Anàlisi i tractament d'anomalies de la prova de tensió de GIS de 550 kV
El gas - aïllat metàl·lic tancat (GIS) és un dispositiu de commutació compost per electrodomèstics com interrumpidors (GCB), interruptors d'isolament (DS), interruptors de terra (ES), així com unitats com transformadors de tensió, transformadors de corrent, parafulmines i busos tancats. Tots els components de gran potencial es col·loquen dins d'un capsa metàl·lica tancada a terra, que està omplerta amb gas SF₆, que té excel·lents propietats aïllants i extingidores d'arc com a mitjà aïllant. El GIS presenta una estructura compacta, ocupa poca superfície, requereix baixa manutenció, fàcil instal·lació, bon rendiment d'interrupció i no interferència, i s'utilitza cada vegada més ampliament en sistemes elèctrics.
El GIS de 550 kV en una subestació elevadora de 500 kV d'una certa companyia adopta una disposició de doble bus amb 2 línies d'entrada del transformador principal, 1 línia d'entrada del transformador d'inici i reserva, 2 línies de sortida i 1 bus de ligament, totalitzant 6 interrumpidors. Cada 1M i 2M està equipat amb 1 baia PT. Va ser fabricat el 28 d'octubre de 2022, i la montatge in situ va quedar completat el 10 de desembre de 2022. Durant la prova de resistència a la tensió d'entrega, un aïllador de suport va experimentar una ruptura anormal.
Es van realitzar anàlisis des de diversos punts de vista com la ubicació de l'anomalia, la qualitat de la montatge in situ, la conformitat del material, l'historial de fabricació a fàbrica, la detecció de defectes per raigs X, la dissolució de resina i la simulació del camp elèctric. Es va identificar la causa de la fractura de l'aïllador de suport, i es van proposar suggeriments per reforçar la supervisió i el control de qualitat durant el procés de fabricació del GIS.Les directrius de prova de resistència a la tensió i aïllament in situ per a l'equip de commutació metàl·lic tancat aïllat per gas, i el pla de prova aprovat.
Tensió de Prova
Es pren el 80% del valor de resistència a la tensió de freqüència industrial de curt període especificat pel fabricant de 740 kV, que és 592 kV, amb una durada de 1 minut.
Condicions que L'Equip Provat Hauria de Satisfar
Mètode de Prova i Criteris
La tensió de prova del GIS provat hauria d'augmentar-se de 0 V a 318 kV primer, mantenint-se durant 5 minuts, després augmentar-se a 473 kV i mantenir-se durant 3 minuts. Finalment, la tensió de prova s'incrementa al valor de resistència a la tensió nominal de 592 kV i es manté durant 1 minut. Si no hi ha cap ruptura, es considera qualificat.
Cerca i Tractament de Punts Anòmals
Visió General de l'Anomalia de Ruptura
El 11 de desembre de 2022, a les 14:03, es va realitzar una prova de resistència a la tensió d'entrega del circuit principal al GIS de 550 kV a la subestació de la zona de construcció. Quan es van provar les fases B i C, la tensió va augmentar a 318 kV i es va mantenir durant 5 minuts, superant la prova. Quan la tensió va augmentar a 473 kV i es va mantenir durant 2 minuts, va ocorre una ruptura. La tensió va caure bruscament a 0 V, i es va escoltar un so anòmal bastant fort a la subestació, interrompent la prova. Després de prendre mesures de seguretat, es va mesurar la resistència a la terra del circuit principal de la fase C-1M a 400 MΩ, i la resta a 200 GΩ. Es va determinar que hi havia un defecte en un cert dispositiu portat per la fase C-1M. La configuració de la prova de resistència a la tensió i l'àrea anòmala es mostren a la Figura 1. La part fosquejada a la figura indica l'àmbit d'aplicació de la tensió.
Es pot veure a la Figura 1 que l'àmbit d'aplicació de la tensió inclou: 6 interrumpidors portats pel bus 1M, 6 interruptors de bus, 2 interruptors laterals de línia, 5 conjunts de embocaments aèris, 1 interruptor de bus del PT portat per 1M, i 6 interruptors de bus de 2M. El punt d'aplicació de la tensió es va establir a l'ascensor de la línia d'entrada del Transformador Principal Núm. 2 a l'exterior.
