Testovací metody pro nově nainstalované 35 kV GIS plynně izolované spínací zařízení

GIS (plynově izolované přepínače) nabízí výhody jako kompaktní struktura, flexibilní provoz, spolehlivé uzamykání, dlouhá životnost, bezúdržbové provozování a malý prostorový nárok. Disponuje také mnoha nezastupitelnými výhodami v oblasti izolačních vlastností, environmentální přátelství a úspory energie a je čím dál tím více používán v průmyslových a hornických podnicích, na letištích, železničních tratích, metru, větrných elektrárnách a dalších oblastech.

Jedna z firem měla v původním 35 kV vnitřním transformátoru nástrojovnu vybavenou vzdušně izolovanými přepínači sestávajícími ze 10 celků. Tato modernizace přidává 4 nové cely. Avšak původní prostor nemohl akomodovat rozšířené požadavky na cely. Kromě toho, s ohledem na věk zařízení a jeho bezpečnostní výkon, se 35 kV transformátorová stanice modernizuje na SF₆ plynově izolované kovově uzavřené přepínače. Stávající prostor pro přepínače může splnit požadavky na rozšíření a celkový bezpečnostní výkon elektrického zařízení bude výrazně zlepšen.

Tento článek studuje, podle hlavních komponent přepínače, následující testy: testy izolace obalu a sběrnic, testy vakuumových vypínačů, testy napěťových transformátorů, testy proudových transformátorů, testy metaloxidových ochranných přepínačů a testy elektrických kabelů.

1. Klasifikace a uspořádání testovacích položek
Sekce III sběrnic 35 kV transformátorové stanice se skládá z dvojsběrního systému tvořeného 14 ZX2 typy SF₆ plynově izolovaných přepínačů. Všechny primární části uvnitř skříní jsou nainstalovány v uzavřených plněných obalech, což přímé preventivní testování obtěžuje. Testování proto musí být provedeno tím, že se vytvářejí testovací okruhy pomocí sousedních přepínačů. Mnoho vodičových částí, jako jsou napěťové transformátory a sběrnice, používá zapichovací spoje. Aby byl zajistěn dobrý kontakt ve všech zapichovacích spojích sběrnic, musí být provedena měření DC kontaktního odporu na všech spojích. Během testování je třeba do kabelových zásuvek nainstalovat dočasné testovací zapichovací spoje, které slouží jako přístupové body pro testování, což zvyšuje obtížnost a objem práce. Proto by měl být testovací pořadí řádně uspořádán, aby byl minimalizován objem práce. S ohledem na výše uvedené faktory je testování elektrického zařízení pro sekci III sběrnic 35 kV realizováno dvěma metodami: testováním uvnitř skříně a testováním vně skříně.

2. Charakteristické testy zařízení uvnitř přepínače
Testování uvnitř skříně je provedeno ve dvou kolech. V prvním kole se používají zapichovací spoje pro nízkovoltové proudové injekce; tyto spoje jsou snadno instalovány – jednoduše se zapichují přímo do kabelových zásuvek uvnitř přepínače. Ve druhém kole se do kabelových zásuvek uvnitř přepínače zapichují vysokovoltové testovací spoje a pevně se upevňují šrouby, aby bylo možné zavedení testovacího napětí do testovaného zařízení.

2.1 První kolo testů
2.1.1 Testy vakuumových vypínačů
V tomto kole se nejdříve provádějí mechanické charakteristiky a testy ovládacího mechanismu, oba s použitím dynamického charakterizačního testér vypínače. Dva sousední přepínače jsou seskupeny dohromady. Trojfázové testovací vedení jsou připojeny na jednom konci, zatímco druhý konec je zazemlen. Mechanické charakteristiky a napětí cívek dvou sériově spojených vypínačů se měří samostatně – tj. při měření mechanických charakteristik jednoho vypínače je druhý vypínač zavřen, aby sloužil jako testovací cesta. Testovací metoda je shodná s standardními postupy. Pro bay sběrnicového vypínače 9AH, který propojuje hlavní a vedlejší sběrnicový systém, lze tento vypínač spojit v sérii s levým vypínačem 10AH a pravým vypínačem 8AH (celkem tři vypínače), aby byly využity testovací cesty 10AH a 8AH.

