Testmetoder for nyligt installeret 35 kV GIS gasisolerede afbrydere

GIS (Gas-Insulated Switchgear) tilbyder fordele såsom kompakt struktur, fleksibel drift, pålidelig indbyrdes låsning, lang levetid, vedligeholdelsesfri drift og lille arealbehov. Det har også mange uerstattelige fordele med hensyn til isolationsevne, miljøvenlighed og energibesparelse og anvendes stigende i industri- og minedriftsvirksomheder, lufthavne, jernbaner, metroer, vindkraftværker og andre områder.

En bestemt virksomheds 35 kV indendørs understation var oprindeligt udstyret med luftisoleret switchgear bestående af 10 felter. Denne opgradering tilføjer 4 nye felter. Det oprindelige areal kan dog ikke rumme de udvidede feltkrav. Yderligere, med tanke på udstyrets alder og sikkerhedsydelse, moderniseres 35 kV-understationen med SF₆-gasisoleret metalindkapslet switchgear. Det eksisterende switchgear-rums areal kan imødekomme udvidelseskravene, og den samlede sikkerhedsydelse for eludstyret vil blive markant forbedret.

Denne artikel undersøger, ud fra switchgearets primære komponenter, følgende tests separat: karosseri- og busbar-isolationstests, vakuumafbryder-tests, spændingstransformator-tests, strømtransformator-tests, metaloxidoverspændingsafleder-tests og effektkabeltests.

1. Testelementers klassificering og sekvensanordning
Busafsnit III i en 35 kV-understation består af et dobbeltbussystem dannet af 14 ZX2-type SF₆-gasisolerede switchgear-enheder. Alle primære aktive dele indeni skabene er installeret inden i lukkede gasfyldte kabinetter, hvilket gør direkte forebyggende test svært. Test skal derfor udføres ved at danne testkredsløb ved hjælp af naboswitchgearenheder. Mange ledende dele, såsom spændingstransformatorer og busbarer, bruger plug-forbindelser. For at sikre god kontakt ved alle busbar-plugforbindelser skal DC-kontaktmodstandsmålinger udføres på alle forbindelser. Under testen skal midlertidige testplugs installeres i kabelstik for at fungere som testtilgange, hvilket øger testens vanskelighed og arbejdsmængde. Derfor bør testsekvensen ordnes rimeligt for at minimere arbejdsmængden. I betragtning af ovenstående faktorer udføres elektrisk udstyrstest for 35 kV Busafsnit III via to metoder: interne skabstests og eksterne skabstests.

2. Karakteristiske tests af udstyr inde i switchgear
Interne skabstests udføres i to runder. I den første runde bruges lavspændingsstrøminjektionstestplugs; disse plugges let – blot direkte ind i kabelinstallationsstikkene inde i switchgear. I den anden runde indsættes højspændingstestplugs i kabelinstallationsstikkene inde i switchgear og fastgøres med skruer for at indføre testspænding til det testede udstyr.

2.1 Første runde tests
2.1.1 Vakuumafbrydertests
I denne runde udføres først mekaniske karakteristiktets og drivmekanismetests, begge ved hjælp af en afbryder dynamisk karakteristiktester. To naboswitchgearenheder grupperes sammen. Tre-fasede testledninger tilsluttes i den ene ende, og den anden ende jordes. De mekaniske egenskaber og spolearbejdsspændinger for de to serieforbundne afbrydere måles separat – dvs. når man måler de mekaniske egenskaber for én afbryder, lukkes den anden afbryder for at fungere som teststi. Testmetoden er identisk med standardprocedurer. For buskoblingsafbryderfelt 9AH, som forbinder hoved- og hjælpebus i dobbeltbussystemet, kan det serieforbindes med venstre afbryder 10AH og højre afbryder 8AH (totalt tre afbrydere) for at udnytte teststierne fra 10AH og 8AH.