Procés de Cerca de Punts Anòmals
El GIS té una estructura totalment tancada, amb múltiples components independents formant un tot integrat. L'equip associat a 1M té 83 compartiments de gas independents, cosa que fa que sigui bastant difícil localitzar punts anòmals. Després d'investigar, es va adoptar un mètode d'eliminació punt a punt per reduir l'àmbit de l'equip anòmal.
Degut a la estructura totalment tancada del GIS, només es pot mesurar l'aïllament a les parts exposades, i els punts de mesura de l'aïllament estan tots a les bases d'ascensor d'15 metres d'alçada a l'exterior. Quan es mesura l'aïllament, hi ha nombrosos factors restrictius. Per exemple, el personal necessita utilitzar una grua per entrar i eixir, es necessiten eines de comunicació per contactar, i els cables de prova han de canviar constantment durant la mesura. A través de l'anàlisi, es va trobar que tancar l'interruptor de desconnectació associat a 1M i eliminar la cinta de terra secundària del PT facilitaria molt utilitzar el PT com a punt de mesura d'aïllament, permetent als inspectors comunicar-se en temps real sense depenre d'eines de comunicació.
S'han obert tots els interruptors de desconnectació connectats al GIS 1M, i s'han tancat tots els interrumpidors. A continuació, començant per l'interval al punt d'aplicació de la tensió, s'han tancat un per un els interruptors de desconnectació connectats a 1M (exclòs l'interruptor de desconnectació VT de 1M), i s'ha mesurat l'aïllament cada vegada que s'ha tancat un interruptor de desconnectació. Finalment, a l'interval de línia de sortida 5W11 del bus C-1M, s'ha mesurat l'aïllament del circuit principal a 400 MΩ. Obrint més endavant l'interruptor d'aquest interval, el punt anòmal finalment s'ha determinat que estava a l'àrea des de l'interruptor lateral de línia d'aquest interruptor fins al embocament GIS exterior.
L'àrea anòmala de la Figura 1 va ser aïllada, i es va realitzar una segona aplicació de tensió a les parts no anòmals segons el procediment de prova de resistència a la tensió d'aïllament principal. Els resultats van mostrar conformitat. Es van realitzar proves de resistència a la tensió de freqüència industrial a l'equip restant, i totes van passar satisfactòriament.
Tractament de Punts Anòmals
Hi havia 5 compartiments de gas independents a l'àrea anòmala. Per localitzar amb precisió el punt anòmal, era necessari obrir cada compartiment de gas un per un per inspecció.Com que el gas SF₆ dins del GIS es va tornar tòxic després de la prova, el 12 de desembre de 2022, després de recuperar el gas i desmuntar l'equip per inspecció, es va descobrir que l'aïllador de suport del bus trifurcat a la secció inferior del bus vertical al compartiment de gas 02-5 del bus C-1M estava fracturat. El conductor del bus, la carcassa i els aïlladors adjacents tots compleïen els requisits tècnics del producte.
El fabricant va substituir l'aïllador anòmal el 13 de desembre, va reinstal·lar el bus, i va completar el tractament del gas, la detecció de fugues, la mesura d'humitat i la mesura de la resistència del circuit principal. Un cop els resultats van resultar qualificats, el 14 de desembre, es va realitzar una nova prova de resistència a la tensió de freqüència industrial utilitzant el mètode de connexió de prova mencionat anteriorment i seguient el procediment de prova de resistència a la tensió d'aïllament del circuit principal. Els resultats de la prova van ser qualificats (592 kV mantenint-se durant 1 minut).
Anàlisi de les Causes de la Fractura de l'Aïllador de Suport
Hi ha un total de 145 aïlladors de suport en el GIS. Que la fractura de l'aïllador de suport sigui un cas aïllat o part d'un problema generalitzat és crucial per a la comissió segura i fiable de la subestació elevadora. Per tant, per identificar la causa arrel de la fractura de l'aïllador defectuós, s'han realitzat investigacions des de diversos punts de vista.