2.1.2 Test DC kontaktního odporu vodičových okruhů a zapichovacích spojů sběrnic
Pro měření kontaktního odporu všech vakuumových vypínačů, hlavních/vedlejších sběrnicových vypínačů a hlavních/vedlejších zapichovacích spojů sběrnic se stále dvojice sousedních přepínačů seskupují, ale testují se postupně – tj. 1AH–2AH, 2AH–3AH, ..., 13AH–14AH. Pro každou dvojici, když jsou hlavní (nebo vedlejší) sběrnicové vypínače dvou sousedních přepínačů zavřeny, se měří trojfázový DC kontaktní odpor odpovídající hlavní (nebo vedlejší) sběrnicové cesty. Používá se tester smyčkového odporu s testovacím proudem asi 100 A. Například pro sběrnicový vypínač 9AH lze stejně tak být spojen v sérii s levým 10AH a pravým 8AH, aby se vytvořily dvě testovací cesty: 10AH–hlavní sběrnice–9AH–vedlejší sběrnice–8AH a 10AH–vedlejší sběrnice–9AH–hlavní sběrnice–8AH. Testovací metoda je stejná jako u ostatních přepínačů, s hodnotami odporu v rozmezí 200 až 300 μΩ.

2.1.3 Testy proudových transformátorů
Primární vodičové části speciálních proudových transformátorů nainstalovaných uvnitř skříně jsou uzavřeny v obalu; proto jejich testy musí být provedeny současně během testování uvnitř skříně. V tomto kole se nejdříve provádějí testy poměru, kontrola polaritu a testy charakteristických křivek buzení. Tyto testy jsou provedeny pomocí multifunkčního automatického komplexního testér transformátoru.

Pro testy poměru a kontrolu polaritu: konfigurace testovacího okruhu je shodná s testy mechanických charakteristik vypínače – tj. dva sousední přepínače jsou seskupeni, s jejich vypínači a stejné straně sběrnicovými vypínači zavřeny. Fázově se vkládá vysoký proud a ze sekundárních proudových terminálů se odebírají sekundární indukované proudy, aby se změřil poměr a polarita všech proudových transformátorů spojených v sérii v okruhu. Testovací metoda je shodná s standardními postupy.

Pro test charakteristických křivek buzení: tento test vyžaduje pouze, aby byl primární okruh otevřen a může být proveden v jakémkoli čase. S ohledem na to, že používá stejné testovací zařízení a sdílí stejné sekundární proudové terminály jako test poměru – tj. testovací proud se vkládá přes odpovídající sekundární proudové terminály – může být proveden současně s testem poměru, aby byla zvýšena efektivita práce.

2.2 Izolační zkoušky zařízení uvnitř rozvodu
V druhém kole zkoušek se provádějí současně izolační zkoušky rozvodu a sběrnic, včetně: izolačních zkoušek živých částí vypínače k zemi a mezi styčny, izolačních zkoušek živých částí hlavního/pomocného vypínacího přepínače sběrnic k zemi a mezi styčny, izolačních zkoušek primární strany transformátoru proudu k sekundární straně a k zemi a izolačních zkoušek všech vnitřních hlavních/pomocných sběrnic a vodičů k zemi a mezi fázemi.

Každé jednotce rozvodu se dvakrát přidá napětí. Nejprve jsou hlavní a pomocné sběrnice uvnitř skříně zazemleny prostřednictvím vybrané jednotky rozvodu – tedy vypínač a buď hlavní (nebo pomocný) vypínací přepínač sběrnic vybrané jednotky rozvodu jsou uzavřeny. Poté jsou uzavřeny přepínač sběrnic a jeho hlavní/pomocné vypínací přepínače sběrnic a do zásuvky kabelu této jednotky rozvodu je nainstalován dočasné zazemlovací vodič, což zazemluje celý systém hlavních a pomocných sběrnic uvnitř skříně.

Jednotka rozvodu podléhající zkouškám používá vysokonapěťovou zkoušební zásuvku, která je pevně přišroubována do zásuvky kabelu pro zavedení zkoušebního napětí.

Během prvního přidání napětí na jednotku rozvodu je vypínač otevřen a třípolohový vypínací přepínač hlavní sběrnice nastaven na polohu zazemlení (nebo nastaven na pracovní polohu s jiným místem zazemlení sběrnice), což umožňuje zkoušky odolnosti napětí mezi primární a sekundární stranou transformátoru proudu a mezi primární stranou a zemí, stejně jako mezi styčny vypínače.

Během druhého přidání napětí je vypínač uzavřen a oba třípolohové vypínací přepínače hlavní a pomocné sběrnice jsou otevřeny, což umožňuje zkoušky odolnosti napětí celého vypínačového uskupení k zemi a mezi styčny vypínacího přepínače hlavní/pomocné sběrnice.