2.1.2 DC-kontaktmodstandstest af ledende kredsløb og busplugforbindelser
For at måle kontakmodstanden for alle vakuumafbrydere, hoved-/hjælpebus frakoblingskontakter og hoved-/hjælpebus plugforbindelser grupperes stadig naboswitchgearenheder parvis, men testes sekventielt – dvs. 1AH–2AH, 2AH–3AH, ..., 13AH–14AH. For hvert par måles trefaset DC-kontaktmodstand for den tilsvarende hoved- (eller hjælpe-) bussti, når frakoblingskontakterne for de to naboswitchgearenheder er lukkede. En loopmodstandstester bruges med en teststrøm på ca. 100 A. For eksempel kan buskoblingsafbryder 9AH ligeledes serieforbindes med venstre 10AH og højre 8AH for at danne to teststier: 10AH–hovedbus–9AH–hjælpebus–8AH og 10AH–hjælpebus–9AH–hovedbus–8AH. Testmetoden er den samme som for andre switchgearenheder, med modstandsværdier mellem 200 og 300 μΩ.

2.1.3 Strømtransformatortests
De primære ledende dele i de gasisolerede dedikerede strømtransformatorer installeret inde i skabet er lukket inde i kabinettet; derfor skal deres tests fuldføres samtidigt under interne skabstests. I denne runde udføres først forholdstests, polaritetskontroller og excitationkarakteristikkurvetests. Disse tests udføres ved hjælp af en multifunktions fuldautomatisk kompleks transformertestenhed.

Til forholdstests og polaritetskontroller: testkredsløbskonfigurationen er ens med den ved afbryderens mekaniske karakteristiktets – dvs. to naboswitchgearenheder grupperes, med deres afbrydere og samme-side busfrakoblingskontakter lukkede. Høj strøm injiceres fase for fase, og sekundære inducerede strømme trækkes fra de tilsvarende sekundære strømklemmer for at måle forhold og polaritet for alle strømtransformatorer serieforbundet i kredsløbet. Testmetoden er identisk med standardprocedurer.

Til excitationkarakteristikkurvetest: denne test kræver kun, at primærkredsløbet er åbent, og kan udføres når som helst. I betragtning af at den bruger samme testudstyr og deler de samme sekundære strømklemmer som forholdstesten – dvs. teststrøm injiceres gennem de tilsvarende sekundære strømklemmer – kan den udføres samtidigt med forholdstesten for at forbedre arbejdseffektiviteten.

2.2 Isoleringstests af udstyr inden i skabsløsningen
I anden runde af tests udføres isoleringstests på skabsløsningen og busleddene samtidigt, herunder: isoleringstests af live dele af kreditskærm til jord og mellem kontakter, isoleringstests af hoved-/bijobusafbryderens live dele til jord og mellem kontakter, isoleringstests af strømtransformator primær til sekundær og til jord, samt isoleringstests af alle interne hoved-/bijobusledd og ledekammer til jord og mellem faser.

Hver skabsløsningsenhed udsættes for spænding to gange. Først jordes hoved- og bijobusleddene indeni skabet gennem en valgt skabsløsningsenhed - det vil sige, at kreditskærm og enten hoved- (eller bi-) jobusafbryderen af den valgte skabsløsningsenhed er lukket. Derefter lukkes busforbindelseskreditskærm og dens hoved/bijobusafbrydere, og der installeres en midlertidig jordtråd ved kabelfoden af den skabsløsningsenhed, hvilket jorder hele hoved- og bijobussystemet indeni skabet.

Den testede skabsløsningsenhed bruger et højspændingstestplug, som snævres tæt ind i kabelfoden for at indføre testspændingen.

Under første spændingsapplikation til skabsløsningsenheden, er kreditskærmen åben, og trepositioneret hovedjobusafbryder er sat til jordposition (eller sat til serviceposition med bus jordet et andet sted), hvilket tillader spændingstålighedstests mellem strømtransformator primær-sekundær og primær-jord, samt over kreditskærmkontakter.

Under anden spændingsapplikation, er kreditskærmen lukket, og både hoved- og bijobustrepositioneret afbrydere er i åben position, hvilket muliggør spændingstålighedstests af hele kreditskærmens montering til jord og over hoved/bijobusafbryderkontaktgap.

