Análisis de las Causas de los Fallos por Rotura de Aislamiento en Interruptores de SF6 en Estado Abierto

El GIS (Gas Insulated Switchgear) utiliza el gas SF₆ como medio aislante y extintor de arco. Cuenta con varias ventajas, como un pequeño tamaño, alta confiabilidad, excelente seguridad y mantenimiento conveniente. El interruptor SF₆, siendo una parte integral del equipo GIS, ocupa una posición dominante en niveles de tensión de 110 kV y superiores.

Este artículo detalla una falla que ocurrió durante el proceso de generación de energía y sincronización de la Unidad 1 en una cierta planta de energía. Específicamente, cuando el interruptor SF₆ de 220 kV 2201 en el lado de alta tensión del transformador principal estaba en estado abierto, se produjo un fallo de aislamiento en la Fase C. Como resultado, se activaron la protección contra fallos del interruptor y la protección de corriente negativa de secuencia, lo que llevó al fracaso del arranque y conexión a la red de la unidad.

1 Proceso del Incidente y Procedimiento de Manejo

Durante el arranque de generación de energía de la Unidad 1 y el subsiguiente proceso de sincronización, el sistema de monitoreo reportó la activación de la protección contra fallos del interruptor, la operación de la protección de corriente negativa de secuencia inversa, el salto de la protección eléctrica y los mensajes de bajo voltaje de la Línea Jia y Línea Yi de 220 kV. No hubo otras alarmas de protección para la unidad.

La Unidad 1 ejecutó el procedimiento de apagado. Los interruptores de 220 kV 2211 de la Línea Jia y Línea Yi saltaron, y también saltó el interruptor del transformador auxiliar de alimentación (2200 Jia), mientras que se activó el dispositivo de conmutación automática de la alimentación auxiliar. Después de confirmar con el personal de despacho y control de la red, se determinó que no había fallas en la Línea Jia y Línea Yi de 220 kV. Inicialmente, se juzgó que el interruptor principal 2201 tenía una falla.

Cuando se abrió el interruptor 2201 para su inspección, se encontró una gran cantidad de polvo y otros adherentes en la fractura de la cámara de extinción de arcos de la Fase C del interruptor 2201, que estaban dispersos dentro de la cámara de gas. No se observaron puntos de cortocircuito obvios en la superficie del interruptor, y no se detectó un fenómeno de cortocircuito a tierra del interruptor. Inicialmente, se analizó y juzgó que el aislamiento entre los puntos de ruptura de la Fase C del interruptor 2201 se había roto.

Para garantizar la operación segura y estable de la unidad y realizar un análisis de accidentes, se reemplazaron uniformemente las tres fases del interruptor 2201. Se llevaron a cabo pruebas preventivas eléctricas relevantes y las pruebas de arranque manual, elevación de cero voltios y conexión a la red de la unidad.

2 Análisis de la Acción de Protección

Al examinar el oscilograma de falla de la Unidad 1, se encuentra que cuando la protección actúa, la Unidad 1 aún está en el proceso de sincronización y este proceso dura 25 segundos (el tiempo normal de cierre de sincronización es de aproximadamente 80 segundos), y no se emite ningún comando de cierre de sincronización durante este período. Posteriormente, al verificar el oscilograma de protección de la unidad generador-transformador, se descubre que hay corriente en la Fase B y Fase C en el lado de baja tensión del transformador principal, mientras que no hay corriente en la Fase A (la configuración de conexión del transformador es Yｎ／Ｄ１１).

