SF6回路遮断器の開放状態における絶縁破壊故障の原因分析

GIS（ガス絶縁開閉装置）はSF₆ガスを絶縁および消弧媒体として利用しています。これは、コンパクトな設置面積、高い信頼性、優れた安全性、メンテナンスの容易さなどの多くの利点を持っています。SF₆遮断器はGIS設備の重要な部分であり、110 kV以上の電圧レベルで主要な位置を占めています。

この記事では、ある発電所の1号機が発電と同期プロセス中に発生した故障について詳しく説明します。具体的には、主変圧器の高圧側にある220 kV SF₆遮断器2201が開状態であった際に、C相の絶縁が破壊されました。その結果、遮断器故障保護と負序電流保護が動作し、ユニットの起動と並列接続に失敗しました。

1 事象の経緯と対処手順

1号機の発電起動とその後の同期プロセス中に、モニタリングシステムは遮断器故障保護の動作、逆時間負序電流保護の動作、電気保護のトリップ、および220 kV線路JiaとYiの低電圧メッセージを報告しました。ユニットには他の保護アラームはありませんでした。

1号機はシャットダウン手順を実行しました。220 kV線路JiaとYiの2211スイッチがトリップし、補助電源変圧器（2200 Jia）のスイッチもトリップしましたが、補助電源の自動切り替え装置が動作しました。グリッド調整・制御担当者との確認により、220 kV線路JiaとYiには障害がないことが判明しました。当初、主遮断器2201に障害があると判断されました。

2201遮断器を開けて検査すると、C相の消弧室の破断部に大量の塵や他の付着物があり、これがガス室内に分散していました。遮断器の表面には明らかな短絡点はなく、遮断器の接地短絡現象も検出されませんでした。当初、2201遮断器のC相のブレイクポイント間の絶縁が破壊されたと分析されました。

ユニットの安全かつ安定した運転を確保し、事故分析を行うため、2201遮断器の3相を一括で交換しました。関連する電気予防試験とユニットの手動起動、ゼロ電圧上昇、並列接続試験を行いました。

2 保護動作の解析

1号機の故障波形を調査すると、保護が動作した時点で1号機はまだ同期プロセス中であり、このプロセスは25秒（通常の同期クローズ時間は約80秒）続き、この期間中に同期クローズ命令は発行されていませんでした。その後、発電機-変圧器ユニットの保護波形を調べると、主変圧器の低圧側でB相とC相に電流があり、A相には電流がありませんでした（変圧器の配線構成はYｎ／Ｄ１１です）。

発電中の1号機の逆時間負序過電流のアンバランス値が閾値を超えて累積し、トリップセクションをトリガーして保護が動作しました。発電中の1号機の逆時間負序過電流保護は2201遮断器をトリップさせましたが、この時点では遮断器は開状態であり、C相のブレイクダウン電流を切断できませんでした。この時、2201遮断器の保護RCS - 921Aは、発電機-変圧器ユニットの三相トリップによって開始された故障保護信号を受け取りました。同時に、C相に電流があり、故障設定値を超えていたため、故障保護が動作し、1号機はシャットダウン手順を実行しました。故障保護は、線路保護RCS - 931AMを通じて遠隔で220 kV線路JiaとYiの2211遮断器をトリップさせました。したがって、この保護動作は、2201遮断器が閉じられないときにブレイクポイントの絶縁が破壊されたことによって引き起こされ、すべての保護動作は正しかったです。

3 故障原因の解析

故障が発生した際、ユニットの発電機側の電圧は定格値に達していましたが、スイッチの導電部は閉じていませんでした。このとき、スイッチ両端の電圧は最大値に達していました。2201遮断器のC相のブレイクポイントの絶縁が破壊される前に、モニタリングシステムはSF₆ガス室の低圧警報を発していないことが確認され、現場での検査ではSF₆密度リレーがすべて緑色ゾーン内にありました。

2201遮断器の総操作回数は535回で、設計上の定格操作回数5000回からは遠いです。現場の故障波形データ、故障遮断器の実際の状態、および1号機の遮断器に関する関連メンテナンスデータに基づいて、2201遮断器のC相のブレイクポイント間の絶縁破壊の可能性のある原因は以下の通りです：
(1) C相遮断器の消弧室内に構造的な問題があります。内部部品が緩んでいる可能性があり、ポート間に放電と絶縁破壊が発生しています。
(2) C相遮断器の消弧室内に不純物の問題があります。遮断器の複数回の操作中に徐々に放電チャネルが形成され、絶縁破壊が発生しています。
(3) C相遮断器のブレイクポイントに材料の問題があります。ブレイクポイント材料の不適切な使用により、遮断器の操作中に不純物が生成され、長期にわたってポートの外表面に付着します。徐々に放電チャネルが形成され、最終的にブレイクポイント間の絶縁破壊が発生します。

故障したC相の消弧室は工場に送られ、分解と分析が行われます。同時に、非故障のA相またはB相（いずれか1相）も工場に送られ、分解と比較分析が行われます。分析レポートの結論は、消弧室の接触点AとB間に放電が発生したことです。

4 予防措置

SF₆ガスの調達と使用管理を強化し、メンテナンス作業中に運用マニュアルとメンテナンス規則の要件に従って厳密に作業を行うべきです。消弧室の交換とインストール時には効果的な防塵措置を講じるべきです。穴や蓋などを開く際には、防塵カバーを使用して密封すべきです。インストール現場の環境が悪く、大量の塵がある場合は、インストールを停止すべきです。

5 結論

世界中で、このタイプの遮断器が開状態でこのような故障が発生したことはありません。この故障は偶発的な一致であるか、または通常の統計的故障を超える影響因子によるものと考えられます。この発電所は揚水発電所であり、ユニットは毎日発電と揚水条件の間で頻繁に切り替わり、多数の操作が行われるため、直接的な比較は不可能です。より詳細な調査のために、遮断器の両側にトランジェントレコーダーを設置し、長期間の観測結果に基づいて可能な原因を探すべきです。