Analyse der Ursachen von Isolierdefekten in SF6-Schaltgeräten im geöffneten Zustand

Die GIS (Gasgefüllte Schaltanlage) verwendet SF₆-Gas als Isolier- und Bögenlöschmedium. Sie bietet mehrere Vorteile, wie z.B. einen geringen Platzbedarf, hohe Zuverlässigkeit, ausgezeichnete Sicherheit und einfache Wartung. Der SF₆-Schalter, der ein wesentlicher Bestandteil der GIS-Ausrüstung ist, nimmt in Spannungsebenen von 110 kV und höher eine dominante Position ein.

Dieser Artikel beschreibt einen Fehler, der während des Energieerzeugungs- und Synchronisierungsprozesses von Block 1 in einem bestimmten Kraftwerk auftrat. Genauer gesagt trat eine Isolierstoffbruchstelle in Phase C auf, während der 220-kV-SF₆-Schalter 2201 auf der Hochspannungsseite des Haupttransformators im geöffneten Zustand war. Als Folge dessen wurden die Schutzvorrichtungen für den Schalterausfall und der negative Sequenzstromschutz aktiviert, was zum Scheitern des Startvorgangs und der Netzanschlussversuche des Blocks führte.

1 Ablauf des Vorfalls und Handlungsablauf

Während des Energieerzeugungsstartvorgangs von Block 1 und dem anschließenden Synchronisierungsprozess meldete das Überwachungssystem die Aktivierung des Schutzes gegen Schalterausfälle, die Auslösung des negativen Sequenzstromschutzes, das Auslösen des elektrischen Schutzes und die Unterpannungsmeldungen der 220-kV-Leitung Jia und Leitung Yi. Es gab keine weiteren Schutzalarme für den Block.

Block 1 führte den Herunterfahrensprozess durch. Der 220-kV-Schalter 2211 der Leitung Jia und Leitung Yi schaltete ab, und auch der Schalter des Hilfstransformators (2200 Jia) schaltete ab, während das automatische Umschaltgerät der Hilfsenergieversorgung aktiviert wurde. Nach Abstimmung mit den Netzbetreibern und -steuerern wurde festgestellt, dass es keine Störungen in der 220-kV-Leitung Jia und Leitung Yi gab. Anfänglich wurde vermutet, dass der Hauptschalter 2201 defekt war.

Beim Öffnen des 2201-Schalters zur Inspektion wurde eine große Menge an Staub und anderen Anhaftungen an der Bruchstelle des Bögenlöschraums der Phase C des 2201-Schalters gefunden, die sich im Gasraum verteilt hatten. Es waren keine offensichtlichen Kurzschlusspunkte an der Oberfläche des Schalters sichtbar, und es wurde kein Erdschluss des Schalters festgestellt. Anfänglich wurde analysiert und geschlussfolgert, dass die Isolation zwischen den Trennstellen der Phase C des 2201-Schalters durchgeschlagen war.

Um die sichere und stabile Betriebsweise des Blocks zu gewährleisten und eine Unfallanalyse durchzuführen, wurden alle drei Phasen des 2201-Schalters einheitlich ausgetauscht. Die relevanten elektrischen Präventivtests sowie die manuellen Start-, Nullspannungs- und Netzanschlussversuche des Blocks wurden durchgeführt.

2 Analyse der Schutzaktion

Durch die Prüfung des Fehleroszillogramms von Block 1 wird festgestellt, dass Block 1 beim Einsetzen des Schutzes noch im Synchronisationsprozess ist und dieser Prozess 25 Sekunden dauert (die normale Synchronisationsschlusszeit beträgt etwa 80 Sekunden), und während dieser Zeit wird kein Synchronisationsschlussbefehl erteilt. Durch die Prüfung des Schutzoszillogramms der Generator-Transformator-Einheit wird festgestellt, dass es Strom in Phase B und Phase C auf der Niederspannungsseite des Haupttransformators gibt, während es keinen Strom in Phase A gibt (die Transformatorenbefestigungs-Konfiguration ist Yｎ／Ｄ１１).

Der ungleichmäßige Wert des zeitabhängigen negativen Sequenzüberstroms von Block 1 während der Energieerzeugung übersteigt den Schwellwert und akkumuliert, um den Abschnitt zur Auslösung zu erreichen, was zur Auslösung des Schutzes führt. Der zeitabhängige negative Sequenzüberstromschutz von Block 1 löst den 2201-Schalter aus. Da der Schalter zu diesem Zeitpunkt noch im geöffneten Zustand ist, kann er den Durchgangsstrom in Phase C nicht unterbrechen. In diesem Moment empfängt der Schutz RCS - 921A des 2201-Schalters das Fehlersignal, das durch den Dreiphasenabschaltbefehl der Generator-Transformator-Einheit initiiert wird. Gleichzeitig gibt es Strom in Phase C, der den Fehlerschwellwert übersteigt, und der Fehlerschutz tritt in Aktion, wodurch Block 1 den Herunterfahrensprozess ausführt. Der Fehlerschutz wirkt, um den 220-kV-Schalter 2211 der Leitung Jia und Leitung Yi durch den Leitungsschutz RCS - 931AM fernzuschalten. Daher wird diese Schutzaktion durch den Durchgang in der Trennstelle des 2201-Schalters verursacht, wenn er nicht schließen kann, und alle Schutzaktionen sind korrekt.