El valor desequilibrado de la sobrecorriente de secuencia negativa inversa de la Unidad 1 durante la generación de energía excede el umbral y se acumula para disparar la sección de salto, causando que la protección salte. La protección de sobrecorriente de secuencia negativa inversa de la Unidad 1 durante la generación de energía hace saltar el interruptor 2201. Dado que el interruptor aún está en estado abierto en este momento, no puede cortar la corriente de ruptura de la Fase C. En este momento, la protección RCS - 921A del interruptor 2201 recibe la señal de protección de fallo iniciada por el salto de las tres fases de la unidad generador-transformador. Al mismo tiempo, hay corriente en la Fase C, que excede el valor de ajuste de fallo, y la protección de fallo actúa, causando que la Unidad 1 ejecute el procedimiento de apagado. La protección de fallo actúa para hacer saltar remotamente el interruptor de la Línea Jia y Línea Yi de 220 kV 2211 a través de la protección de línea RCS - 931AM. Por lo tanto, esta acción de protección es causada por la ruptura del punto de ruptura del interruptor 2201 cuando no logra cerrarse, y todas las acciones de protección son correctas.

3 Análisis de la Causa de la Falla

Cuando ocurre la falla, el voltaje en el lado del generador de la unidad ha alcanzado el valor nominal, pero la parte conductora del interruptor no se ha cerrado. En este momento, el voltaje a través del interruptor alcanza su valor máximo. Antes de que se rompa el aislamiento del punto de ruptura de la Fase C del interruptor 2201, el sistema de monitoreo no emite una alarma de baja presión en la cámara de gas SF₆, y la inspección en el sitio muestra que los relés de densidad de SF₆ están todos en la zona verde.

El número total de operaciones del interruptor 2201 es de 535 veces, lo que está lejos del número de operaciones nominal diseñado, que es de 5000 veces. Basándose en los datos del oscilograma de falla en el sitio, el estado real del interruptor defectuoso y los datos relevantes de mantenimiento del interruptor de la Unidad 1, se analizan preliminarmente las posibles causas de la ruptura del aislamiento entre los puntos de ruptura de la Fase C del interruptor 2201 como sigue:
(1) Hay problemas estructurales dentro de la cámara de extinción de arcos del interruptor de la Fase C. Los componentes internos pueden estar sueltos, resultando en descargas y rupturas entre los puertos.
(2) Hay problemas de impurezas en la cámara de extinción de arcos del interruptor de la Fase C. Durante múltiples operaciones del interruptor, se forma gradualmente un canal de descarga, causando la ruptura del aislamiento.
(3) Hay problemas de material en el punto de ruptura del interruptor de la Fase C. El uso inadecuado del material del punto de ruptura causa la generación de impurezas durante la operación del interruptor y su adhesión a la superficie externa del puerto durante mucho tiempo. Gradualmente, se forma un canal de descarga, lo que finalmente lleva a la ruptura del aislamiento entre los puntos de ruptura.

La cámara de extinción de arcos defectuosa de la Fase C se transporta de vuelta a la fábrica para su desmontaje y análisis. Al mismo tiempo, se transporta de vuelta a la fábrica la Fase A o Fase B no defectuosa (cualquier fase) para su desmontaje y análisis comparativo. La conclusión del informe de análisis es que se produce una descarga entre los contactos A y B de la cámara de extinción de arcos.

4 Medidas Preventivas

Fortalecer la gestión de adquisición y uso del gas SF₆, y realizar estrictamente el trabajo de acuerdo con los requisitos del manual de instrucciones de operación y regulaciones de mantenimiento durante el proceso de operación de mantenimiento. Durante el reemplazo e instalación de la cámara de extinción de arcos, se deben tomar medidas efectivas de prevención de polvo. Cuando se abren orificios, tapas, etc., se deben usar cubiertas de polvo para sellar. Si el entorno del sitio de instalación es pobre y hay una gran cantidad de polvo, se debe detener la instalación.

5 Conclusión

En todo el mundo, no ha habido ninguna ocurrencia de tal falla en este tipo de interruptor cuando está en posición abierta. Esta falla puede atribuirse a una coincidencia accidental o, más probablemente, a factores influyentes más allá de las fallas estadísticas normales. Esta planta de energía es una planta de almacenamiento de bombeo, y la unidad cambia frecuentemente entre las condiciones de generación de energía y bombeo cada día con un gran número de operaciones, lo que hace imposible realizar una comparación directa. Para una investigación más profunda, se deben instalar registradores transitorios en ambos lados del interruptor para buscar posibles causas basadas en los resultados de la observación a largo plazo.