Analyse av strømavbrottsfeilen i SF6-bryteren i et 750 kV understation

Felix Spark

Felt: Feil og vedlikehold

China

På grunn av dets fremragende elektriske isolasjonsegenskaper og bueutslukningskapasitet, har svovelheksafluorid (SF₆) gass blitt bredt anvendt i høy- og ekstremhøyspenningselektriske systemer. Sammenlignet med tradisjonelle sirkuitbrytere er SF₆ sirkuitbrytere mer pålitelige og har en lengre levetid. Når brukstiden og belastningen øker, dukker imidlertid feilene ved SF₆ sirkuitbryterne gradvis opp, spesielt nedbrytningsfeil, som har blitt en skjult fare for sikker drift av kraftnettet. Nedbrytningsfeil skader ikke bare utstyr, men kan også føre til store strømbrudd og påvirke stabilitетен на энергосистеми. При возникновении неисправности, сопровождающейся дугами и высокими температурами, могут повредиться внутренние изоляционные материалы и металлические компоненты, а также может произойти пожар или взрыв. Поэтому изучение механизма отказа SF₆ выключателей, выявление корневых причин и предложение мер по предотвращению имеют большое значение для обеспечения безопасной работы энергосистемы.

For tiden har forskere hjemme og utlandet gjennomført omfattende forskning på feilmekanismer for SF₆ sirkuitbrytere, hovedsakelig fokusert på aspekter som elektrisk ytelsestesting, materialealdringanalyse og feltfordelingssimulering. På grunn av den komplekse interne strukturen til SF₆ sirkuitbryterne og involveringen av flere faktorer, har eksisterende forskning fortsatt begrensninger. Spesielt for nedbrytningsfeil under faktisk drift, pga. begrensninger i lokale forhold og vanskeligheter med å demontere utstyr, mangler det systematisk og omfattende forskning.

Derfor utfører denne artikkelen en omfattende analyse, inkludert undersøkelse av feil på stedet, demontasjeanalyse og elektrisk ytelsestesting, for en nedbrytningsfeil i en SF₆ sirkuitbryter i et bestemt transformatorstasjon. Målet er å fullstendig avdekke feilmekanismen og gi vitenskapelig grunnlag og teknisk støtte for designforbedring, drift og vedlikehold, samt feilforebygging av lignende utstyr i fremtiden.

(2) Deteksjon av SF₆ gassnedbrytningsprodukter, mikrovannsinhold og renhet

Det ble gjennomført test på stedet av SF₆ gassnedbrytningsprodukter, mikrovannsinhold og renheten i den defekte sirkuitbryteren. Testdataene er vist i tabell 1. I henhold til analysen av testresultatene var SF₆ gassnedbrytningsprodukter og mikrovannsinhold i buelokkammeret for fase C av den defekte sirkuitbryteren betydelig over standardgrensene angitt i "Kode for tilstandbaserte vedlikeholdsprover av energioverførings- og transformasjonsutstyr" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, mikrovann ≤ 300 μL/L) [5]. Imidlertid var testresultatene for gasskamrene til de andre sirkuitbryterne alle normale, uten noen unormaliteter. Basert på ovennevnte data, antas det foreløpig at det kan være en utslukningsfeil inni buelokkammeret for fase C av den defekte sirkuitbryteren.

Tabell 1 Testdata for SF₆ gassnedbrytningsprodukter, mikrovannsinhold og renhet

(3) Inspeksjon av hovedisoleresistansen til sirkuitbryteren
Under isoleresistanstesten for fase C av den defekte sirkuitbryteren, må standardoperasjonsprosedyrer følges, og det må sikres at sirkuitbryteren er i åpen krets. Under testingen kobles en busk til jord mens spenning legges på den andre siden. På denne måten blir isolasyonsegenskapene for hver port av sirkuitbryteren, samt mellom ledningskretsen og kabinettkassen, fullstendig vurdert.
Gjennom analysen av testdataene ble det funnet at isolasyonsegenskapene for fase C av sirkuitbryteren generelt var utilstrekkelige, spesielt isolasjonsproblemet ved skilleporten på Ⅱ-bussiden av sirkuitbryteren var spesielt fremtredende. Testdataene er vist i tabell 2.

