Analyse de la panne de disjoncteur à SF6 dans une sous-station de 750 kV

Felix Spark

Champ: Panne et Maintenance

China

En raison de ses excellentes propriétés d'isolation électrique et de son efficacité pour l'extinction des arcs, le gaz hexafluorure de soufre (SF₆) est largement utilisé dans les systèmes électriques à haute et très haute tension. Comparé aux disjoncteurs traditionnels, les disjoncteurs SF₆ sont plus fiables et ont une durée de vie plus longue. Cependant, au fur et à mesure que la durée d'utilisation et la charge augmentent, les pannes des disjoncteurs SF₆ commencent à apparaître progressivement, en particulier les pannes de rupture, qui deviennent un danger latent pour le fonctionnement sûr du réseau électrique. Les pannes de rupture non seulement endommagent les équipements mais peuvent également entraîner des coupures de courant à grande échelle et affecter la stabilité du réseau électrique. Lorsqu'une panne se produit, accompagnée d'arcs électriques et de hautes températures, elle peut endommager les matériaux isolants internes et les composants métalliques, et même provoquer des incendies et des explosions. Par conséquent, l'étude du mécanisme de panne de rupture des disjoncteurs SF₆, l'identification des causes profondes et la proposition de mesures préventives sont d'une importance cruciale pour assurer le fonctionnement sûr du système électrique.

Actuellement, les chercheurs nationaux et internationaux ont mené des recherches approfondies sur les mécanismes de panne des disjoncteurs SF₆, se concentrant principalement sur des aspects tels que les tests de performance électrique, l'analyse du vieillissement des matériaux et la simulation de la distribution du champ électrique. Cependant, en raison de la structure interne complexe des disjoncteurs SF₆ et de la multiplicité des facteurs en jeu, les recherches existantes présentent encore des limites. En particulier, pour les pannes de rupture en conditions réelles, en raison des limitations des conditions sur site et de la difficulté de démonter l'équipement, il manque des recherches systématiques et complètes.

Ainsi, cet article mène une analyse complète, y compris l'enquête sur les pannes sur site, l'analyse de démontage de l'équipement et les tests de performance électrique, pour la panne de rupture d'un disjoncteur SF₆ dans une certaine sous-station. Le but est de révéler de manière exhaustive le mécanisme de panne et de fournir une base scientifique et un soutien technique pour l'amélioration de la conception, l'exploitation et la maintenance, ainsi que la prévention des pannes de ce type d'équipement à l'avenir.

(2) Détection des produits de décomposition du gaz SF₆, du taux de micro-eau et de la pureté

Des tests sur site ont été effectués sur les produits de décomposition du gaz SF₆, le taux de micro-eau et la pureté du disjoncteur défectueux. Les données de test sont présentées dans le tableau 1. Selon l'analyse des résultats des tests, les produits de décomposition du gaz SF₆ et le taux de micro-eau dans la chambre d'extinction d'arc de la phase C du disjoncteur défectueux ont nettement dépassé les limites standard spécifiées dans le "Code des essais de maintenance basée sur l'état des équipements de transport et de transformation d'énergie" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, micro-eau ≤ 300 μL/L) [5]. En revanche, les résultats des tests des chambres à gaz des autres disjoncteurs étaient tous normaux, sans anomalie détectée. Sur la base des données ci-dessus, on peut présumer initialement qu'il pourrait y avoir une panne de décharge à l'intérieur de la chambre d'extinction d'arc de la phase C du disjoncteur défectueux.

Tableau 1 Données de test des produits de décomposition du gaz SF₆, du taux de micro-eau et de la pureté

(3) Inspection de la résistance d'isolement principale du disjoncteur
Lors du test de résistance d'isolement de la phase C du disjoncteur défectueux, les procédures opérationnelles standard doivent être suivies, et il faut s'assurer que le disjoncteur est en position ouverte. Pendant le test, une gaine est mise à la terre tandis qu'une tension est appliquée à l'autre côté. De cette manière, la performance d'isolement de chaque port du disjoncteur, ainsi que celle entre le circuit conducteur et le boîtier, est évaluée de manière globale.
Par l'analyse des données de test, il a été constaté que la performance d'isolement de la phase C du disjoncteur était généralement insuffisante, en particulier le problème de performance d'isolement au point de déconnexion sur le côté de la barre Ⅱ du disjoncteur était particulièrement prononcé. Les données de test sont présentées dans le tableau 2.