3 Analyse der Fehlerursache

Als der Fehler auftritt, hat die Spannung auf der Generatoreseite des Blocks den Nennwert erreicht, aber der leitfähige Teil des Schalters ist nicht geschlossen. In diesem Moment erreicht die Spannung über dem Schalter ihren maximalen Wert. Bevor die Isolation der Trennstelle in Phase C des 2201-Schalters durchschlägt, gibt das Überwachungssystem keinen Alarm für niedrigen Druck im SF₆-Gasraum, und die vor Ort durchgeführte Prüfung zeigt, dass die SF₆-Dichtemessgeräte alle im grünen Bereich liegen.

Die Gesamtzahl der Betriebszyklen des 2201-Schalters beträgt 535, was weit entfernt vom vorgesehenen Nennwert von 5000 Betriebszyklen liegt. Basierend auf den vor Ort erhobenen Fehleroszillogrammdaten, dem tatsächlichen Zustand des defekten Schalters und den relevanten Wartungsdaten des Schalters von Block 1 werden die möglichen Ursachen für den Isolierstoffdurchschlag zwischen den Trennstellen der Phase C des 2201-Schalters vorläufig wie folgt analysiert:
(1) Es gibt strukturelle Probleme im Bögenlöschraum des Schalters in Phase C. Die internen Komponenten könnten locker sein, was zu Entladungen und Durchschlägen zwischen den Anschlüssen führt.
(2) Es gibt Reinheitsprobleme im Bögenlöschraum des Schalters in Phase C. Bei mehreren Betriebszyklen des Schalters entsteht allmählich ein Entladungskanal, was zu Isolierstoffdurchschlägen führt.
(3) Es gibt Materialprobleme an der Trennstelle des Schalters in Phase C. Die unangemessene Verwendung des Trennstoffmaterials führt dazu, dass bei der Betriebsführung des Schalters Verunreinigungen entstehen und sich über längere Zeit an der Außenseite des Anschlusses anlagern. Allmählich entsteht ein Entladungskanal, was letztendlich zu Isolierstoffdurchschlägen zwischen den Trennstellen führt.

Der defekte Bögenlöschraum der Phase C wird zurück ins Werk transportiert, um ihn zu zerlegen und zu analysieren. Gleichzeitig wird entweder die fehlerfreie Phase A oder Phase B (jede beliebige Phase) zurück ins Werk transportiert, um sie zu zerlegen und vergleichend zu analysieren. Das Ergebnis des Analyseberichts ist, dass Entladungen zwischen den Kontakten A und B des Bögenlöschraums auftreten.

4 Präventive Maßnahmen

Die Beschaffung und Nutzung von SF₆-Gas muss gestärkt werden, und während des Wartungsvorgangs muss streng nach den Anforderungen des Betriebsanleitungshandbuchs und der Wartungsbestimmungen gearbeitet werden. Während des Austauschs und der Montage des Bögenlöschraums müssen effektive Staubpräventionsmaßnahmen ergriffen werden. Wenn Löcher, Deckel usw. geöffnet werden, sollten Staubdeckel zur Abdichtung verwendet werden. Wenn die Montageortsumgebung schlecht ist und eine große Menge an Staub vorhanden ist, sollte die Montage eingestellt werden.

5 Schlussfolgerung

Weltweit ist es bei diesem Typ von Schaltern, wenn sie im geöffneten Zustand sind, noch nie zu einem solchen Fehler gekommen. Dieser Fehler kann auf einen Zufall oder, wahrscheinlicher, auf Einflussfaktoren jenseits normaler statistischer Fehler zurückgeführt werden. Dieses Kraftwerk ist ein Pumpspeicherkraftwerk, und der Block wechselt täglich häufig zwischen Energieerzeugung und Pumpbetrieb, wobei eine große Anzahl von Betriebszyklen stattfindet, was eine direkte Vergleichbarkeit unmöglich macht. Für eine tiefere Untersuchung sollten Transientenrekorder auf beiden Seiten des Schalters installiert werden, um auf Basis langfristiger Beobachtungen mögliche Ursachen zu suchen.