Tabell 2 Isolasjonstestdata ved skilleporten på Ⅱ-bussiden av sirkuitbryteren

(4) Testing av kapasitans og dielektrisk tap av parallelle kondensatorer mellom skilleportene i sirkuitbryteren

Under lokaltestforhold, da det ikke var mulig å teste kapasitansen for hver skilleportkondensator individuelt, ble en sammenligningsmetode for kapasitansen og dielektriske tap av parallelle kondensatorer mellom skilleportene i ABC-fase sirkuitbryterne valgt. Under den spesifikke operasjonen, med sirkuitbryteren i åpen krets, ble metoder for interbusk (positiv kobling) og busk til jord (negativ kobling) brukt for å gjennomføre kapasitans- og dielektrisk-tapstester. Testdataene er vist i tabell 3.

Tabell 3 Kapasitans- og dielektrisk-tapstestdata for den defekte sirkuitbryteren

Gjennom en sammenlignende analyse av tabell 3, ble det funnet at kapasitansverdien fra den positive koblingen mellom busker var relativt nær den faktiske verdien. Men påvirket av streifkapasitansen inne i sirkuitbryteren, var det fortsatt en vis deviasjon mellom det målte og beregnede verdi. Likevel, basert på testresultatene for parallelle kapasitanser av skilleportene mellom ABC-faser, var forskjellen i kapasitans mellom de tre fasene relativt liten. Basert på dette, ble det foreløpig konkludert at tilstanden for parallelle kondensatorer for C-fases skilleport var normal.

(5) Inspeksjon inni sirkuitbrytertanken

På feilhåndteringstedet ble gassen for fase C av den defekte sirkuitbryteren profesjonelt gjenopprettet. Deretter ble endoskop brukt for å utføre en grundig inspeksjon inni tanken. Etter en detaljert inspeksjon ble det funnet at lukkingmotstand nær Ⅱ-bussiden hadde en nedbrytningsfeil. Svarte motstandsplintfragmenter var spredt på bunnen av tanken. I tillegg ble det også funnet at polytetrafluorethylen-hylsen til en av lukkingmotstandene var revet og falt ned til bunnen av tanken.

2.1.1 Inspeksjon av skillekontakt

Etter en detaljert lokalinspeksjon, ble tydelige forbrenningsmerker funnet på buefingerdelen av de bevegelige kontakter på begge sider av fase C av skillekontaktene på begge sider av den defekte sirkuitbryteren. Deretter, ved manuell operasjon av skillekontakten for fase C på stedet, var hele operasjonsprosessen glatt uten noen form for blokkering. I tillegg, under inspeksjonen, ble det observert at det ikke var noen sveiseltekniske fenomener mellom de bevegelige og statiske kontaktene. Etter at åpningoperasjonen var fullført, ble det utført en detaljert inspeksjon av statiske kontaktbasen og kontaktfingrene, og ingen alvorlige forbrenningsmerker ble funnet.

2.1.2 Inspeksjon av sekundæruutstyr

Den 18. juni 2022 kl. 12:31:50.758, ble fase C av den defekte sirkuitbryteren i 750kV-transformatorstasjonen jordet. Etter at feilen oppsto, fungerte både linjeoptisk differensialbeskyttelsen og busdifferensialbeskyttelsen for 750kV Bus-Ⅱ riktig. Gjennom en dypgående analyse av feilstrømmen og virkningen av busdifferensialbeskyttelsen og linjebeskyttelsen, ble det observert at 750kV Bus-Ⅱ forsynte feilstrøm til feilpunktet når skillekontakten var i lukket tilstand (under hvilken systemspenningen forble stabil uten overvoltage). Det er verdt å merke seg at CT₇ og CT₈ involvert i busdifferensialbeskyttelsen av den defekte sirkuitbryteren ikke oppdaget tilstedeværelsen av feilstrøm. Basert på denne observasjonen, ble det fastsatt at feilpunktet skulle være i området mellom sirkuitbryteren CT₇ og busen. Samtidig oppdaget CT₁ og CT₂ for linjebeskyttelsen tilstedeværelsen av feilstrøm, og verdiene for feilstrømmen nådde en primærstrøm på 4.5kA. Derfor ble det videre sluttede at feilpunktet var i området mellom CT₂ av den defekte sirkuitbryteren og skilleporten på Ⅱ-bussiden av sirkuitbryteren. Denne slutningen var konsistent med lokasjonen av feilpunktet funnet under den lokale interne inspeksjonen.

