Análise da falla de ruptura do interruptor SF6 nunha subestación de 750 kV

Felix Spark

Campo: Fallo e mantemento

China

Debido á súas excelentes propiedades de aislamento eléctrico e capacidade de extinción de arcos, o gas hexafluoruro de sulfuro (SF₆) foi amplamente utilizado en sistemas de alta e extra-alta tensión. En comparación coas interrupcións tradicionais, as interrupcións SF₆ son máis fiables e teñen unha vida útil máis longa. No entanto, a medida que aumentan o tempo de uso e a carga, os fallos nas interrupcións SF₆ van aparecendo gradualmente, especialmente os fallos de ruptura, que se converteron nunha ameaza oculta para a operación segura da rede eléctrica. Os fallos de ruptura non só danan o equipo, senón que tamén poden provocar cortes de enerxía a gran escala e afectar a estabilidade da rede eléctrica. Cando ocorre un fallo, acompañado de arcos e altas temperaturas, pode danar os materiais de aislamento internos e os componentes metálicos, e incluso provocar incendios e explosións. Polo tanto, estudar o mecanismo de fallo de ruptura das interrupcións SF₆, identificar as causas raíz e propor medidas preventivas é moi importante para garantir a operación segura do sistema eléctrico.

Actualmente, os académicos nacionais e internacionais realizaron extensas investigacións sobre os mecanismos de fallo das interrupcións SF₆, centrándose principalmente en aspectos como as probas de desempeño eléctrico, o análise de envellecemento dos materiais e a simulación da distribución do campo eléctrico. No entanto, debido á complexa estrutura interna das interrupcións SF₆ e a implicación de múltiples factores, a investigación existente aínda ten limitacións. Especialmente para os fallos de ruptura en operación real, debido ás limitacións das condicións no terreo e a dificultade de desmontaxe do equipo, falta unha investigación sistemática e comprehensiva.

Por tanto, este artigo realiza unha análise comprehensiva, incluíndo a investigación de fallos no terreo, o desmontaxe e análise do equipo e as probas de desempeño eléctrico, para un fallo de ruptura dunha interrupción SF₆ nunha subestación específica. O obxectivo é revelar comprehensivamente o mecanismo de fallo e proporcionar unha base científica e soporte técnico para a mellora do deseño, a operación e mantemento e a prevención de fallos de equipos similares no futuro.

(2) Detección dos produtos de descomposición do gas SF₆, contido de microagua e pureza

Realizáronse probas no terreo nos produtos de descomposición do gas SF₆, o contido de microagua e a pureza da interrupción defectuosa. Os datos da proba están mostrados na Táboa 1. Segundo a análise dos resultados da proba, os produtos de descomposición do gas SF₆ e o contido de microagua na cámara de extinción de arcos da fase C da interrupción defectuosa superaron significativamente os límites estándar establecidos no "Código para Probas de Mantemento Basado en Estado de Equipamentos de Transmisión e Transformación" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, microagua ≤ 300 μL/L) [5]. En contraste, os resultados da proba das cámaras de gas das restantes interrupcións foron todos normais, sen detectar anomalias. Baseándonos nos datos anteriores, infírese preliminarmente que pode haber un fallo de descarga dentro da cámara de extinción de arcos da fase C da interrupción defectuosa.

Táboa 1 Datos de Proba dos Produtos de Descomposición do Gas SF₆, Contido de Microagua e Pureza

(3) Inspección da resistencia principal de aislamento da interrupción
Durante a proba de resistencia de aislamento da fase C da interrupción defectuosa, deben seguirse os procedementos operativos estándar e asegurarse de que a interrupción está en estado de circuito aberto. Durante a proba, unha das embutidas está conectada a tierra mentres que se aplica voltaxe á outra. De esta forma, avalía-se comprehensivamente o desempeño de aislamento de cada porta da interrupción, así como entre o circuito conductor e a carcasa.
A través do análise dos datos da proba, atopouse que o desempeño de aislamento da fase C da interrupción era xeralmente insuficiente, especialmente o problema de aislamento na porta de desconexión do lado do barramento Ⅱ da interrupción destacaba particularmente. Os datos da proba están mostrados na Táboa 2.