Tableau 2 Données de test d'isolement au point de déconnexion sur le côté de la barre Ⅱ du disjoncteur

(4) Test de la capacité et de la perte diélectrique des condensateurs parallèles entre les points d'interruption du disjoncteur

Dans les conditions de test sur site, il n'était pas possible de tester individuellement la capacité de chaque condensateur de point d'interruption. Une méthode de test comparative de la capacité et de la perte diélectrique des condensateurs parallèles entre les points d'interruption des disjoncteurs des phases ABC a donc été adoptée. Pendant l'opération spécifique, avec le disjoncteur en position ouverte, des méthodes de test de gaine à gaine (connexion positive) et de gaine à la terre (connexion négative) ont été utilisées pour effectuer des tests de capacité et de perte diélectrique. Les données de test sont présentées dans le tableau 3.

Tableau 3 Données de test de capacité et de perte diélectrique du disjoncteur défectueux

Par une analyse comparative du tableau 3, il a été constaté que la valeur de capacité obtenue par le test de connexion positive entre les gaines était relativement proche de la valeur réelle. Cependant, en raison de la capacité parasite à l'intérieur du disjoncteur, il y avait encore une certaine différence entre la valeur mesurée et la valeur calculée. Néanmoins, d'après les résultats des tests de capacités parallèles des points d'interruption des phases ABC, les différences de capacité entre les trois phases étaient relativement petites. Sur cette base, on a présumé initialement que l'état du condensateur parallèle du point d'interruption de la phase C était normal.

(5) Inspection à l'intérieur du réservoir du disjoncteur

Sur le site de gestion de la panne, le gaz de la phase C du disjoncteur défectueux a été récupéré de manière professionnelle. Ensuite, un endoscope a été utilisé pour effectuer une inspection approfondie à l'intérieur du réservoir. Après une inspection détaillée, il a été constaté que la résistance de fermeture près du côté de la barre Ⅱ avait subi une rupture. Des fragments de résistance noirs étaient dispersés au fond du réservoir. De plus, il a également été constaté que la gaine en polytétrafluoroéthylène d'une des résistances de fermeture s'était fissurée et était tombée au fond du réservoir.

2.1.1 Inspection de l'interrupteur à came

Après une inspection détaillée sur site, des marques de brûlure évidentes ont été trouvées sur les parties des doigts d'arc des contacts mobiles des deux côtés de la phase C des interrupteurs à came des deux côtés du disjoncteur défectueux. Ensuite, en opérant manuellement l'interrupteur à came de la phase C sur site, le processus d'opération a été fluide sans aucun blocage. De plus, lors de l'inspection, il a été observé qu'il n'y avait pas de phénomène de soudure entre les contacts mobiles et fixes. Après l'achèvement de l'opération d'ouverture, une inspection détaillée de la base de contact fixe et des doigts de contact a été effectuée, et aucune marque de brûlure sérieuse n'a été trouvée.

2.1.2 Inspection des équipements secondaires

À 12h31m50.758 le 18 juin 2022, la phase C du disjoncteur défectueux de la sous-station 750kV a été mise à la terre. Après la survenue de la panne, la protection différentielle à fibre optique de la ligne et la protection différentielle de la barre 750kV Bus - Ⅱ ont toutes deux fonctionné correctement. Par une analyse approfondie du courant de panne et du fonctionnement de la protection différentielle de la barre et de la protection de la ligne, lorsque l'interrupteur à came était en position fermée (pendant laquelle la tension du système restait stable sans surtension), il a été observé que la barre 750kV Bus - Ⅱ alimentait le courant de panne au point de panne. Il est à noter que les CT₇ et CT₈ impliqués dans la protection différentielle de la barre du disjoncteur défectueux n'ont pas détecté la présence de courant de panne. Sur cette observation, il a été déterminé que le point de panne devait se situer dans la zone entre le disjoncteur CT₇ et la barre. En outre, les CT₁ et CT₂ pour la protection de la ligne ont détecté la présence de courant de panne, et la valeur du courant de panne a atteint un courant primaire de 4,5 kA. Par conséquent, il a été inféré que le point de panne se situait dans la zone entre le CT₂ du disjoncteur défectueux et le point d'interruption sur le côté de la barre Ⅱ du disjoncteur. Cette inférence était conforme à l'emplacement du point de panne trouvé lors de l'inspection interne sur site.

