Analiza awarii wyłącznika SF6 w podstacji 750 kV

Felix Spark

Pole: Awaria i konserwacja

China

Ze względu na doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i zdolność do gaszenia łuków, gaz sześciufluorowęglan siarki (SF₆) jest szeroko stosowany w systemach elektroenergetycznych o wysokim i bardzo wysokim napięciu. W porównaniu z tradycyjnymi przekaźnikami, przekaźniki SF₆ są bardziej niezawodne i mają dłuższy okres użytkowania. Jednakże, w miarę upływu czasu i wzrostu obciążenia, ujawniają się awarie przekaźników SF₆, zwłaszcza awarie spowodowane przebiciem, które stały się zagrożeniem dla bezpiecznej pracy sieci elektroenergetycznej. Awarie spowodowane przebiciem nie tylko uszkadzają urządzenia, ale mogą również prowadzić do masowych wyłączeń prądu i wpływać na stabilność sieci. Gdy wystąpi awaria, towarzyszą jej łuki i wysokie temperatury, co może uszkodzić materiał izolacyjny i elementy metalowe wewnątrz, a nawet wywołać pożary i eksplozje. Dlatego badanie mechanizmu awarii spowodowanych przebiciem w przekaźnikach SF₆, identyfikacja podstawowych przyczyn oraz proponowanie środków zapobiegawczych ma duże znaczenie dla zapewnienia bezpiecznej pracy systemu elektroenergetycznego.

Obecnie naukowcy w kraju i za granicą przeprowadzili szerokie badania nad mechanizmami awarii przekaźników SF₆, koncentrując się głównie na aspektach takich jak testy wydajności elektrycznej, analiza starzenia materiałów i symulacje rozkładu pola elektrycznego. Jednak ze względu na skomplikowaną wewnętrzną strukturę przekaźników SF₆ i udział wielu czynników, istniejące badania nadal mają ograniczenia. Szczególnie dla awarii spowodowanych przebiciem podczas rzeczywistej eksploatacji, ze względu na ograniczenia warunków terenowych i trudności związane z rozmontowywaniem sprzętu, brakuje systematycznych i kompleksowych badań.

Dlatego niniejszy artykuł przeprowadza kompleksową analizę, obejmującą badania terenowe, analizę rozmontowania sprzętu i testy wydajności elektrycznej, dla awarii spowodowanej przebiciem przekaźnika SF₆ w pewnej stacji transformatorowej. Celem jest kompleksowe ujawnienie mechanizmu awarii i dostarczenie naukowego uzasadnienia oraz wsparcia technicznego dla poprawy projektu, eksploatacji, utrzymania i zapobiegania awariom podobnego sprzętu w przyszłości.

(2) Badanie produktów rozkładu gazu SF₆, zawartości mikrowody i czystości

Przeprowadzono badania terenowe dotyczące produktów rozkładu gazu SF₆, zawartości mikrowody i czystości wadliwego przekaźnika. Dane testowe przedstawiono w Tabeli 1. Na podstawie analizy wyników testów, produkty rozkładu gazu SF₆ i zawartość mikrowody w komorze gaszenia łuku fazy C wadliwego przekaźnika znacznie przekroczyły normy określone w „Normie dla testów utrzymanych w stanie kondycji sprzętu elektroenergetycznego” (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, mikrowoda ≤ 300 μL/L) [5]. Z kolei wyniki testów komór gazowych pozostałych przekaźników były normalne, nie wykryto żadnych anomalii. Na podstawie powyższych danych można wstępnie wnioskować, że wewnątrz komory gaszenia łuku fazy C wadliwego przekaźnika może występować awaria spowodowana przebiciem.

Tabela 1. Dane testowe produktów rozkładu gazu SF₆, zawartości mikrowody i czystości

(3) Badanie głównego oporu izolacyjnego przekaźnika
Podczas testu oporu izolacyjnego fazy C wadliwego przekaźnika należy przestrzegać standardowych procedur operacyjnych i upewnić się, że przekaźnik jest w stanie otwartym. Podczas testu jedna z kolpaczek jest zazemiona, a napięcie zastosowane do drugiej. W ten sposób dokonuje się kompleksowej oceny wydajności izolacyjnej każdego portu przekaźnika, a także między obwodem przewodzącym a obudową.
Na podstawie analizy danych testowych stwierdzono, że ogólna wydajność izolacyjna fazy C przekaźnika była niewystarczająca, szczególnie problem wydajności izolacyjnej w punkcie rozłączania po stronie szyny Ⅱ był szczególnie widoczny. Dane testowe przedstawiono w Tabeli 2.