For den specielle busforbindelseskreditskærm bås 9AH, kan testene planlægges sammen med hoved- og bijobusspændingstålighedstest, hvilket kræver i alt tre spændingsapplikationer. Under første spændingsapplikation, er busforbindelseskreditskærm og hovedjobusafbryder lukket, mens bijobusafbryderen er åben. Bijobussen jordes gennem en anden skabsløsningsenhed, og testspændingen indføres til hovedbus via en bestemt skabsløsningsenhed. Der udføres derefter spændingstålighedstester på hovedbussystemet, hele busforbindelseskreditskærm til jord, og bijobusafbryderkontaktgap, som vist på figur 1.

Under anden spændingsapplikation, er busforbindelseskreditskærm og bijobusafbryder lukket, mens hovedjobusafbryderen er åben. Hovedbussen jordes gennem en anden skabsløsningsenhed, og testspændingen indføres til bijobussen via en bestemt skabsløsningsenhed. Udføres derefter en spændingstålighedtest på bijobussystemet, hele busforbindelseskreditskærm til jord, og kontaktgapet af hovedjobusafbryder.

Under tredje spændingsapplikation, testes kontaktgapet af busforbindelseskreditskærm gennem bijobussen. Specifikt, bijobusafbryder for busforbindelse er lukket, busforbindelseskreditskærm er åben, og busforbindelseshovedjobusafbryder er sat til "jord"-position. Testspændingen indføres til bijobussen gennem en bestemt skabsløsningsenhed for at udføre spændingstålighedstest på kontaktgapet af busforbindelseskreditskærm.

3.Tests udført uden for skabsløsningen
Til udstyr som overslagsbeskyttelser, spændingstransformatorer og kabler, udføres alle tester før installation.

3.1 Tests af metaloksidoverslagsbeskyttelse
Alle kreditskærm båse på 35 kV Bus Section III (undtagen busforbindelsesbås) er udstyret med metaloksid, ubrudt, skjult, plug-in overslagsbeskyttelser. Testing udføres før overslagsbeskyttelsesinstallation. Måles isoleringsmodstand både før og efter test. Bruges DC-højspændinggenerator, og tests udføres ifølge fabrikantens specifikationer:

• DC-reference spænding ved 1 mA ≥ 73 kV

• Lækagestrøm ved 75% af U₁ₘₐ ≤ 50 μA

Under testing, skal en dedikeret isolerende mave installeres på højspændingsterminalen af overslagsbeskyttelsen; ellers vil det i omgivende luft, på grund af høj spænding og lille afstand, forekomme overfladeudslag, som ødelægger overslagsbeskyttelsens overfladeisolering—gør testen umulig og risikerer udstyrsskade.

3.2 Spændingstransformator (VT) Tests
I alt 14 enefasede, plug-in, gas-isoleret skabs-specifikke spændingstransformatorer er installeret på 35 kV Bus Section III. Bus VT'er adskiller sig fra linje VT'er ved, at de inkluderer et ekstra residualvinding til nulpunktsspændingsmåling.

• Forhold og Polaritetstests: En multifunktions CT/VT-tester bruges til at måle spændingsforholdet mellem primær vindning og hver sekundær vindning (herunder residualvinding) og verificere polaritetsforhold.

• Opbygningsekarakteristik kurve: Ved hjælp af samme tester, anvendes opbygningsvoltage til sekundær vindning, og opbygningskurven registreres ved 20%, 50%, 80%, 100%, og 120% af sekundære nominale spænding (dvs. 20 V, 50 V, 80 V, 100 V, og 120 V).

Under testing, skal en midlertidig isolerende hulde (indvendig konus isolator) installeres på primær højspændingsterminal; ellers vil overfladeudslag forekomme, ødelægge isoleringen og forhindre, at testspændingen når.

• DC-motstand af vindninger: Måles DC-motstanden af både primær og sekundær vindninger af hver VT.