Inspecció de la Qualitat de la Montatge In Situ del Bus
El bus CX1-1C (número de fàbrica, el mateix a continuació) es va montar in situ el 3 de desembre de 2022. Durante el procés de montatge, el representant in situ del fabricant va verificar cada element contra la "Targeta d'Operació de Confirmació de Connexió In Situ". El propietari i el supervisor van atestiguar el procés conjuntament, i el montatge només podia procedir després que les tres parts haguessin completat les formalitats de signatura. Després de completar el montatge, es van realitzar proves de verificació in situ com ara el contingut d'humitat del gas, la detecció de fugues i la resistència del circuit. Això pràcticament exclou la possibilitat que la fractura de l'aïllador fos causada per la qualitat, el procés o altres factors de la montatge in situ.
Inspecció de la Conformitat del Material dels Aïlladors de Suport del Bus
L'aïllador de suport fracturat té un número de sortida de fàbrica Z220704-1G1, que va ser fabricat per una filial de la companyia fabricant el juliol de 2022. Abans de marxar de la fàbrica, aquest aïllador de suport va passar per inspeccions i proves incloent la inspecció visual, la mesura dimensional, la prova de temperatura de vitrificació, la detecció de defectes per raigs X i la prova elèctrica, totes les quals van resultar conformes.
Els informes d'inspecció de sortida de fàbrica i els registres d'inspecció d'entrada dels aïlladors indiquen que tant els resultats de sortida de fàbrica com els d'inspecció d'entrada compleïen els requisits.
Inspecció de l'Històric de Fabricació del Bus
Una consulta sobre l'historial d'ensamblatge de l'unitat de bus CX1-1C mostra que el fabricant va iniciar la producció i l'ensamblatge el 20 de setembre de 2022, i va completar el treball el 12 d'octubre de 2022. Els registres de la taula d'historial d'ensamblatge indiquen que tant els processos internes com externs compleïen els requisits tècnics i els estàndards de procés especificats en els plans, sense trobar anomàlies. Per tant, es pot excluir que els processos llistats en la taula d'historial de fabricació causaren la fractura de l'aïllador de suport.
Inspecció de les Proves de Sortida de Fàbrica del Bus
El bus CX1-1C va passar proves d'impuls de llamp, resistència a la tensió de freqüència industrial i descàrrega parcial a la fàbrica del fabricant el 6 d'octubre de 2022, totes les quals van ser superades en el primer intent, i els resultats de les proves van ser conformes. Això indica que el bus i els aïlladors eren normals quan van marxar de la fàbrica.
Inspecció dels Aïlladors de Suport Anòmals
S'han realitzat inspeccions des de diversos punts de vista com la naturalesa del fal·ler dels aïlladors de suport anòmals i les proves de verificació (incloent la inspecció dimensional, la detecció de defectes, l'anàlisi del material, etc.).
Naturalesa del Fal·ler
L'anàlisi de la ruta de descàrrega superficial d'aquest aïllador mostra que hi ha una aparició de danys transversals a la part aïllant entre l'electrode d'alta tensió i l'electrode de baixa tensió. Generalment, el danys transversals d'un aïllador ocorren degut a la presència de certs defectes interns a la part aïllant, o degut a tensions mecàniques addicionals, que causen fissures interiors a la part aïllant, i després ocorre una ruptura transversal a través de les fissures.
Proves de Verificació
Re-inspecció dimensional. La re-inspecció dimensional de l'aïllador de suport anòmal va ser conforma. Els resultats de la re-inspecció es mostren a la Taula 1.
Detecció de defectes per raigs X. S'ha realitzat una detecció de defectes per raigs X a l'aïllador de suport anòmal, i no s'han trobat defectes externs a excepció de les fisures de ruptura.Re-inspecció del material de resina. S'han pres mostres de les peces anòmales per a una re-inspecció de la densitat, la taxa de contingut de reompliment i la temperatura de transició vítrea, i els resultats van ser conformes. Els resultats de la detecció del material de resina es mostren a la Taula 2.