Táboa 2 Datos de Proba de Aislamento na Porta de Desconexión do Lado do Barramento Ⅱ da Interrupción

(4) Probas da capacitancia e perdas dieléctricas dos condensadores paralelos entre as portas de interrupción

Baixo as condicións de proba no terreo, xa que non foi posible probar a capacitancia de cada condensador de porta de interrupción individualmente, adoptouse un método de proba comparativa para a capacitancia e as perdas dieléctricas dos condensadores paralelos entre as portas de interrupción das interrupcións ABC. Durante a operación específica, con a interrupción en estado de circuito aberto, utilizáronse métodos de proba de embutida a embutida (conexión positiva) e de embutida a tierra (conexión negativa) para realizar probas de capacitancia e perdas dieléctricas. Os datos da proba están mostrados na Táboa 3.

Táboa 3 Datos de Proba de Capacitancia e Perdas Dieléctricas da Interrupción Defectuosa

A través dunha análise comparativa da Táboa 3, atopouse que o valor de capacitancia obtido pola proba de conexión positiva entre embutidas estaba relativamente próximo ao valor real. No entanto, afectado pola capacitancia estrayada dentro da interrupción, aínda había unha certa desviación entre o valor medido e o calculado. Non obstante, a partir dos resultados da proba das capacitancias paralelas entre as portas de interrupción das fases ABC, as diferenzas de capacitancia entre as tres fases eran relativamente pequenas. Basándonos neste, infírese preliminarmente que o estado do condensador paralelo da porta de interrupción da fase C era normal.

(5) Inspección interior do tanque da interrupción

No lugar de manexo do fallo, o gas da fase C da interrupción defectuosa foi recuperado profesionalmente. Posteriormente, usouse un endoscopio para realizar unha inspección en profundidade no interior do tanque. Despois dunha inspección detallada, atopouse que a resistencia de pechado preto do lado do barramento Ⅱ sufriu unha ruptura. Fragmentos de chips de resistencia negros estaban dispersos no fondo do tanque. Ademais, tamén se atopou que a manguera de tetrafluoroetileno politetrafluoreto (PTFE) dunha das resistencias de pechado estaba rachada e caída no fondo do tanque.

2.1.1 Inspección do interruptor de separación

Despois dunha inspección detallada no terreo, atopáronse marcas evidentes de queimadura nas partes dos dedos de arco dos contactos móveis de ambos os lados da fase C dos interruptores de separación de ambos os lados da interrupción defectuosa. Posteriormente, mediante a operación manual do interruptor de separación da fase C no terreo, todo o proceso de operación foi suave sen ningunha obstrución. Ademais, durante a inspección, observouse que non había fenómeno de soldadura entre os contactos móveis e estáticos. Despois de completar a operación de apertura, realizouse unha inspección detallada da base do contacto estático e dos dedos de contacto, e non se atoparon marcas graves de queimadura.

2.1.2 Inspección do equipo secundario

Ao 12:31:50.758 do 18 de xuño de 2022, a fase C da interrupción defectuosa na subestación de 750kV foi aterrada. Despois de producirse o fallo, a protección diferencial de fibra óptica da liña e a protección diferencial do barramento 750kV Barramento Ⅱ funcionaron correctamente. A través dunha análise en profundidade da corrente de fallo e da operación da protección diferencial do barramento e da protección da liña, cando o interruptor de separación estaba en estado pechado (durante o cal a tensión do sistema permanecía estable sen sobretensión), observouse que o Barramento Ⅱ de 750kV fornecía corrente de fallo ao punto de fallo. É digno de mencionar que CT₇ e CT₈ implicados na protección diferencial do barramento da interrupción defectuosa non detectaron a existencia de corrente de fallo. Basándonos nesta observación, determinouse que o punto de fallo debería estar na área entre o CT₇ da interrupción e o barramento. Ao mesmo tempo, CT₁ e CT₂ para a protección da liña detectaron a existencia de corrente de fallo, e o valor da corrente de fallo alcanzou unha corrente primaria de 4.5kA. Polo tanto, infírese adicionalmente que o punto de fallo estaba na área entre o CT₂ da interrupción defectuosa e a porta de interrupción do lado do barramento Ⅱ da interrupción. Esta inferencia foi consistente coa localización do punto de fallo atopado na inspección interna no terreo.