Pro speciální jednotku vypínače sběrnic 9AH lze zkoušky plánovat společně s zkouškami odolnosti napětí hlavní a pomocné sběrnice, což vyžaduje celkově tři přidání napětí. Během prvního přidání napětí jsou uzavřeny vypínač sběrnic a hlavní vypínací přepínač sběrnice, zatímco vypínací přepínač pomocné sběrnice je otevřen. Pomocná sběrnice je zazemlena prostřednictvím jiné jednotky rozvodu a zkoušební napětí je zavedeno do hlavní sběrnice prostřednictvím určité jednotky rozvodu. Zkoušky odolnosti napětí jsou pak provedeny na systému hlavní sběrnice, celém vypínači sběrnic k zemi a mezi styčny vypínacího přepínače pomocné sběrnice, jak je znázorněno na obrázku 1.

Během druhého přidání napětí jsou uzavřeny vypínač sběrnic a vypínací přepínač pomocné sběrnice, zatímco vypínací přepínač hlavní sběrnice je otevřen. Hlavní sběrnice je zazemlena prostřednictvím jiné jednotky rozvodu a zkoušební napětí je zavedeno do pomocné sběrnice prostřednictvím určité jednotky rozvodu. Zkouška odolnosti napětí je pak provedena na systému pomocné sběrnice, celém vypínači sběrnic k zemi a mezi styčny vypínacího přepínače hlavní sběrnice.

Během třetího přidání napětí se testuje mezera mezi styčny vypínače sběrnic prostřednictvím pomocné sběrnice. Konkrétně je uzavřen vypínací přepínač pomocné sběrnice vypínače sběrnic, vypínač sběrnic je otevřen a vypínací přepínač hlavní sběrnice vypínače sběrnic je nastaven na polohu „zazemlení“. Zkoušební napětí je zavedeno do pomocné sběrnice prostřednictvím určité jednotky rozvodu, aby byla provedena zkouška odolnosti napětí na mezeru mezi styčny vypínače sběrnic.

3. Zkoušky prováděné mimo rozvod
Pro zařízení jako jsou ochranné protiproudové zařízení, transformátory napětí a kabely jsou všechny zkoušky dokončeny před instalací.

3.1 Zkoušky ochranných protiproudových zařízení s oxidickými keramikami
Všechny vypínačové jednotky na 35 kV sběrnici III (s výjimkou jednotky sběrnic) jsou vybaveny bezmezernými, chráněnými, zapichovacími ochrannými protiproudovými zařízeními s oxidickými keramikami. Zkoušky jsou provedeny před instalací ochranných protiproudových zařízení. Izolační odpor se měří před i po zkoušce. Používá se generátor DC vysokého napětí a zkoušky jsou provedeny podle specifikací výrobce:

• Referenční DC napětí při 1 mA ≥ 73 kV

• Únikový proud při 75 % U₁ₘₐ ≤ 50 μA

Během zkoušek musí být na vysokonapěťovém terminálu ochranného protiproudového zařízení nainstalován speciální izolační rukáv; jinak se v okolním vzduchu v důsledku vysokého napětí a malého rozměru dochází k povrchovému probleskování, což poškozuje povrchovou izolaci ochranného protiproudového zařízení – zkouška se stává nemožnou a hrozí poškození zařízení.

3.2 Zkoušky transformátorů napětí (VT)
Celkem 14 jednofázových, zapichovacích, plynově izolovaných transformátorů napětí specifických pro skříně jsou nainstalovány na 35 kV sběrnici III. Transformátory napětí sběrnic se liší od transformátorů napětí vedení tím, že obsahují dodatečnou reziduální cívek pro měření nulové sekvence napětí.

• Zkoušky poměru a polaritu: K měření poměru napětí mezi primární cívkou a každou sekundární cívkou (včetně reziduální cívky) a ověření vztahů polarit se používá multifunkční tester CT/VT.

• Křivka expanzní charakteristiky: Pomocí tohoto samého testovacího zařízení se na sekundární cívku aplikuje expanzní napětí a zaznamenává se křivka expanzní charakteristiky při 20 %, 50 %, 80 %, 100 % a 120 % sekundárního nominálního napětí (tj. 20 V, 50 V, 80 V, 100 V a 120 V).

Během zkoušek musí být na vysokonapěťovém terminálu primární cívky nainstalován dočasné izolační kryt (vnitřní kuželový izolátor); jinak dojde k povrchovému probleskování, což poškozuje izolaci a nedovolí dosáhnout zkoušebního napětí.

• DC odpor civek: Měří se DC odpor jak primární, tak sekundární cívky každého VT.

