Análise das Causas de Falhas por Quebra de Isolamento em Disjuntores SF6 no Estado Aberto

O GIS (Gas Insulated Switchgear) utiliza gás SF₆ como meio isolante e extintor de arco. Ele apresenta várias vantagens, como pequena área ocupada, alta confiabilidade, excelente segurança e manutenção conveniente. O disjuntor SF₆, sendo uma parte integral do equipamento GIS, ocupa uma posição dominante em níveis de tensão de 110 kV e acima.

Este artigo detalha uma falha que ocorreu durante o processo de geração de energia e sincronização da Unidade 1 em uma certa usina de energia. Especificamente, quando o disjuntor SF₆ de 220 kV 2201 no lado de alta tensão do transformador principal estava no estado aberto, a isolação da Fase C foi rompida. Como resultado, a proteção contra falhas do disjuntor e a proteção de corrente de sequência negativa foram ativadas, levando ao fracasso da inicialização e conexão à rede da unidade.

1 Processo do Incidente e Procedimento de Tratamento

Durante a inicialização da geração de energia da Unidade 1 e o subsequente processo de sincronização, o sistema de monitoramento relatou a ativação da proteção contra falhas do disjuntor, a operação da proteção de corrente de sequência negativa inversa, o disparo da proteção elétrica e as mensagens de subtensão da Linha Jia e Linha Yi de 220 kV. Não houve outras alarmes de proteção para a unidade.

A Unidade 1 executou o procedimento de desligamento. O disjuntor 2211 de 220 kV da Linha Jia e Linha Yi disparou, bem como o disjuntor do transformador auxiliar de alimentação (2200 Jia), enquanto o dispositivo de comutação automática da alimentação auxiliar foi ativado. Após confirmar com os funcionários de despacho e controle da rede, foi determinado que não havia falhas nas Linhas Jia e Yi de 220 kV. Inicialmente, foi julgado que o disjuntor principal 2201 tinha uma falha.

Quando o disjuntor 2201 foi aberto para inspeção, foi encontrado uma grande quantidade de poeira e outros anexos na fratura da câmara de extinção de arco da Fase C do disjuntor 2201, que estavam dispersos dentro da câmara de gás. Não havia pontos de curto-circuito evidentes na superfície do disjuntor, e não foi detectado fenômeno de curto-circuito à terra do disjuntor. Inicialmente, foi analisado e julgado que a isolação entre os pontos de ruptura da Fase C do disjuntor 2201 foi rompida.

Para garantir a operação segura e estável da unidade e realizar uma análise de acidente, as três fases do disjuntor 2201 foram uniformemente substituídas. Foram realizados testes preventivos elétricos relevantes e testes de inicialização manual, elevação de tensão zero e conexão à rede da unidade.

2 Análise da Ação de Proteção

Ao examinar o oscilograma de falha da Unidade 1, descobriu-se que, quando a proteção atua, a Unidade 1 ainda está no processo de sincronização e este processo dura 25 segundos (o tempo normal de fechamento de sincronização é de aproximadamente 80 segundos), e nenhum comando de fechamento de sincronização é emitido durante esse período. Posteriormente, ao verificar o oscilograma de proteção da unidade gerador-transformador, descobriu-se que há corrente nas Fases B e C no lado de baixa tensão do transformador principal, enquanto não há corrente na Fase A (a configuração de ligação do transformador é Yｎ／Ｄ１１).