Tabela 2. Dane testowe oporu izolacyjnego w punkcie rozłączania po stronie szyny Ⅱ przekaźnika

(4) Testowanie pojemności i strat dielektrycznych kondensatorów równoległych między portami rozłączania przekaźnika

W warunkach testów terenowych, ponieważ nie było możliwe przeprowadzenie indywidualnych pomiarów pojemności każdego kondensatora portu rozłączania, zastosowano metodę porównawczą do testowania pojemności i strat dielektrycznych kondensatorów równoległych między portami rozłączania przekaźników faz ABC. W trakcie konkretnych działań, z przekaźnikiem w stanie otwartym, użyto metod testowania między kolpaczkiem (połączenie dodatnie) i kolpaczek - ziemia (połączenie ujemne) do przeprowadzenia testów pojemności i strat dielektrycznych. Dane testowe przedstawiono w Tabeli 3.

Tabela 3. Dane testowe pojemności i strat dielektrycznych wadliwego przekaźnika

Poprzez porównawczą analizę Tabeli 3 stwierdzono, że wartość pojemności uzyskana z testu połączenia dodatniego między kolpaczkiem była stosunkowo zbliżona do rzeczywistej wartości. Jednakże, ze względu na wpływ pojemności pobocznej wewnątrz przekaźnika, nadal istniała pewna odchylenia między pomiarem a obliczeniami. Niemniej jednak, na podstawie wyników testów pojemności równoległej portów rozłączania faz ABC, różnice w pojemności między trzema fazami były stosunkowo małe. Na tej podstawie wstępnie oceniono, że stan kondensatora równoległego portu rozłączania fazy C był normalny.

(5) Badanie wnętrza zbiornika przekaźnika

Na miejscu eliminacji awarii gaz fazy C wadliwego przekaźnika został profesjonalnie odzyskany. Następnie użyto endoskopu do szczegółowego badania wnętrza zbiornika. Po szczegółowym badaniu stwierdzono, że opór zamykający blisko strony szyny Ⅱ miał przebicie. Czarne fragmenty chipów oporu były rozrzucone na dnie zbiornika. Ponadto stwierdzono, że osłona z politetrafluoretylenu jednego z oporów zamykających pękła i spadła na dno zbiornika.

2.1.1 Badanie przełącznika rozłączającego

Po szczegółowym badaniu terenowym stwierdzono wyraźne ślady spalenia na częściach palców łuku przesuwających się kontaktów obu stron fazy C przełączników rozłączających po obu stronach wadliwego przekaźnika. Następnie, przez ręczne operowanie przełącznikiem rozłączającym fazy C na miejscu, cały proces operacji przebiegał gładko, bez żadnych zakłóceń. Ponadto podczas inspekcji stwierdzono, że nie było zjawiska spawania między przesuwającymi się i nieruchomymi kontaktami. Po zakończeniu operacji otwarcia przeprowadzono szczegółowe badanie podstawy nieruchomego kontaktu i palców kontaktowych, nie wykryto poważnych śladów spalenia.

2.1.2 Badanie sprzętu wtórnego

O godzinie 12:31:50.758 dnia 18 czerwca 2022 roku, faza C wadliwego przekaźnika w stacji transformatorowej 750kV została zazemiona. Po wystąpieniu awarii, ochrona różnicowa linii światłowodowej i ochrona różnicowa szyny 750kV Bus - Ⅱ działały poprawnie. Poprzez szczegółową analizę prądu awaryjnego i działania ochrony różnicowej szyny oraz ochrony linii, gdy przełącznik rozłączający był w stanie zamkniętym (podczas którego napięcie systemu pozostało stabilne bez przepięcia), zaobserwowano, że 750kV Bus - Ⅱ dostarczał prąd awaryjny do miejsca awarii. Warto zauważyć, że CT₇ i CT₈ biorące udział w ochronie różnicowej szyny wadliwego przekaźnika nie wykryły obecności prądu awaryjnego. Na podstawie tego spostrzeżenia ustalono, że miejsce awarii powinno być w obszarze między przekaźnikiem CT₇ a szyną. Ponadto, CT₁ i CT₂ dla ochrony linii wykryły obecność prądu awaryjnego, a wartość prądu awaryjnego osiągnęła wartość pierwotną 4,5kA. Dlatego dalej wnioskowano, że miejsce awarii było w obszarze między CT₂ wadliwego przekaźnika a portem rozłączania po stronie szyny Ⅱ przekaźnika. Ten wniosek był zgodny z lokalizacją miejsca awarii znalezionej podczas szczegółowego badania wewnętrznego na miejscu.