2.2 Inspección de desmontaxe

Como se mostra na Figura 2, durante a inspección do interior do tanque no proceso de desmontaxe da interrupción, observáronse fragmentos da resistencia de pechado e da súa manguera protectora dispersos ao redor. Algunhas fichas de resistencia da cuarta columna de resistencia de pechado, que estaba conectada en paralelo coa porta de interrupción principal do lado do mecanismo da interrupción, explotaron, e as correspondentes dúas mangueras protectoras tamén se romperon. O escudo A da resistencia mostraba trazas de ablación por descarga na parede interna do tanque, e o escudo B tamén mostraba trazas de ablación por descarga en A. Ademais, a superficie da barra de soporte de aislamento mostraba trazas de ennegrecemento. Ao comprobar a montaxe, as probas de fabrica e os datos de instalación no terreo da interrupción, e inspeccionar as partes de aislamento principais, non se atoparon anomalias.

3 Análise da causa do fallo

A través da análise de desmontaxe, chegáronse ás seguintes conclusións: Durante o proceso de pechado do interruptor de separación, o escudo A da resistencia primeiro descargou cara á parede interna do tanque. Isto levou a correntes anormais nas resistencias de pechado da cuarta, terceira e segunda columna. Posteriormente, o escudo B descargou cara a A, provocando un curto-circuito nas resistencias da segunda e terceira columna, e a corrente concentrábase principalmente na cuarta columna. Este fenómeno provocou un aumento brusco da temperatura dos chips de resistencia na cuarta columna, levando finalmente á súa explosión, e a manguera protectora da resistencia rompeuse e caiu. Durante o proceso de descarga, a xeración de arcos de alta temperatura provocou que a superficie da barra de soporte de aislamento se ennegrecese.

A interrupción de tipo tanque pode soportar unha tensión impulsiva de relampo de ata 2100kV. Durante o proceso normal de pechado do interruptor de separación, aínda que poida ocorrer sobretensión, baixo condicións normais de operación, este nivel de sobretensión non é suficiente para activar o mecanismo de descarga da interrupción. No entanto, a través dunha análise en profundidade e inferencia, sospeítase preliminarmente que pode haber obxectos estranhos no interior do tanque. Estes obxectos estranhos poden ter un impacto adverso na distribución do campo eléctrico, provocando a distorsión do campo eléctrico e superando a resistencia de aislamento que a fenda de gas SF₆ pode soportar. Neste caso, o escudo A da resistencia pode primeiro descargarse cara á parede interna do tanque. Considerando que os obxectos estranhos no interior do tanque poden estar escondidos en frechas imperceptibles, cando o interruptor de separación está pechado con alimentación, a sobretensión xerada pode, baixo a acción da forza do campo eléctrico, mover os obxectos estranhos a áreas con un campo eléctrico máis forte, provocando así a distorsión do campo eléctrico e levando á ocorrência de fenómenos de descarga.

4 Conclusión

Dada a amplia aplicación de equipamentos de conmutación avanzados no sistema eléctrico, os accidentes como os saltos de interrupcións de tipo tanque e equipos GIS debido a obxectos estranhos ocorren con frecuencia. Para prevenir tais fallos, é necesario fortalecer o traballo de detección en liña, especialmente aumentando a frecuencia de detección para interrupcións que operan con frecuencia. Ao mesmo tempo, durante a aceptación no terreo, debe comprobarse estritamente se o equipo completou 200 operacións mecánicas para asegurar o rodaje do mecanismo e evitar os efectos adversos dos residuos metálicos na operación do equipo despois da posta en marcha.