Análise da falha de ruptura do disjuntor SF6 em uma subestação de 750 kV

Felix Spark

Campo: Falha e Manutenção

China

Devido às suas excelentes propriedades de isolamento elétrico e capacidade de extinção de arco, o gás hexafluoreto de enxofre (SF₆) tem sido amplamente utilizado em sistemas de energia de alta e extra-alta tensão. Comparados com os disjuntores tradicionais, os disjuntores SF₆ são mais confiáveis e têm uma vida útil mais longa. No entanto, à medida que o tempo de uso e a carga aumentam, surgem falhas nos disjuntores SF₆, especialmente as falhas de ruptura, que se tornaram um perigo oculto para a operação segura da rede elétrica. As falhas de ruptura não apenas danificam o equipamento, mas também podem levar a interrupções de energia em larga escala e afetar a estabilidade da rede. Quando ocorre uma falha, acompanhada por arcos e altas temperaturas, pode danificar os materiais internos de isolamento e componentes metálicos, e até mesmo desencadear incêndios e explosões. Portanto, estudar o mecanismo de falha de ruptura dos disjuntores SF₆, identificar as causas raiz e propor medidas preventivas é de grande importância para garantir a operação segura do sistema de energia.

Atualmente, acadêmicos no país e no exterior realizaram pesquisas extensivas sobre os mecanismos de falha dos disjuntores SF₆, focando principalmente em aspectos como testes de desempenho elétrico, análise de envelhecimento de materiais e simulação de distribuição de campo elétrico. No entanto, devido à estrutura interna complexa dos disjuntores SF₆ e à envolvência de múltiplos fatores, as pesquisas existentes ainda têm limitações. Especialmente para falhas de ruptura em operação real, devido às limitações das condições no local e à dificuldade de desmontagem do equipamento, falta uma pesquisa sistemática e abrangente.

Portanto, este artigo realiza uma análise abrangente, incluindo investigação de falhas no local, análise de desmontagem do equipamento e testes de desempenho elétrico, para a falha de ruptura de um disjuntor SF₆ em uma certa subestação. O objetivo é revelar de forma abrangente o mecanismo de falha e fornecer base científica e suporte técnico para a melhoria do design, operação e manutenção, e prevenção de falhas de equipamentos semelhantes no futuro.

(2) Detecção de Produtos de Decomposição do Gás SF₆, Conteúdo de Água Microscópica e Pureza

Testes no local foram realizados nos produtos de decomposição do gás SF₆, conteúdo de água microscópica e pureza do disjuntor com falha. Os dados do teste estão mostrados na Tabela 1. De acordo com a análise dos resultados, os produtos de decomposição do gás SF₆ e o conteúdo de água microscópica na câmara de extinção de arco da fase C do disjuntor com falha excederam significativamente os limites padrão especificados no "Código de Testes de Manutenção Baseada em Condição de Equipamentos de Transmissão e Distribuição de Energia" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, água microscópica ≤ 300 μL/L) [5]. Em contraste, os resultados dos testes das câmaras de gás dos demais disjuntores foram todos normais, sem anomalias detectadas. Com base nos dados acima, infere-se preliminarmente que pode haver uma falha de descarga dentro da câmara de extinção de arco da fase C do disjuntor com falha.

Tabela 1 Dados de Teste de Produtos de Decomposição do Gás SF₆, Conteúdo de Água Microscópica e Pureza

(3) Inspeção da Resistência Principal de Isolamento do Disjuntor
Durante o teste de resistência de isolamento da fase C do disjuntor com falha, procedimentos operacionais padrão devem ser seguidos, e deve ser garantido que o disjuntor esteja no estado de circuito aberto. Durante o teste, um terminal de isolação é aterrado enquanto a tensão é aplicada ao outro lado. Dessa forma, o desempenho de isolamento de cada porta do disjuntor, bem como entre o circuito condutor e a carcaça, é avaliado de forma abrangente.
Através da análise dos dados do teste, foi constatado que o desempenho de isolamento da fase C do disjuntor era geralmente insuficiente, especialmente o problema de desempenho de isolamento na porta de desconexão do lado do barramento Ⅱ do disjuntor era particularmente proeminente. Os dados do teste estão mostrados na Tabela 2.