2.2 Demontasjeinspeksjon

Som vist i figur 2, under inspeksjonen av innsiden av tanken under demontasje av sirkuitbryteren, ble fragmenter av lukkingmotstand og dens beskyttelsesskrog observert spredt rundt. Noen motstandsplinter av fjerde kolonne lukkingmotstand, som var parallellkoblet med hovedskilleporten på maskinens side av sirkuitbryteren, hadde eksplodert, og de to tilhørende motstandsbegynnelsesskrogene hadde også brutt. Endeskjold A av motstanden viste spor av utslukningsablasjon på innsiden av tanken, og skjold B hadde også spor av utslukningsablasjon på A. I tillegg viste overflaten av isolerende støttestang svarte spor. Ved å sjekke monteringen, fabrikkprøvingen og installasjonen på stedet av sirkuitbryteren, og inspiser hovedisolerede deler, ble ingen unormaliteter funnet.

3 Feilårsaksanalyse

Gjennom demontasjeanalyse, ble følgende konklusjoner trukket: Under lukkingen av skillekontakten, utslukket først endeskjold A av motstanden til indre veggen av tanken. Dette førte til anormale strømmer i fjerde, tredje og andre kolonne lukkingmotstand. Deretter utslukket skjold B til A, som førte til kortslutning av andre og tredje kolonne motstand, og strømmen ble hovedsakelig koncentrert i fjerde kolonne. Dette fenomenet førte til en brå temperaturøkning av motstandsplinter i fjerde kolonne, som til slutt førte til en eksplosjon, og motstandsbegynnelsesskroget brøt og falt av. Under utslukningsprosessen, førte genereringen av høytemperaturbuer til at overflaten av isolerende støttestang ble svart.

Tanktype sirkuitbryter kan tåle en lynimpuls på opptil 2100kV. Under normal lukking av skillekontakten, kan overvoltage oppstå, men under normale driftsforskjeller, er dette nivået av overvoltage ikke nok til å utløse utslukningsmekanismen for sirkuitbryteren. Men gjennom en dypgående analyse og slutning, mistenkes det foreløpig at det kan være fremmedlegemer inne i tanken. Disse fremmedlegemer kan ha en negativ påvirkning på elektrisk feltfordeling, som fører til at feltet distorterer og overstiger isolasjonstyrken som SF₆ gasslukken kan tåle. I dette tilfellet, kan endeskjold A av motstanden først utslukke til indre veggen av tanken. Med tanke på at fremmedlegemer inne i tanken kan være skjult i uoppmerksomme småspisser, når skillekontakten lukkes med strøm, kan den overvoltage som dannes, under virkningen av elektrisk felt, flytte fremmedlegemer til områder med sterkt felt, dermed fører til feltforvrengning og utslukningsfenomener.

4 Konklusjon

Gitt den omfattende bruken av avansert switchgear i kraftsystemet, forekommer ofte hendelser som tripping av tanktype sirkuitbrytere og GIS-utstyr på grunn av fremmedlegemer. For å forhindre slike feil, er det nødvendig å styrke live-linjetilsyn, spesielt ved å øke frekvensen av tester for sirkuitbrytere som opererer ofte. Samtidig, under lokal akseptanse, skal det strengt sjekkes om utstyret har fullført 200 mekaniske operasjoner for å sikre innkjøring av mekanismen og unngå negative effekter av metalldebris på drift av utstyret etter kommisjonering.