O valor desequilibrado da sobrecorrente de sequência negativa inversa da Unidade 1 durante a geração de energia excede o limite e acumula para acionar o segmento de disparo, causando o disparo da proteção. A proteção de sobrecorrente de sequência negativa inversa da Unidade 1 durante a geração de energia dispara o disjuntor 2201. Como o disjuntor ainda está no estado aberto neste momento, ele é incapaz de cortar a corrente de ruptura da Fase C. Neste momento, a proteção RCS - 921A do disjuntor 2201 recebe o sinal de proteção contra falhas iniciado pelo disparo tripolar da unidade gerador-transformador. Ao mesmo tempo, há corrente na Fase C, que excede o valor de ajuste de falha, e a proteção contra falhas atua, fazendo com que a Unidade 1 execute o procedimento de desligamento. A proteção contra falhas atua para disparar remotamente o disjuntor 2211 da Linha Jia e Linha Yi de 220 kV através da proteção de linha RCS - 931AM. Portanto, esta ação de proteção é causada pela ruptura do ponto de ruptura do disjuntor 2201 quando ele falha em fechar, e todas as ações de proteção são corretas.

3 Análise da Causa da Falha

Quando a falha ocorre, a tensão no lado do gerador da unidade já atingiu o valor nominal, mas a parte condutora do disjuntor ainda não foi fechada. Neste momento, a tensão entre os contatos do disjuntor atinge seu valor máximo. Antes da isolação do ponto de ruptura da Fase C do disjuntor 2201 ser rompida, o sistema de monitoramento não emite um alarme de baixa pressão na câmara de gás SF₆, e a inspeção no local mostra que os relés de densidade de SF₆ estão todos na zona verde.

O número total de operações do disjuntor 2201 é de 535 vezes, o que está longe do número projetado de operações nominal, que é de 5000 vezes. Com base nos dados do oscilograma de falha no local, no estado real do disjuntor defeituoso e nos dados de manutenção relevantes do disjuntor da Unidade 1, as possíveis causas da ruptura de isolação entre os pontos de ruptura da Fase C do disjuntor 2201 são preliminarmente analisadas como segue:
(1) Existem problemas estruturais internos na câmara de extinção de arco do disjuntor da Fase C. Os componentes internos podem estar soltos, resultando em descarga e ruptura entre os portos.
(2) Existem problemas de impurezas na câmara de extinção de arco do disjuntor da Fase C. Durante múltiplas operações do disjuntor, um canal de descarga é gradualmente formado, causando a ruptura de isolação.
(3) Existem problemas de material no ponto de ruptura do disjuntor da Fase C. O uso inadequado do material do ponto de ruptura causa a geração de impurezas durante a operação do disjuntor e a aderência à superfície externa do porto por um longo período. Gradualmente, um canal de descarga é formado, levando, finalmente, à ruptura de isolação entre os pontos de ruptura.

A câmara de extinção de arco defeituosa da Fase C é transportada de volta à fábrica para desmontagem e análise. Ao mesmo tempo, qualquer uma das fases não defeituosas, Fase A ou Fase B, é transportada de volta à fábrica para desmontagem e análise comparativa. A conclusão do relatório de análise é que ocorre descarga entre os contatos A e B da câmara de extinção de arco.

4 Medidas Preventivas

Fortaleça a gestão de aquisição e uso do gás SF₆ e realize o trabalho estritamente de acordo com os requisitos do manual de instruções de operação e regulamentos de manutenção durante o processo de manutenção. Durante a substituição e instalação da câmara de extinção de arco, medidas eficazes de prevenção de poeira devem ser tomadas. Quando buracos, tampas, etc., forem abertos, tampas de poeira devem ser usadas para selar. Se o ambiente de instalação for ruim e houver uma grande quantidade de poeira, a instalação deve ser interrompida.

5 Conclusão

No mundo, não houve ocorrência de tal falha neste tipo de disjuntor quando ele está na posição aberta. Esta falha pode ser atribuída a uma coincidência acidental ou, mais provavelmente, a fatores influenciadores além das falhas estatísticas normais. Esta usina de energia é uma usina de armazenamento de bombeamento, e a unidade frequentemente alterna entre as condições de geração de energia e bombeamento diariamente, com um grande número de operações, tornando impossível uma comparação direta. Para uma investigação mais aprofundada, registradores transitórios devem ser instalados em ambos os lados do disjuntor para buscar possíveis causas com base nos resultados de observação de longo prazo.