Tabela 2 Dados de Teste de Isolamento na Porta de Desconexão do Lado do Barramento Ⅱ do Disjuntor

(4) Teste da Capacitância e Perda Dielétrica de Capacitores Paralelos entre as Portas de Interrupção do Disjuntor

Sob condições de teste no local, já que não foi possível testar a capacitância de cada capacitor de interrupção individualmente, adotou-se um método de teste comparativo para a capacitância e perda dielétrica de capacitores paralelos entre as portas de interrupção dos disjuntores de fases ABC. Durante a operação específica, com o disjuntor no estado de circuito aberto, métodos de teste de inter-terminal (conexão positiva) e terminal-a-terra (conexão negativa) foram usados para realizar testes de capacitância e perda dielétrica. Os dados do teste estão mostrados na Tabela 3.

Tabela 3 Dados de Teste de Capacitância e Perda Dielétrica do Disjuntor com Falha

Através de uma análise comparativa da Tabela 3, verificou-se que o valor de capacitância obtido pelo teste de conexão positiva entre terminais estava relativamente próximo ao valor real. No entanto, afetado pela capacitância parasita interna do disjuntor, ainda havia uma certa discrepância entre o valor medido e o calculado. No entanto, a partir dos resultados dos testes das capacitâncias paralelas das portas de interrupção entre as fases ABC, as diferenças de capacitância entre as três fases eram relativamente pequenas. Com base nisso, foi julgado preliminarmente que o estado do capacitor paralelo da porta de interrupção da fase C estava normal.

(5) Inspeção Interna do Tanque do Disjuntor

No local de tratamento da falha, o gás da fase C do disjuntor com falha foi profissionalmente recuperado. Subsequentemente, um endoscópio foi usado para realizar uma inspeção aprofundada no interior do tanque. Após uma inspeção detalhada, constatou-se que a resistência de fechamento perto do lado do barramento Ⅱ sofreu uma ruptura. Fragmentos de chips de resistência pretos estavam espalhados no fundo do tanque. Além disso, também foi constatado que a camada protetora de politetrafluoretileno de uma das resistências de fechamento havia rachado e caído no fundo do tanque.

2.1.1 Inspeção do Disjuntor de Conexão

Após uma inspeção detalhada no local, foram encontradas marcas óbvias de queimadura nas partes dos dedos de arco dos contatos móveis de ambos os lados da fase C dos disjuntores de conexão de ambos os lados do disjuntor com falha. Subsequentemente, operando manualmente o disjuntor de conexão da fase C no local, todo o processo de operação foi suave, sem qualquer travamento. Além disso, durante a inspeção, observou-se que não havia fenômeno de soldagem entre os contatos móveis e estáticos. Após a conclusão da operação de abertura, foi realizada uma inspeção detalhada da base do contato estático e dos dedos de contato, e não foram encontradas marcas de queimadura sérias.

2.1.2 Inspeção do Equipamento Secundário

Em 18 de junho de 2022, às 12:31:50.758, a fase C do disjuntor com falha na subestação de 750kV foi aterrada. Após a ocorrência da falha, a proteção diferencial de fibra ótica da linha e a proteção diferencial do barramento Ⅱ de 750kV funcionaram corretamente. Através de uma análise aprofundada da corrente de falha e da operação da proteção diferencial do barramento e da proteção da linha, quando o disjuntor de conexão estava no estado fechado (durante o qual a tensão do sistema permaneceu estável, sem sobretensão), observou-se que o barramento Ⅱ de 750kV forneceu corrente de falha ao ponto de falha. Vale notar que os CT₇ e CT₈ envolvidos na proteção diferencial do disjuntor com falha não detectaram a existência de corrente de falha. Com base nesta observação, determinou-se que o ponto de falha deveria estar na área entre o CT₇ do disjuntor e o barramento. Ao mesmo tempo, os CT₁ e CT₂ para a proteção da linha detectaram a existência de corrente de falha, e o valor da corrente de falha atingiu uma corrente primária de 4,5 kA. Portanto, inferiu-se ainda mais que o ponto de falha estava na área entre o CT₂ do disjuntor com falha e a porta de interrupção do lado do barramento Ⅱ do disjuntor. Esta inferência estava de acordo com a localização do ponto de falha encontrada na inspeção interna no local.

