Pagsusuri ng pagkasira ng SF6 circuit breaker sa isang 750 kV substation

Felix Spark

Larangan: Pagkakasira at Pagsasama-sama

China

Dahil sa kanyang mahusay na mga katangian ng elektrikal na insulasyon at kakayahang magsara ng arko, ang gas na sulfur hexafluoride (SF₆) ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng mataas na voltaje at extra-mataas na voltaje. Sa paghahambing sa mga tradisyonal na circuit breaker, mas maasahan at may mas mahabang serbisyo ang mga SF₆ circuit breaker. Gayunpaman, habang tumataas ang oras ng paggamit at load, unti-unting lumilitaw ang mga kapansanan ng mga SF₆ circuit breaker, lalo na ang mga breakdown fault, na naging isang panganib sa ligtas na operasyon ng grid ng kuryente. Ang mga breakdown fault hindi lamang sumisira sa mga aparato kundi maaari rin itong magresulta sa malaking pagkawala ng kuryente at mapektuhan ang estabilidad ng grid ng kuryente. Kapag nagkaroon ng kapansanan, kasama ang mga arko at mataas na temperatura, maaaring masira ang mga panloob na materyales ng insulasyon at metal components, at maging maaaring magsimula ng apoy at pagsabog. Kaya't napakahalaga ng pag-aaral sa mekanismo ng breakdown fault ng mga SF₆ circuit breaker, pagtuklas ng ugat ng problema, at pagpoproporsyon ng mga hakbang ng pangangalunan upang tiyakin ang ligtas na operasyon ng sistema ng kuryente.

Kasalukuyan, ang mga mananaliksik sa lokal at internasyonal ay naglunsad ng malawak na pag-aaral sa mga mekanismo ng kapansanan ng mga SF₆ circuit breaker, na pangunahing nakatuon sa mga aspeto tulad ng pagsusuri ng electrical performance, pagsusuri ng paglubha ng materyales, at simulasyon ng distribusyon ng electric field. Gayunpaman, dahil sa komplikadong panloob na istraktura ng mga SF₆ circuit breaker at ang kasangkot ng maraming factor, may limitasyon pa rin ang umiiral na mga pag-aaral. Lalo na para sa mga breakdown fault sa aktwal na operasyon, dahil sa limitasyon ng lokasyon at kahirapan sa pagbubuksan ng mga aparato, kulang ang sistemik at komprehensibong pag-aaral.

Kaya't ang papel na ito ay naglalayong gawin ang komprehensibong analisis, kasama ang pagsisiyasat ng kapansanan sa lokasyon, pagbubuksan at pagsusuri ng mga aparato, at pagsusuri ng electrical performance, para sa breakdown fault ng isang SF₆ circuit breaker sa isang partikular na substation. Ang layunin nito ay upang buong ipakita ang mekanismo ng kapansanan at ibigay ang siyentipikong pundasyon at teknikal na suporta para sa pag-iimprove ng disenyo, operasyon at pamamahala, at pangangalunan ng kapansanan ng mga katulad na aparato sa hinaharap.

(2) Pagmamasid ng mga Produkto ng Pagbabahagi ng Gas na SF₆, Micro-water Content, at Katuwiran

Isinagawa ang mga on-site test sa mga produkto ng pagbabahagi ng gas na SF₆, micro-water content, at katuwiran ng may kapansanan na circuit breaker. Ipinalalabas ang datos ng test sa Table 1. Ayon sa pagsusuri ng resulta ng test, ang mga produkto ng pagbabahagi ng gas na SF₆ at micro-water content sa chamber ng pagtatapos ng arko ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker ay lubhang lumampas sa standard limits na iniharap sa "Code for Condition-based Maintenance Tests of Power Transmission and Transformation Equipment" (SO₂ ≤ 1 μL/L, H₂S ≤ 1 μL/L, micro-water ≤ 300 μL/L) [5]. Sa kabaligtaran, ang resulta ng test ng mga gas chamber ng natitirang circuit breakers ay lahat normal, walang anomaliyang natuklasan. Batay sa nabanggit na datos, unti-unting itinuturing na maaaring may discharge fault sa loob ng chamber ng pagtatapos ng arko ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker.

Table 1 Test Data ng Mga Produkto ng Pagbabahagi ng Gas na SF₆, Micro-water Content, at Katuwiran

(3) Pagsusuri ng Pangunahing Insulation Resistance ng Circuit Breaker
Sa panahon ng insulation resistance test ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker, dapat sundin ang standard operating procedures, at siguraduhin na nasa open-circuit state ang circuit breaker. Sa panahon ng test, inilalagay ang isa sa mga bushing sa ground habang binibigyan ng voltage ang kabilang bahagi. Sa ganitong paraan, buong pinaghahawakan ang insulation performance ng bawat port ng circuit breaker, pati na rin ang pagitan ng conductive circuit at casing.
Sa pamamagitan ng pagsusuri ng datos ng test, natuklasan na ang insulation performance ng phase C ng circuit breaker ay pangkalahatan ay hindi sapat, lalo na ang problema sa insulation performance sa disconnection port sa Ⅱ-bus side ng circuit breaker ay napakatalino. Ipinalalabas ang datos ng test sa Table 2.

