750kV変電所におけるSF6回路遮断器の破損故障分析

Felix Spark

フィールド: 故障とメンテナンス

China

硫化六フッ素（SF₆）ガスは、優れた電気絶縁性と消弧能力により、高電圧および超高電圧の電力システムで広く使用されています。従来の遮断器と比較して、SF₆遮断器はより信頼性が高く、寿命も長いです。しかし、使用時間や負荷が増えるにつれて、特に絶縁破壊故障を含むSF₆遮断器の故障が徐々に現れ、これは電力網の安全な運転に対する隠れた危険となっています。絶縁破壊故障は設備を損傷するだけでなく、大規模な停電を引き起こし、電力網の安定性にも影響を与える可能性があります。故障が発生すると、アークや高温に伴い、内部の絶縁材料や金属部品が損傷し、さらには火災や爆発を引き起こす可能性もあります。したがって、SF₆遮断器の絶縁破壊故障メカニズムの研究、根本原因の特定、予防措置の提案は、電力システムの安全な運転を確保する上で非常に重要です。

現在、国内外の学者はSF₆遮断器の故障メカニズムについて広範な研究を行っており、主に電気性能試験、材料の劣化分析、電界分布シミュレーションなどの側面に焦点を当てています。しかし、SF₆遮断器の複雑な内部構造と多くの要因が関与することから、既存の研究にはまだ制限があります。特に実際の運転中の絶縁破壊故障については、現場の条件の制約や装置の分解の難しさから、体系的かつ包括的な研究が不足しています。

そこで本論文では、ある変電所のSF₆遮断器の絶縁破壊故障について、現場での故障調査、装置の分解分析、電気性能試験などを含めた包括的な分析を行います。その目的は、故障メカニズムを全面的に明らかにし、今後の同様の装置の設計改善、運転・保守、故障予防に科学的根拠と技術的な支援を提供することです。

(2) SF₆ガス分解物質、微量水分量、純度の検出

故障した遮断器のSF₆ガス分解物質、微量水分量、純度について現場試験を行いました。試験データは表1に示します。試験結果の分析によれば、故障した遮断器のC相消弧室のSF₆ガス分解物質と微量水分量は、「送変電設備の状態維持試験規程」（SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, 微量水分 ≤ 300 μL/L）[5]で定められた基準値を大幅に超えていました。一方、他の遮断器のガス室の試験結果はすべて正常であり、異常は見られませんでした。上記のデータに基づき、故障した遮断器のC相消弧室内に放電故障が存在する可能性があると初步的に推測されます。

表1 SF₆ガス分解物質、微量水分量、純度の試験データ

(3) 遮断器の主絶縁抵抗の検査
故障した遮断器のC相の絶縁抵抗試験においては、標準操作手順に従い、遮断器が開路状態であることを確認しなければなりません。試験中は、一方のブッシングを接地し、もう一方に電圧を印加することで、遮断器の各ポート間および導電回路と筐体間の絶縁性能を総合的に評価します。
試験データの分析により、遮断器のC相の絶縁性能が全体的に不足していることが判明しました。特に、遮断器のⅡ母線側の分離口における絶縁性能問題が顕著でした。試験データは表2に示します。

表2 遮断器のⅡ母線側分離口の絶縁試験データ

(4) 遮断器分離口間の並列コンデンサの容量と誘電損失の試験

現場試験条件下では、各分離口コンデンサの容量を個別に試験することは不可能であったため、ABC相遮断器の分離口間の並列コンデンサの容量と誘電損失の比較試験方法を採用しました。具体的な操作では、遮断器が開路状態にあるときに、ブッシング間（正接続）とブッシング対地（負接続）の試験方法を使用して容量と誘電損失試験を行いました。試験データは表3に示します。

表3 故障した遮断器の容量と誘電損失試験データ

表3の比較分析により、ブッシング間の正接続試験で得られた容量値は実際の値に比較的近いことが分かりました。ただし、遮断器内部の迷走容量の影響により、測定値と計算値の間に一定の偏差がありました。それでも、ABC相間の分離口の並列コンデンサの試験結果から、3相間の容量差は比較的小さかったため、C相分離口の並列コンデンサの状態は正常であると初步的に判断されました。