2.2 Rozmontowanie i badanie

Jak pokazano na Rysunku 2, podczas badania wnętrza zbiornika podczas procesu demontażu przekaźnika, zaobserwowano rozrzucone fragmenty oporu zamykającego i jego osłony. Niektóre chipy oporu czwartego kolumny, połączone równolegle z głównym portem rozłączania po stronie mechanizmu przekaźnika, eksplodowały, a odpowiadające dwie osłony oporów również pękły. Tarcza końcowa A oporu pokazała ślady ablacji wyładowania na ścianie wewnętrznej zbiornika, a tarcza B również miała ślady ablacji wyładowania na A. Ponadto, powierzchnia izolującego wspornika pokazała czarne ślady. Sprawdzając dane montażowe, fabryczne testy i dane instalacji na miejscu przekaźnika, oraz badając główne części izolujące, nie wykryto żadnych anomalii.

3 Analiza przyczyn awarii

Poprzez analizę demontażu wyciągnięto następujące wnioski: W trakcie procesu zamykania przełącznika rozłączającego, tarcza końcowa A oporu najpierw wyładowała się do ściany wewnętrznej zbiornika. To spowodowało nietypowe prądy w czwartym, trzecim i drugim kolumnie oporów zamykających. Następnie, tarcza B wyładowała się do A, powodując zwarcie oporów drugiej i trzeciej kolumny, a prąd był koncentrowany głównie w czwartej kolumnie. To zjawisko spowodowało gwałtowny wzrost temperatury chipów oporu w czwartej kolumnie, co ostatecznie doprowadziło do eksplozji, a osłona oporu pękła i odpadła. W trakcie procesu wyładowania, generowanie wysokotemperaturowych łuków spowodowało, że powierzchnia izolującego wspornika stała się czarna.

Zbiornikowy przekaźnik może wytrzymać impulsowe napięcie błyskawiczne do 2100kV. W trakcie normalnego procesu zamykania przełącznika rozłączającego, mimo że może wystąpić przepięcie, w normalnych warunkach pracy, ten poziom przepięcia nie jest wystarczający, aby wywołać mechanizm wyładowania przekaźnika. Jednak poprzez szczegółową analizę i wnioskowanie, wstępnie podejrzewa się, że wewnątrz zbiornika mogą znajdować się obce ciała. Te obce ciała mogą mieć negatywny wpływ na rozkład pola elektrycznego, powodując jego zniekształcenie i przekroczenie mocności izolacyjnej, którą może znieść luka gazowa SF₆. W takim przypadku, tarcza końcowa A oporu może najpierw wyładować się do ściany wewnętrznej zbiornika. Biorąc pod uwagę, że obce ciała wewnątrz zbiornika mogą być ukryte w niewidocznych szczelinach, gdy przełącznik rozłączający jest zamykany pod napięciem, wytworzone przepięcie może, pod wpływem siły pola elektrycznego, przemieścić obce ciała do obszarów o silniejszym polu elektrycznym, co prowadzi do zniekształcenia pola elektrycznego i powstania zjawisk wyładowania.

4 Wniosek

Biorąc pod uwagę szerokie zastosowanie zaawansowanych urządzeń przełączających w systemie elektroenergetycznym, awarie takie jak wyprężenie zbiornikowych przekaźników i sprzętu GIS spowodowane obcymi ciałami występują często. Aby zapobiec takim awariom, konieczne jest wzmocnienie prac kontrolnych pod napięciem, szczególnie zwiększenie częstotliwości kontroli przekaźników, które działają często. W tym samym czasie, podczas przyjęcia na miejscu, należy rygorystycznie sprawdzić, czy sprzęt ukończył 200 mechanicznych cykli pracy, aby zapewnić wdrożenie mechanizmu i uniknąć negatywnych skutków metalowych odłamków na działanie sprzętu po uruchomieniu.