Analyse van de storing van de SF6 schakelaar in een 750 kV onderstation

Felix Spark

Veld: Storing en Onderhoud

China

Vanwege de uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen en boogdoofcapaciteit wordt zeshexafluoride (SF₆) gas wijdverspreid gebruikt in hoogspannings- en extra-hoogspanningselectriciteitsystemen. In vergelijking met traditionele schakelaars zijn SF₆-schakelaars betrouwbaarder en hebben ze een langere levensduur. Echter, naarmate de gebruikstijd en belasting toenemen, komen de fouten van SF₆-schakelaars geleidelijk aan het licht, vooral de doorbraakfouten, die een gevaar vormen voor de veilige werking van het elektriciteitsnet. Doorbraakfouten beschadigen niet alleen apparatuur, maar kunnen ook leiden tot grote stroomuitvallen en de stabiliteit van het elektriciteitsnet beïnvloeden. Wanneer er een fout optreedt, vergezeld van bogen en hoge temperaturen, kan dit de interne isolatiematerialen en metalen componenten beschadigen en zelfs branden en explosies veroorzaken. Daarom is het bestuderen van de doorbraakfoutmechanismen van SF₆-schakelaars, het identificeren van de oorzaken en het voorstellen van preventieve maatregelen van groot belang om de veilige werking van het elektriciteitsysteem te waarborgen.

Momenteel hebben binnen- en buitenlandse wetenschappers uitgebreid onderzoek gedaan naar de foutmechanismen van SF₆-schakelaars, voornamelijk gericht op aspecten zoals elektrische prestatietests, materiaalverouderingsanalyse en elektrisch veldverdelingssimulatie. Echter, vanwege de complexe interne structuur van SF₆-schakelaars en de betrokkenheid van meerdere factoren, hebben bestaande studies nog steeds beperkingen. Vooral voor doorbraakfouten in de echte werking, vanwege de beperkingen van de ter plaatse condities en de moeilijkheden bij het demonteren van apparatuur, ontbreekt het aan systematisch en grondig onderzoek.

Daarom voert dit artikel een grondige analyse uit, inclusief ter plaatse foutonderzoek, apparatuurdemonteringsanalyse en elektrische prestatietests, voor de doorbraakfout van een SF₆-schakelaar in een bepaald substation. Het doel is om de foutmechanismen volledig bloot te leggen en een wetenschappelijke basis en technische ondersteuning te bieden voor de toekomstige ontwerpbeteringen, bedrijfsvoering en -onderhoud, en foutpreventie van soortgelijke apparatuur.

(2) Detectie van SF₆-gasafbraakproducten, micro-waterinhoud en zuiverheid

Ter plaatse tests werden uitgevoerd op de SF₆-gasafbraakproducten, micro-waterinhoud en zuiverheid van de defecte schakelaar. De testgegevens staan weergegeven in Tabel 1. Volgens de analyse van de testresultaten overschreden de SF₆-gasafbraakproducten en micro-waterinhoud in de boogdoofkamer van fase C van de defecte schakelaar aanzienlijk de normlimieten zoals opgegeven in de "Code voor conditie-gebaseerde onderhoudstests van elektriciteitsopwekking en -overdrachtapparatuur" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, micro-water ≤ 300 μL/L) [5]. Daarentegen waren de testresultaten van de gascellen van de overige schakelaars allemaal normaal, zonder afwijkingen. Op basis van de bovenstaande gegevens wordt voorlopig afgeleid dat er mogelijk een ontladingfout aanwezig is in de boogdoofkamer van fase C van de defecte schakelaar.

Tabel 1 Testgegevens van SF₆-gasafbraakproducten, micro-waterinhoud en zuiverheid

(3) Inspectie van de hoofdisolatieweerstand van de schakelaar
Tijdens de isolatieweerstandstest van fase C van de defecte schakelaar moeten standaardwerkprocedures worden gevolgd, en moet worden verzekerd dat de schakelaar in de openstaande staat is. Tijdens de test wordt één zijde bushing aangesloten op de aarde, terwijl spanning wordt toegepast op de andere kant. Op deze manier wordt de isolatieprestatie van elk poortje van de schakelaar, evenals tussen de geleidende circuit en de behuizing, volledig geëvalueerd.
Door de analyse van de testgegevens bleek dat de isolatieprestatie van fase C van de schakelaar in het algemeen ontoereikend was, vooral het isolatieprobleem bij het afscheidingpoortje aan de Ⅱ-buskant van de schakelaar was bijzonder prominent. De testgegevens staan weergegeven in Tabel 2.