(5) 遮断器タンク内部の検査

故障処理現場では、故障した遮断器のC相のガスを専門的に回収しました。その後、内視鏡を使用してタンク内部の詳細な検査を行いました。詳細な検査の結果、Ⅱ母線側近くの閉鎖抵抗に絶縁破壊が見つかりました。黒い抵抗チップの破片がタンク底に散乱していました。また、一つの閉鎖抵抗のポリテトラフルオロエチレン被覆が割れてタンク底に落ちていることも確認されました。

2.1.1 分離スイッチの検査

詳細な現場検査の結果、故障した遮断器の両側のC相分離スイッチの動接触部のアーク指部分に明らかな焼け跡が見つかりました。その後、現場でC相分離スイッチを手動で操作したところ、操作過程は滑らかで詰まりはありませんでした。さらに、動静接触部間に溶接現象は見られず、開路操作が完了後、静接触ベースと接触指を詳細に検査したところ、深刻な焼け跡は見つかりませんでした。

2.1.2 二次設備の検査

2022年6月18日12時31分50秒758、750kV変電所の故障した遮断器のC相が接地しました。故障発生後、750kVライン光ファイバ差動保護と750kV Bus-Ⅱ差動保護が正確に動作しました。故障電流とBus-Ⅱ差動保護およびライン保護の動作を深く分析した結果、分離スイッチが閉路状態（システム電圧が安定しており過電圧が発生していない）のとき、750kV Bus-Ⅱが故障点に故障電流を供給していたことが観察されました。このとき、故障遮断器のBus-Ⅱ差動保護に関わるCT₇とCT₈は故障電流の存在を検知しませんでした。この観察結果に基づき、故障点は遮断器のCT₇とバスの間にあると判断されました。一方、ライン保護のCT₁とCT₂は故障電流の存在を検知し、故障電流の値は一次電流4.5kAに達しました。したがって、故障点は故障遮断器のCT₂とⅡ母線側分離口の間にあるとさらに推測されました。この推測は、現場での内部検査で見つかった故障点の位置と一致しました。

2.2 分解検査

図2に示すように、遮断器の分解過程でのタンク内部検査において、閉鎖抵抗とその保護被覆の破片が散乱していることが観察されました。機構側の主分離口と並列接続された第4柱閉鎖抵抗の一部の抵抗チップが爆発し、対応する2つの抵抗保護被覆も破裂していました。抵抗の端シールドAはタンク内壁に放電摩耗痕があり、シールドBもAに放電摩耗痕がありました。また、絶縁支持棒の表面には黒ずみが見られました。遮断器の組立、工場試験、現場設置データを確認し、主要な絶縁部品を検査したところ、異常は見つかりませんでした。

3 故障原因分析

分解分析により、以下の結論を得ました：分離スイッチの閉鎖過程で、抵抗の端シールドAが最初にタンク内壁に放電しました。これにより、第4、第3、第2柱閉鎖抵抗に異常電流が流れました。その後、シールドBがAに放電し、第2と第3柱抵抗が短絡し、電流は主に第4柱に集中しました。この現象により、第4柱の抵抗チップの温度が急激に上昇し、最終的に爆発し、抵抗保護被覆が破裂して落下しました。放電過程で生成される高温アークにより、絶縁支持棒の表面が黒ずんだと考えられます。

タンク型遮断器は最大2100kVの雷衝撃電圧に耐えられます。分離スイッチの通常の閉鎖過程では、過電圧が発生する可能性がありますが、通常の運転条件下では、このレベルの過電圧は遮断器の放電機構をトリガーするには不十分です。しかし、深く分析と推測を行うと、タンク内部に異物が存在する可能性が疑われます。これらの異物は電界分布に悪影響を及ぼし、電界が歪み、SF₆ガスギャップが耐えられる絶縁強度を超える可能性があります。この場合、抵抗の端シールドAが最初にタンク内壁に放電する可能性があります。タンク内部の異物は微細な隙間に隠れている可能性があり、帯電時に分離スイッチが閉じると、電界力によって異物が強い電界の領域に移動し、電界の歪みを引き起こし、放電現象を引き起こす可能性があります。

4 結論

高度なスイッチギアが電力システムで広く使用されるようになると、タンク型遮断器やGIS装置の異物によるトリップ事故が頻繁に発生しています。このような故障を防止するためには、特に頻繁に動作する遮断器のライブライン検出作業を強化し、検出頻度を増やす必要があります。同時に、現場での受け入れ検査では、装置が200回の機械動作を完了していることを厳格に確認し、機構の馴染みを確保し、装置の運用後に金属屑が装置の動作に悪影響を与えないようにすることが必要です。