• Zkušební napětí střídavého proudu: Protože tyto měniče napětí jsou navrženy speciálně pro plynně izolované rozváděče, jejich vnější izolace nemůže odolat vysokým zkušebním napětím při zkoušení mimo skříň. Proto se na primární vinutí neprovádí zkušební napětí střídavého proudu síťové frekvence. Místo toho se použije zkušební napětí indukované. Tato indukovaná zkouška může být kombinována se zkouškou buzení – na sekundární straně se přivádí napětí po dobu 1 minuty při 120 V.

• Přiložte střídavé napětí 3 kV (síťová frekvence) po dobu 1 minuty mezi svorku N primárního vinutí a všechna ostatní vinutí/zem.

• Přiložte střídavé napětí 2 kV (síťová frekvence) po dobu 1 minuty mezi každé sekundární (nebo reziduální) vinutí a všechna ostatní vinutí/zem.

• Zkoušky pomocných komponentů: Změřte stejnosměrný odpor pojistky na primární straně každého měniče napětí a zkontrolujte izolační odpor ochrany jiskrovou mezerou v neutrálním bodě.

4. Opatření při zkoušení

4.1 Základní podmínky před zkoušením

• Manometr tlaku SF₆ plynu musí ukazovat v normálním zeleném rozsahu.

• Kostra rozváděče musí být spolehlivě uzemněna a uzemňovací odpor musí splňovat požadavky.

• Ověřte, že skutečné polohy a indikátory stavu třípolohových odpojovačů a vypínačů jsou správné.

• Všechny nepoužívané zásuvky na zkoušeném zařízení musí být utěsněny izolačními zátkami.

• Během zkoušek střídavého napětí musí být díry pro konec kabelu, díry pro upevnění bleskojistky a díry pro upevnění měniče napětí v úsecích, které jsou pod napětím, utěsněny speciálními izolačními zátkami; v oblastech bez napětí není utěsnění vyžadováno.

• Ověřte, že konce sběrnice jsou utěsněny izolačními zátkami a že oba koncové skříně jsou plně uzavřeny.

4.2 Zvláštní vlastnosti vysokonapěťových zkoušek
Vzhledem k nedostatečné pevnosti vnější izolace měničů napětí mimo skříň musí být zkouška indukovaného napětí na primárním vinutí kombinována se zkouškou buzení při sníženém napětí, což nereplikuje plně standardní podmínky odolnosti proti průrazu. Kromě toho měření stejnosměrného přechodového odporu odráží celkový odpor celé sériové cesty – včetně vypínačů, odpojovačů, spojů sběrnic a primárních vinutí měničů proudu – což znesnadňuje určit, která konkrétní součástka překračuje povolené limity, pokud je celková hodnota mimo specifikaci.

4.3 Zvláštní povaha metod vysokonapěťových zkoušek
Protože přímé zkoušení zařízení uzavřeného uvnitř plynem plněných skříní není možné, musí být zkušební obvody vytvořeny pomocí sousedních jednotek rozváděče a sběrnic. Proto lze komplexní zkoušku celého úseku 35 kV Bus Section III provést pouze tehdy, když je sběrnicový systém odpojen od napětí. Některé zkoušky však lze provádět na jednotlivých odpojených úsecích:

• Všechny zkoušky měničů proudu (s výjimkou zkoušek převodu)

• Zkoušky odolnosti proti průrazu mezi kontakty vypínače a na straně vedení

• Mechanické charakteristiky vypínačů (s výjimkou vazebního vypínače)

• Všechny zkoušky demontovatelných komponentů, jako jsou kabely, bleskojistky a měniče napětí

4.4 Zvláštní ohledy na zkušební normy
Během interních zkoušek střídavým napětím, protože vypínače, odpojovače, měniče proudu a sběrnice jsou zkoušeny současně, musí být zkušební napětí omezeno na nejnižší odolnost mezi nimi – 76 kV (norma pro měniče proudu) – což vede k nižším než optimálním úrovním namáhání ostatních komponent. Po odpojení sekundárních vinutí pro zkoušení musí být původní zapojení okamžitě obnoveno, aby se předešlo špatnému kontaktu nebo přerušení obvodu.

5. Závěr
Zkoušení vysokého napětí kompaktních plynně izolovaných rozváděčů představuje jedinečné výzvy a vysoce složité provozní požadavky. Je proto nezbytné důkladně porozumět charakteristikám zařízení. Výběr vhodného zkušebního zařízení a metodologie přizpůsobené těmto vlastnostem a shrnutí efektivních postupů a norem pro zkoušení poskytuje cenný odkaz a technický základ pro řešení podobných inženýrských problémů.