Re-inspecció de la interfície de colla de la resina a l'electrode. S'ha tallat l'àrea no descarregada de l'aïllador, i s'ha teñit la superfície de colla de metall a resina de l'aïllador per a la detecció de defectes. Excepte la penetració lleugera de l'agent de coloració a la fractura, la resta de l'àrea era normal, provant que no hi havia defectes interns a la resina i que la resina estava ben collada a l'electrode.
Re-inspecció de la fusió de la resina. Després de fonre la resina de l'aïllador de suport anòmal a alta temperatura, s'ha re-inspectat l'electrode. Hi havia una deformació anòmala local en la posició del punt de descàrrega a la superfície arcuada de l'electrode d'alta tensió. En conclusió, durant el procés de fabricació de l'aïllador de suport, una operació incorrecta va causar una deformació anòmala de la superfície arcuada de l'electrode d'alta tensió. Com que la deformació era lleugera, els operadors no van detectar-la a temps, permetent que les peces defectuoses entrassin al procés següent i finalment conduint a la col·lada de l'aïllador.
Aquest fal·ler va ser causat per una operació no estàndard dels operadors, que va causar una deformació anòmala de l'electrode i posteriorment la fractura de l'aïllador. L'estructura d'aquest aïllador de suport és una estructura d'aïllament que el fabricant ha estat utilitzant. Des de 2003, s'han fabricat més de 36.000 aïlladors que estan funcionant de manera fiable en el camp. Per tant, la fractura d'aquest aïllador de suport és un cas aïllat.
Verificació per Simulació
Per raons de seguretat, s'ha realitzat una verificació per simulació en el bus amb aquesta estructura d'aïllador.Aplicació de tensió: El conductor central i l'electrode d'alta tensió de l'aïllador estan a 1675 kV, mentre que la carcassa, la base de suport i l'electrode de baixa tensió de l'aïllador estan a 0 potencial.
Criteris de valuació: Sota la pressió mínima funcional de gas de 0,45 MPa, la intensitat de camp elèctric de flama superficial de l'aïllador no hauria de superar els 12 kV/mm, i la intensitat de camp elèctric de l'electrode d'alta tensió de l'aïllador no hauria de superar els 50 kV/mm.
Els resultats de la simulació mostren que la intensitat de camp elèctric de flama superficial màxima de l'aïllador és de 10,5 kV/mm, que és menor que 12 kV/mm, i el resultat és conforma. La intensitat de camp elèctric màxima a la superfície de l'electrode d'alta tensió és de 21,2 kV/mm. Convertit a la condició d'una tensió de freqüència industrial de 318 kV, la intensitat de camp elèctric màxima és de 40,2 kV/cm, que és menor que 50 kV/cm, i el resultat també és conforma.
El GIS de 550 kV de la subestació elevadora de 500 kV va ser energitzat amb èxit per primera vegada el 28 de desembre de 2022. La Unitat 2 va ser connectada a la xarxa per primera vegada el 29 de novembre de 2023. Tot l'equip de la subestació ha resistit la prova de pressió i està funcionant normalment.
Conclusió
Per a l'equip d'alta tensió important de 110 kV i superior, és necessari seguir estrictament els requisits rellevants de DL/T 586—2008 "Directrius Tècniques per a la Supervisió de la Fabricació d'Equip Electrònic" per a reforçar la supervisió basada en la fàbrica de l'equip i controlar la qualitat de fabricació de l'equip des de la font. Els fabricants de GIS han de millorar la consciència de control de qualitat, revisar exhaustivament els punts de risc relacionats amb la qualitat en cada post, i millorar documents com les especificacions d'operació, els estàndards d'operació i els procediments d'operació per a l'ensamblatge del producte a tots els nivells de tensió. S'ha de realitzar un control integral sobre enllaços com la compra de components, el disseny del producte, la tecnologia de processament de components, la inspecció d'entrada, l'ensamblatge del producte, les proves i la instal·lació in situ per assegurar la seguretat, l'estabilitat i la fiabilitat dels productes.