2.2 Inspection après démontage

Comme le montre la figure 2, lors de l'inspection de l'intérieur du réservoir pendant le processus de démontage du disjoncteur, des fragments de résistance de fermeture et de leur gaine protectrice ont été observés dispersés autour. Certains morceaux de résistance de la quatrième colonne de résistance de fermeture, connectée en parallèle avec le point d'interruption principal du côté du mécanisme du disjoncteur, avaient explosé, et les deux gaines protectrices correspondantes avaient également été rompues. Le bouclier A de la résistance montrait des traces d'ablation de décharge sur la paroi intérieure du réservoir, et le bouclier B avait également des traces d'ablation de décharge sur A. De plus, la surface de la tige d'isolation montrait des traces noircies. En vérifiant les données d'assemblage, de test d'usine et d'installation sur site du disjoncteur, et en inspectant les principales parties d'isolation, aucune anomalie n'a été trouvée.

3 Analyse des causes de la panne

Par l'analyse après démontage, les conclusions suivantes ont été tirées : pendant le processus de fermeture de l'interrupteur à came, le bouclier A de la résistance a d'abord déchargé vers la paroi intérieure du réservoir. Cela a conduit à des courants anormaux dans les résistances de fermeture des quatrième, troisième et deuxième colonnes. Ensuite, le bouclier B a déchargé vers A, causant un court-circuit des résistances de la deuxième et troisième colonnes, et le courant était principalement concentré dans la quatrième colonne. Ce phénomène a fait monter rapidement la température des morceaux de résistance de la quatrième colonne, aboutissant finalement à une explosion, et la gaine protectrice de la résistance s'est brisée et est tombée. Pendant le processus de décharge, la production d'arcs à haute température a noirci la surface de la tige d'isolation.

Le disjoncteur de type réservoir peut supporter une tension d'impulsion de foudre allant jusqu'à 2100 kV. Pendant le processus de fermeture normal de l'interrupteur à came, bien qu'une surtension puisse se produire, dans des conditions de fonctionnement normales, ce niveau de surtension n'est pas suffisant pour déclencher le mécanisme de décharge du disjoncteur. Cependant, par une analyse approfondie et une inférence, on soupçonne initialement qu'il pourrait y avoir des objets étrangers à l'intérieur du réservoir. Ces objets étrangers pourraient avoir un impact négatif sur la distribution du champ électrique, causant une distorsion du champ électrique et dépassant la résistance d'isolation que l'écart de gaz SF₆ peut supporter. Dans ce cas, le bouclier A de la résistance pourrait d'abord décharger vers la paroi intérieure du réservoir. Étant donné que les objets étrangers à l'intérieur du réservoir pourraient être cachés dans des crevasses imperceptibles, lorsque l'interrupteur à came est fermé sous tension, la surtension générée pourrait, sous l'action de la force du champ électrique, déplacer les objets étrangers vers des zones où le champ électrique est plus fort, provoquant ainsi une distorsion du champ électrique et conduisant à la survenue de phénomènes de décharge.

4 Conclusion

Étant donné l'application extensive des dispositifs de commutation avancés dans le système électrique, des accidents tels que les déclenchements de disjoncteurs de type réservoir et d'équipements GIS en raison d'objets étrangers se produisent fréquemment. Pour prévenir de tels dysfonctionnements, il est nécessaire de renforcer les travaux de détection en ligne, en particulier en augmentant la fréquence de détection pour les disjoncteurs qui fonctionnent fréquemment. En outre, lors de l'acceptation sur site, il convient de vérifier strictement si l'équipement a effectué 200 opérations mécaniques pour assurer le rodage du mécanisme et éviter les effets négatifs des débris métalliques sur le fonctionnement de l'équipement après sa mise en service.