2.2 Inspeção de Desmontagem

Como mostrado na Figura 2, durante a inspeção do interior do tanque durante o processo de desmontagem do disjuntor, observaram-se fragmentos de resistência de fechamento e sua camada protetora espalhados ao redor. Alguns chips de resistência da quarta coluna de resistência de fechamento, conectada em paralelo com a porta principal de interrupção do lado do mecanismo do disjuntor, explodiram, e as duas camadas protetoras correspondentes também se romperam. O escudo A da resistência apresentou traços de ablação de descarga na parede interna do tanque, e o escudo B também apresentou traços de ablação de descarga no A. Além disso, a superfície do suporte de isolamento mostrou traços de escurecimento. Verificando a montagem, os testes de fábrica e os dados de instalação no local do disjuntor, e inspecionando as principais partes de isolamento, não foram encontradas anomalias.

3 Análise da Causa da Falha

Através da análise de desmontagem, chegou-se às seguintes conclusões: Durante o processo de fechamento do disjuntor de conexão, o escudo A da resistência descarregou primeiro para a parede interna do tanque. Isso levou a correntes anormais nas resistências de fechamento da quarta, terceira e segunda colunas. Subsequentemente, o escudo B descarregou para o A, causando o curto-circuito das resistências da segunda e terceira colunas, e a corrente ficou concentrada principalmente na quarta coluna. Este fenômeno causou um aumento repentino da temperatura dos chips de resistência na quarta coluna, eventualmente levando à explosão, e a camada protetora da resistência se rompeu e caiu. Durante o processo de descarga, a geração de arcos de alta temperatura causou o escurecimento da superfície do suporte de isolamento.

O disjuntor de tanque pode suportar uma tensão de impulso de relâmpago de até 2100 kV. Durante o processo de fechamento normal do disjuntor de conexão, embora possa ocorrer sobretensão, sob condições de operação normais, esse nível de sobretensão não é suficiente para acionar o mecanismo de descarga do disjuntor. No entanto, através de uma análise aprofundada e inferência, suspeita-se preliminarmente que possa haver objetos estranhos no interior do tanque. Esses objetos estranhos podem ter um impacto adverso na distribuição do campo elétrico, causando distorção do campo e superando a força de isolamento que a lacuna de gás SF₆ pode suportar. Nesse caso, o escudo A da resistência pode descarregar primeiro para a parede interna do tanque. Considerando que os objetos estranhos no interior do tanque podem estar escondidos em fendas imperceptíveis, quando o disjuntor de conexão é fechado com alimentação, a sobretensão gerada, sob a ação da força do campo elétrico, pode mover os objetos estranhos para áreas com um campo elétrico mais forte, causando distorção do campo e levando à ocorrência de fenômenos de descarga.

4 Conclusão

Dada a aplicação extensa de equipamentos de comutação avançados no sistema de energia, acidentes como disparos de disjuntores de tanque e equipamentos GIS devido a objetos estranhos ocorrem frequentemente. Para prevenir tais falhas, é necessário reforçar o trabalho de detecção em linha, especialmente aumentando a frequência de detecção para disjuntores que operam frequentemente. Ao mesmo tempo, durante a aceitação no local, deve-se verificar rigorosamente se o equipamento completou 200 operações mecânicas para garantir o rodizio do mecanismo e evitar os efeitos adversos de partículas metálicas na operação do equipamento após a comissionamento.