• AC Withstand Voltage Test: Efter at disse VT'er er specielt designet til gasisoleret spændingsudstyr, kan deres eksterne isolation ikke klare høje prøve-spændinger, når de prøves uden for kabinetet. Derfor udføres der ingen AC-spændingsprøve på primærspolen. I stedet anvendes en induceret spændingsprøve. Denne inducerede prøve kan kombineres med opmagnetiseringskarakteristikprøven – ved at anvende 120 V i 1 minut på sekundærside.

• Anvend 3 kV AC (netfrequency) i 1 minut mellem primærspolens terminal N og alle andre spoler/jord.

• Anvend 2 kV AC (netfrequency) i 1 minut mellem hver sekundær- (eller rest)spole og alle andre spoler/jord.

• Prøver på hjælpekomponenter: Mål DC-resistansen af primærsidefusen for hver VT, og tjek isolationsresistansen af nulpunktsblyantbeskytteren.

4.Foranstaltninger under prøvning

4.1 Grundlæggende betingelser før prøvning

• SF₆-gas trykometer skal indikere inden for det normale grønne område.

• Spændingsudstyrs kabinet skal være pålideligt jordet, med jordmodstand, der opfylder kravene.

• Bekræft, at de faktiske positioner og statusindikatorer for tre-positionsskærmere og -afbrydere er korrekte.

• Alle ubrugte stik på udstyret, der prøves, skal være forseglede med isolerende stopper.

• Under AC-spændingsprøver skal kabelføringshuller, lynnedslagshuller og VT-monteringshuller i båse, der modtager spænding, være forseglede med dedikerede isolerende stopper; ikke-strømforsynede områder behøver ikke forsegles.

• Bekræft, at busbar-endene er forseglede med isolerende stopper, og at begge endekabinetter er fuldt lukket.

4.2 Specifikke karakteristika ved højspændingsprøver
På grund af utilstrækkelig ekstern isolationsstyrke hos VT'er uden for kabinetet, skal induceret spændingsprøve på primærspolen kombineres med opmagnetiseringsprøve ved reduceret spænding, hvilket ikke fuldt ud replikerer standard holdbarhedsvilkår. Desuden reflekterer DC-kontaktresistansmålinger den totale resistans i hele seriebanen, herunder afbrydere, skærmere, busbar-forbindelser og CT-primære, hvilket gør det svært at identificere, hvilken bestemt komponent overstiger tilladte grænser, hvis den samlede værdi er uden for specifikation.

4.3 Speciel natur af højspændingsprøvemetoder
Eftersom direkte prøvning af udstyr, der er forseglet inde i gasfyldte kabinetter, er umulig, skal prøvekredsløb dannes ved hjælp af naboskærmere og busbars. Derfor kan kun en komplet prøvning af hele 35 kV Bus Section III udføres, når bus-systemet er strømfri. Dog kan visse prøver udføres på individuelle strømfrie båse:

• Alle CT-prøver (undtagen forholdsprøver)

• Holdbarhedsprøver på afbryderkontaktsplids og linjesider

• Mekaniske karakteristikprøver af afbrydere (undtagen bus-coupler-afbryder)

• Alle prøver på fjernbare komponenter som kabler, lynnedslagsgivere og VT'er

4.4 Specielle overvejelser for prøvestandarder
Under interne AC-spændingsprøver, da afbrydere, skærmere, CT'er og busbars prøves samtidigt, skal prøvespændingen begrænses til den laveste holdbarhedsklasse blandt dem – 76 kV (CT-standarden) – hvilket resulterer i lavere stressniveauer for andre komponenter. Efter fjernelse af sekundærespoler til prøvning, skal original ledning hurtigt genoprettes for at undgå dårlig kontakt eller åbne kredsløb.

5.Konklusion
Højspændingsprøvning af kompakt gasisoleret spændingsudstyr indebærer unikke udfordringer og højt komplekse driftsbehov. Derfor er en grundig forståelse af udstyrs-karakteristikker afgørende. Vælg passende prøveudstyr og metoder, der er tilpasset disse egenskaber, og sammenfat effektive prøveprocedurer og standarder, for at give værdifuld reference og teknisk grundlag for løsning af lignende ingeniørudfordringer.