Table 2 Insulation Test Data sa Disconnection Port sa Ⅱ-bus Side ng Circuit Breaker

(4) Pagsubok ng Capacitance at Dielectric Loss ng Parallel Capacitors sa Pagitan ng Interrupting Ports ng Circuit Breaker

Sa ilalim ng kondisyon ng on-site testing, dahil hindi posible ang pagsusuri ng capacitance ng bawat interrupting port capacitor nang hiwalay, isinagawa ang paraan ng comparative testing para sa capacitance at dielectric loss ng parallel capacitors sa pagitan ng interrupting ports ng ABC-phase circuit breakers. Sa panahon ng spesipikong operasyon, nakaopen-circuit state ang circuit breaker, gamit ang mga paraan ng inter-bushing (positive connection) at bushing-to-ground (negative connection) upang magsagawa ng capacitance at dielectric loss tests. Ipinalalabas ang datos ng test sa Table 3.

Table 3 Capacitance at Dielectric Loss Test Data ng May Kapansanan na Circuit Breaker

Sa pamamagitan ng comparative analysis ng Table 3, natuklasan na ang capacitance value na nakuha sa positive-connection test sa pagitan ng mga bushing ay medyo malapit sa aktwal na halaga. Gayunpaman, dahil sa epekto ng stray capacitance sa loob ng circuit breaker, mayroon pa ring isang tiyak na pagkakaiba sa pagitan ng measured value at calculated value. Gayunpaman, batay sa resulta ng test ng parallel capacitances ng interrupting ports sa pagitan ng ABC phases, ang pagkakaiba sa capacitance sa tatlong phases ay medyo maliit. Batay dito, unti-unting itinuturing na normal ang estado ng parallel capacitor ng interrupting port ng C-phase.

(5) Pagsusuri sa Loob ng Tank ng Circuit Breaker

Sa lugar ng pag-aayos ng kapansanan, ang gas ng phase C ng may kapansanan na circuit breaker ay propesyonal na inirecover. Pagkatapos, isinagawa ang detalyadong pagsusuri sa loob ng tank gamit ang endoscope. Matapos ang detalyadong pagsusuri, natuklasan na ang closing resistance malapit sa Ⅱ-bus side ay may breakdown. Ang mga piraso ng black resistance chip ay nakalat sa ilalim ng tank. Bukod dito, natuklasan din na ang polytetrafluoroethylene sheath ng isa sa mga closing resistances ay may crack at bumagsak sa ilalim ng tank.

2.1.1 Pagsusuri ng Disconnect Switch

Matapos ang detalyadong on-site inspection, natuklasan ang malinaw na singsing ng sunog sa arcing finger parts ng mga moving contacts sa parehong bahagi ng phase C ng disconnect switches sa parehong bahagi ng may kapansanan na circuit breaker. Pagkatapos, sa pamamagitan ng manual na operasyon ng disconnect switch ng phase C on-site, ang buong proseso ng operasyon ay malinis at walang pagkakakulangan. Bukod dito, sa panahon ng pagsusuri, ito ay natuklasan na walang welding phenomenon sa pagitan ng moving at static contacts. Pagkatapos ng pagkakapagbukas, isinagawa ang detalyadong pagsusuri sa base ng static contact at sa contact fingers, at walang natuklasang seryosong singsing ng sunog.

2.1.2 Pagsusuri ng Secondary Equipment

Noong ika-18 ng Hunyo 2022, sa 12:31:50.758, ang phase C ng may kapansanan na circuit breaker sa 750kV substation ay grounded. Pagkatapos ng kapansanan, ang line fiber-optic differential protection at ang bus differential protection ng 750kV Bus-Ⅱ ay parehong tama ang operasyon. Sa pamamagitan ng malalim na pagsusuri ng fault current at operasyon ng bus differential protection at line protection, narinig na nasa closed state ang disconnect switch (sa panahon na ito, ang system voltage ay nanatiling stable at walang over-voltage), natuklasan na ang 750kV Bus-Ⅱ ay nagbigay ng fault current sa punto ng kapansanan. Mahalagang tandaan na ang CT₇ at CT₈ na kasangkot sa bus differential protection ng may kapansanan na circuit breaker ay hindi nakatuklas ng pagkakaroon ng fault current. Batay sa obserbasyon na ito, itinukoy na ang punto ng kapansanan ay dapat nasa lugar sa pagitan ng circuit breaker CT₇ at bus. Samantala, ang CT₁ at CT₂ para sa line protection ay nakatuklas ng pagkakaroon ng fault current, at ang halaga ng fault current ay umabot sa primary current ng 4.5kA. Kaya't higit na itinuturing na ang punto ng kapansanan ay nasa lugar sa pagitan ng CT₂ ng may kapansanan na circuit breaker at interrupting port sa Ⅱ-bus side ng circuit breaker. Ang inferensiya na ito ay tugma sa lokasyon ng punto ng kapansanan na natuklasan sa on-site internal inspection.