Tabel 2 Isolatietestgegevens bij het afscheidingpoortje aan de Ⅱ-buskant van de schakelaar

(4) Testen van de capaciteit en dielectric loss van parallelle condensators tussen de afscheidingpoortjes van de schakelaar

Onder ter plaatse testcondities, omdat het niet mogelijk was om de capaciteit van elke individuele afscheidingpoortcondensator te testen, werd een vergelijkend testmethod voor de capaciteit en dielectric loss van parallelle condensators tussen de afscheidingpoortjes van de ABC-fase schakelaars aangenomen. Tijdens de specifieke operatie, met de schakelaar in de openstaande staat, werden testmethoden van inter-bushing (positieve verbinding) en bushing-naar-aarde (negatieve verbinding) gebruikt om capaciteit en dielectric loss tests uit te voeren. De testgegevens staan weergegeven in Tabel 3.

Tabel 3 Capaciteit en dielectric loss testgegevens van de defecte schakelaar

Door een vergelijkende analyse van Tabel 3 bleek dat de capaciteitwaarde verkregen door de positieve verbinding test tussen bushings relatief dicht bij de werkelijke waarde lag. Echter, beïnvloed door de parasitaire capaciteit binnen de schakelaar, was er nog steeds een bepaalde afwijking tussen de gemeten waarde en de berekende waarde. Desalniettemin, op basis van de testresultaten van de parallelle capaciteiten van de afscheidingpoortjes onder de ABC-fases, waren de verschillen in capaciteit tussen de drie fasen relatief klein. Op basis hiervan werd voorlopig geoordeeld dat de staat van de parallelle condensator van het C-fase afscheidingpoortje normaal was.

(5) Inspectie binnen de tank van de schakelaar

Op de foutafhandelingsplaats werd het gas van fase C van de defecte schakelaar professioneel gerecupereerd. Vervolgens werd een endoscoop gebruikt om een grondige inspectie binnen de tank uit te voeren. Na een gedetailleerde inspectie bleek dat de sluitweerstand nabij de Ⅱ-buskant een doorbraak had. Zwart weerstandschipfragmenten waren verspreid over de bodem van de tank. Bovendien werd ook vastgesteld dat de polytetrafluoretheen mantel van een van de sluitweerstanden was gesprongen en op de bodem van de tank terecht was gekomen.

2.1.1 Inspectie van de afscheider

Na een gedetailleerde ter plaatse inspectie werden duidelijke brandsporen gevonden op de boogvingeronderdelen van de bewegende contacten aan beide zijden van fase C van de afscheiders aan beide zijden van de defecte schakelaar. Vervolgens, door de afscheider van fase C ter plaatse handmatig te bedienen, verliep het hele operatieproces soepel zonder enige hinder. Bovendien werd tijdens de inspectie waargenomen dat er geen lasverschijnselen tussen de bewegende en statische contacten waren. Na het voltooien van de openingsoperatie werd een gedetailleerde inspectie van de statische contactbasis en de contactvingers verder uitgevoerd, en werden geen ernstige brandsporen gevonden.

2.1.2 Inspectie van secundaire apparatuur

Op 18 juni 2022 om 12:31:50.758 werd fase C van de defecte schakelaar in het 750kV-substation aangesloten op de aarde. Na het optreden van de fout werkten zowel de lijnvezeldifferentiële bescherming als de busdifferentiële bescherming van 750kV Bus-Ⅱ correct. Door een grondige analyse van de foutstroom en de werking van de busdifferentiële bescherming en de lijnbescherming, toen de afscheider in de gesloten staat was (tijdens welke de systeemspanning stabiel bleef zonder overspanning), werd waargenomen dat 750kV Bus-Ⅱ de foutstroom leverde naar het foutpunt. Het is de moeite waard op te merken dat CT₇ en CT₈ die betrokken waren bij de busdifferentiële bescherming van de defecte schakelaar de aanwezigheid van de foutstroom niet detecteerden. Op basis van deze observatie werd bepaald dat het foutpunt zich in het gebied tussen de schakelaar CT₇ en de bus bevond. Tegelijkertijd detecteerden CT₁ en CT₂ voor de lijnbescherming de aanwezigheid van de foutstroom, en de waarde van de foutstroom bereikte een primaire stroom van 4,5 kA. Dus werd verder geconcludeerd dat het foutpunt zich in het gebied tussen CT₂ van de defecte schakelaar en het afscheidingpoortje aan de Ⅱ-buskant van de schakelaar bevond. Deze conclusie was consistent met de locatie van het foutpunt gevonden tijdens de ter plaatse interne inspectie.

