng disconnect switch ng phase C on-site, ang buong proseso ng operasyon ay smooth at walang anumang jamming. Bukod dito, sa pag-inspect, natuklasan na walang welding phenomenon sa pagitan ng moving at static contacts. Pagkatapos matapos ang opening operation, ginawa ang mas detalyadong pagsusuri sa static contact base at contact fingers, at wala namang serious na burning marks na natuklasan.

2.1.2 Pagsusuri sa Secondary Equipment

Noong 12:31:50.758 ng ika-18 ng Hunyo 2022, ang phase C ng may kapansanan na circuit breaker sa 750kV substation ay grounded. Pagkatapos ng kapansanan, ang line fiber-optic differential protection at ang bus differential protection ng 750kV Bus-Ⅱ ay tama ang pag-operate. Sa pamamagitan ng malalim na analisis ng fault current at ang operasyon ng bus differential protection at line protection, kapag ang disconnect switch ay nasa closed state (sa panahon na ang sistema ng voltage ay nananatiling stable at walang over-voltage), natuklasan na ang 750kV Bus-Ⅱ ay sumuplay ng fault current sa fault point. Mahalagahin na ang CT₇ at CT₈ na kasangkot sa bus differential protection ng may kapansanan na circuit breaker ay hindi nadetect ang pagkakaroon ng fault current. Batay sa obserbasyon, itinukoy na ang fault point ay dapat sa rehiyon sa pagitan ng circuit breaker CT₇ at ang bus. Samantala, ang CT₁ at CT₂ para sa line protection ay nadetect ang pagkakaroon ng fault current, at ang halaga ng fault current ay umabot sa primary current ng 4.5kA. Kaya, itinukoy na ang fault point ay dapat sa rehiyon sa pagitan ng CT₂ ng may kapansanan na circuit breaker at ang interrupting port sa Ⅱ-bus side ng circuit breaker. Ang inferensiya na ito ay consistent sa lokasyon ng fault point na natuklasan sa on-site internal inspection.

2.2 Dismantling Inspection

Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, sa pag-inspect sa loob ng tank sa panahon ng proseso ng dismantling ng circuit breaker, natuklasan ang mga fragments ng closing resistance at ang protective sheath na nakalat sa paligid. Ang ilang resistance chips ng ika-apat na column ng closing resistance, na konektado sa parallel sa main interrupting port sa mechanism side ng circuit breaker, ay pumutok, at ang corresponding na dalawang resistance protective sheaths ay nasira. Ang end shield A ng resistance ay may traces ng discharge ablation sa inner wall ng tank, at ang shield B ay may din traces ng discharge ablation sa A. Bukod dito, ang surface ng insulating support rod ay may blackened traces. Sa pamamagitan ng pag-check ng assembly, factory test, at on-site installation data ng circuit breaker, at pag-inspect ng main insulating parts, wala namang anomalya na natuklasan.

3 Analisis ng Sanhi ng Kapansanan

Sa pamamagitan ng dismantling analysis, natuklasan ang mga sumusunod na konklusyon: Sa panahon ng closing process ng disconnect switch, ang end shield A ng resistance ay unang nag-discharge sa inner wall ng tank. Ito ay nagresulta sa abnormal currents sa ika-apat, ikatlo, at ikalawang column ng closing resistances. Pagkatapos, ang shield B ay nag-discharge sa A, na nagresulta sa short-circuit sa ikalawang at ikatlong column resistances, at ang current ay pangunahing nakonsentrado sa ika-apat na column. Ang phenomenon na ito ay nagdulot ng mabilis na pagtaas ng temperatura ng resistance chips sa ika-apat na column, hanggang sa ito ay pumutok, at ang resistance protective sheath ay nasira at napatumba. Sa panahon ng discharge process, ang paglikha ng high-temperature arcs ay nagresulta sa pag-blacken ng surface ng insulating support rod.

Ang tank-type circuit breaker ay maaaring tanggapin ang lightning impulse voltage hanggang 2100kV. Sa normal closing process ng disconnect switch, bagama't maaaring magkaroon ng over-voltage, sa normal operating conditions, ang lebel ng over-voltage na ito ay hindi sapat upang mag-trigger ng discharge mechanism ng circuit breaker. Gayunpaman, sa pamamagitan ng malalim na analisis at inferensiya, itinuturing na may posibilidad na may foreign objects sa loob ng tank. Ang mga foreign objects na ito ay maaaring magkaroon ng negatibong epekto sa electric field distribution, na nagresulta sa distortion ng electric field at lumampas sa insulation strength na kayang tanggapin ng SF₆ gas gap. Sa kaso na ito, ang end shield A ng resistance ay maaaring unang mag-discharge sa inner wall ng tank. Inaasahan na ang mga foreign objects sa loob ng tank ay maaaring naka-tagong sa hindi napapansin na crevices, at kapag ang disconnect switch ay naclosed na may power, ang over-voltage na nai-produce ay, sa epekto ng electric field force, maaaring ilipat ang mga foreign objects sa areas na may mas malakas na electric field, na nagresulta sa distortion ng electric field at nag-udyok ng discharge phenomena.

4 Conclusion

Bilang tugon sa malawakang aplikasyon ng advanced switchgear sa power system, ang mga aksidente tulad ng tripping ng tank-type circuit breakers at GIS equipment dahil sa foreign objects ay madalas nangyayari. Upang maiwasan ang mga kapansanan na ito, kinakailangang palakasin ang live-line detection work, lalo na ang pagtaas ng frequency ng pagsubok para sa mga circuit breakers na madalas gumagana. Sa parehong oras, sa panahon ng on-site acceptance, dapat na mahigpit na suriin kung ang equipment ay nakumpleto na ang 200 mechanical operations upang siguraduhin ang running-in ng mechanism at iwasan ang negatibong epekto ng metal debris sa operasyon ng equipment pagkatapos ng commissioning.