2.2 Dismantling Inspection

Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, sa panahon ng pagsusuri sa loob ng tank sa proseso ng pagbubuksan ng circuit breaker, natuklasan ang mga piraso ng closing resistance at ng kanyang protective sheath na nakalat sa paligid. Ang ilang resistance chips ng ika-apat na column closing resistance, na konektado sa parallel sa main interrupting port sa mechanism side ng circuit breaker, ay sumabog, at ang dalawang resistance protective sheaths ay sumira rin. Ang end shield A ng resistance ay may singsing ng discharge ablation sa inner wall ng tank, at ang shield B ay may singsing ng discharge ablation sa A. Bukod dito, ang surface ng insulating support rod ay may singsing ng sunog. Sa pamamagitan ng pagsusuri ng assembly, factory test, at on-site installation data ng circuit breaker, at pagsusuri ng pangunahing insulating parts, walang anomaliyang natuklasan.

3 Fault Cause Analysis

Sa pamamagitan ng pagbubuksan at pagsusuri, ang mga sumusunod ang natuklasan: Sa panahon ng proseso ng closing ng disconnect switch, ang end shield A ng resistance ay unang nag-discharge sa inner wall ng tank. Ito ay nagresulta sa abnormal na currents sa ika-apat, ikatlo, at ikalawang column closing resistances. Pagkatapos, ang shield B ay nag-discharge sa A, na nagresulta sa short-circuit ng ikalawa at ikatlong column resistances, at ang current ay pangunahing naka-concentrate sa ika-apat na column. Ang phenomenon na ito ay nagdulot ng mabilis na pagtaas ng temperatura ng resistance chips sa ika-apat na column, na nagresulta sa explosion, at ang resistance protective sheath ay sumira at bumagsak. Sa panahon ng proseso ng discharge, ang paglikha ng high-temperature arcs ay nagdulot ng singsing ng sunog sa surface ng insulating support rod.

Ang tank-type circuit breaker ay maaaring tanggapin ang lightning impulse voltage hanggang 2100kV. Sa normal na proseso ng closing ng disconnect switch, bagamat maaaring mangyari ang over-voltage, sa normal na kondisyon ng operasyon, ang lebel ng over-voltage na ito ay hindi sapat upang mapasok ang discharge mechanism ng circuit breaker. Gayunpaman, sa pamamagitan ng malalim na pagsusuri at inferensiya, itinuturing na maaaring may foreign objects sa loob ng tank. Ang mga foreign objects na ito maaaring magkaroon ng negatibong epekto sa electric field distribution, na nagdulot ng distorsyon ng electric field at lumampas sa insulation strength na kayang tanggapin ng SF₆ gas gap. Sa kasong ito, ang end shield A ng resistance maaaring unang mag-discharge sa inner wall ng tank. Tinuturing na ang mga foreign objects sa loob ng tank maaaring nakatago sa hindi napapansin na crevices, at kapag nasa closed state ang disconnect switch, ang over-voltage na ito ay maaaring, sa pamamagitan ng electric field force, ilipat ang mga foreign objects sa lugar na may mas malakas na electric field, na nagdulot ng distorsyon ng electric field at nagresulta sa pagkakaroon ng mga discharge phenomena.

4 Conclusion

Bilang tugon sa malawakang aplikasyon ng advanced switchgear sa sistema ng kuryente, ang mga aksidente tulad ng tripping ng tank-type circuit breakers at GIS equipment dahil sa mga foreign objects ay madalas na nangyayari. Upang maiwasan ang mga kapansanan na ito, kinakailangang palakasin ang live-line detection work, lalo na ang pagtaas ng frequency ng pagsusuri para sa mga circuit breakers na madalas gumana. Sa parehong oras, sa panahon ng on-site acceptance, dapat na mastrict na suriin kung ang mga aparato ay nakumpleto na ang 200 mechanical operations upang tiyakin ang running-in ng mechanism at iwasan ang negatibong epekto ng metal debris sa operasyon ng mga aparato pagkatapos ng commissioning.