2.2 Demontage-inspectie

Zoals weergegeven in Figuur 2, tijdens de inspectie van de binnenkant van de tank tijdens het demontageproces van de schakelaar, werden fragmenten van de sluitweerstand en de beschermende mantel verspreid rondom waargenomen. Sommige weerstandsflinters van de vierde kolom sluitweerstand, die parallel was verbonden met de hoofdafschakeling aan de mechanismezijde van de schakelaar, waren ontploft, en de bijbehorende twee weerstandsbeschermende mantels waren ook gesprongen. A-endshield van de weerstand vertoonde sporen van ontladingabrasie op de binnenwand van de tank, en B-shield had ook sporen van ontladingabrasie op A. Bovendien vertoonde de oppervlakte van de isolerende steunstaaf verbrande sporen. Door de assemblage, fabriekstests en ter plaatse installatiegegevens van de schakelaar te controleren, en de hoofdisolerende delen te inspecteren, werden geen afwijkingen gevonden.

3 Foutoorzaakanalyse

Door de demontageanalyse werden de volgende conclusies getrokken: Tijdens het sluitenproces van de afscheider ontladde A-endshield van de weerstand eerst naar de binnenwand van de tank. Dit leidde tot abnormale stromen in de vierde, derde en tweede kolom sluitweerstanden. Vervolgens ontladde B-shield naar A, waardoor de tweede en derde kolom weerstanden kortgesloten raakten, en de stroom concentreerde zich voornamelijk in de vierde kolom. Dit fenomeen zorgde ervoor dat de temperatuur van de weerstandsflinters in de vierde kolom sterk steeg, uiteindelijk leidend tot ontploffing, en de weerstandsbeschermende mantel barstte en afviel. Tijdens het ontladingsproces veroorzaakte de vorming van hoge temperatuur bogen dat de oppervlakte van de isolerende steunstaaf verbrandde.

De tanktype schakelaar kan een bliksemimpulsspanning van maximaal 2100 kV weerstaan. Tijdens het normale sluitenproces van de afscheider, hoewel er overspanning kan optreden, is onder normale werkomstandigheden dit niveau van overspanning niet voldoende om het ontladingsmechanisme van de schakelaar te activeren. Echter, door diepgaande analyse en conclusies, wordt voorlopig vermoed dat er mogelijk vreemde objecten binnen de tank aanwezig zijn. Deze vreemde objecten kunnen een nadelig effect hebben op de elektrisch veldverdeling, wat leidt tot vervorming van het elektrisch veld en het overschrijden van de isolatiesterkte die de SF₆-gasopening kan weerstaan. In dit geval kan A-endshield van de weerstand eerst ontladen naar de binnenwand van de tank. Gezien de vreemde objecten binnen de tank mogelijk verborgen zijn in onzichtbare spleten, wanneer de afscheider met stroom wordt gesloten, kan de overspanning die ontstaat, onder de invloed van de elektrische kracht, de vreemde objecten verplaatsen naar gebieden met een sterker elektrisch veld, waardoor elektrisch veldvervorming en ontladingsverschijnselen optreden.

4 Conclusie

Gezien de uitgebreide toepassing van geavanceerde schakelapparatuur in het elektriciteitsysteem, komen ongelukken zoals het uitschakelen van tanktype schakelaars en GIS-apparatuur vanwege vreemde objecten frequent voor. Om dergelijke fouten te voorkomen, is het nodig om de live-detectiewerkzaamheden te versterken, vooral door de detectiefrequentie voor schakelaars die vaak werken, te verhogen. Tegelijkertijd, tijdens de ter plaatse acceptatie, moet strikt worden gecontroleerd of de apparatuur 200 mechanische operaties heeft voltooid om de ingrijping van het mechanisme te waarborgen en de negatieve effecten van metaaldeeltjes op de werking van de apparatuur na de inbedrijfstelling te voorkomen.