Analyse und Behandlung von Abnormalitäten bei 550 kV GIS Spannungsstandfestigkeitsprüfungen
Gasisolierende Metallumhüllte Schaltanlage (GIS) ist ein Schaltelement, das aus Schaltausrüstungen wie Leistungsschaltern (GCB), Trennschaltern (DS), Erdungsschaltern (ES) sowie Einheiten wie Spannungswandlern, Stromwandler, Überspannungsschutzgeräten und geschlossenen Busleitern besteht. Hochspannungs-Komponenten sind alle in einem geerdeten, geschlossenen metallischen Gehäuse untergebracht, das mit SF₆-Gas, das ausgezeichnete Isolier- und Bögenlösch-Eigenschaften aufweist, als Isoliermedium gefüllt ist. GIS zeichnet sich durch eine kompakte Struktur, geringen Platzbedarf, niedrige Wartungsanforderungen, einfache Installation, gute Unterbrecherleistung und keine Störungen aus und wird zunehmend in Energiesystemen eingesetzt.
Die 550 kV GIS in einer 500 kV Umspannstation eines bestimmten Unternehmens verwendet eine Doppelbus-Schaltanordnung, mit 2 Haupttransformator-Zuleitungen, 1 Start- und Ersatztransformator-Zuleitung, 2 Ausgangsleitungen und 1 Buskoppler, insgesamt 6 Leistungsschalter. Jeder von 1M und 2M verfügt über 1 PT-Bay. Sie wurde am 28. Oktober 2022 hergestellt und die Montage vor Ort wurde am 10. Dezember 2022 abgeschlossen. Während des Übernahmetests zur Spannungsfestigkeit kam es zu einem ungewöhnlichen Durchschlag an einem Trägerisolator.
Analysen wurden hinsichtlich der Lage des Anomalies, der Qualität der Vor-Ort-Montage, der Materialkonformität, der Fabrikherstellungshistorie, Röntgenfehlererkennung, Harzlösung und elektrischer Feldsimulation durchgeführt. Die Ursache für den Bruch des Trägerisolators wurde identifiziert und Vorschläge zur Stärkung der Aufsicht und Qualitätskontrolle während des GIS-Herstellungsprozesses vorgelegt.Die Richtlinien für den Spannungs- und Isolationstest vor Ort für gasisolierende Metallschaltanlagen und der genehmigte Testplan.
Prüfspannung
Es wird 80 % des vom Hersteller festgelegten Nennwertes der kurzzeitigen Wechselstrom-Spannungsfestigkeit von 740 kV gewählt, was 592 kV entspricht, mit einer Dauer von 1 Minute.
Bedingungen, die die getestete Ausrüstung erfüllen sollte
Testmethode und Kriterien
Die Prüfspannung der getesteten GIS sollte zunächst von 0 V auf 318 kV erhöht, 5 Minuten gehalten, dann auf 473 kV erhöht und 3 Minuten gehalten werden. Schließlich wird die Prüfspannung auf den Nennwert der Spannungsfestigkeit von 592 kV erhöht und 1 Minute gehalten. Wenn kein Durchschlag auftritt, gilt sie als qualifiziert.
Suche und Behandlung von Anomalien
Überblick über die Durchschlagsanomalie
Am 11. Dezember 2022 um 14:03 Uhr wurde ein Isolationstest der Hauptschaltung auf der 550 kV GIS in der Umspannstation am Bauplatz durchgeführt. Bei der Prüfung der Phasen B und C wurde die Spannung auf 318 kV erhöht und 5 Minuten gehalten, der Test war erfolgreich. Als die Spannung auf 473 kV erhöht und 2 Minuten gehalten wurde, trat ein Durchschlag auf. Die Spannung fiel plötzlich auf 0 V, und ein relativ lautes ungewöhnliches Geräusch wurde in der Umspannstation gehört, der Test wurde unterbrochen. Nachdem Sicherheitsmaßnahmen ergriffen wurden, wurde der Isolationswiderstand zum Erdboden der 1M - C-Phase-Hauptschaltung auf 400 MΩ gemessen, und der Rest auf 200 GΩ. Es wurde festgestellt, dass ein Fehler in einem Gerät, das von der 1M - C-Phase getragen wird, vorhanden war. Die Verkabelung für den Spannungsfestigkeitstest und der anomale Bereich sind in Abbildung 1 dargestellt. Der schwarz markierte Bereich im Bild zeigt den Spannungsanwendungsbereich.
Aus Abbildung 1 geht hervor, dass der Spannungsanwendungsbereich folgende Elemente umfasst: 6 Leistungsschalter, die vom Bus 1M getragen werden, 6 Bustrennschalter, 2 Linien-Trennschalter, 5 Sätze von Luftbushingen, 1 Bustrennschalter des PT, der von 1M getragen wird, und 6 Bustrennschalter von 2M. Der Spannungsanwendungs-Punkt wurde am Aufsteiger der Zuleitung des Haupttransformators Nr. 2 im Freien gesetzt.
Prozess der Suche nach Anomalien
Die GIS hat eine vollständig geschlossene Struktur, bei der mehrere unabhängige Komponenten ein integriertes Ganzes bilden. Die Ausrüstung, die mit 1M verbunden ist, hat 83 unabhängige Gasabteilungen, was die Lokalisierung von Anomalien recht schwierig macht. Nach eingehender Untersuchung wurde eine Punkt-für-Punkt-Ausschlussmethode angewendet, um den Umfang der anomalen Ausrüstung einzuschränken.
Aufgrund der vollständig geschlossenen Struktur der GIS kann die Isolation nur an den sichtbaren Teilen gemessen werden, und die Messpunkte der Isolation befinden sich alle auf den 15 Meter hohen Aufsteigerplätzen im Freien. Beim Messen der Isolation gibt es zahlreiche einschränkende Faktoren. Zum Beispiel müssen die Mitarbeiter einen Kran verwenden, um auf- und abzusteigen, Kommunikationsmittel sind erforderlich, und die Prüffühler müssen ständig während der Messung gewechselt werden. Durch Analyse stellte man fest, dass das Schließen des PT-Trennschalters, der mit 1M verbunden ist, und das Entfernen des sekundären Erdungsleiters des PT es sehr bequem machen, den PT als Isolationsmesspunkt zu verwenden, wodurch Inspektoren in Echtzeit kommunizieren können, ohne auf Kommunikationsmittel angewiesen zu sein.
Alle Trennschalter, die an die GIS 1M angeschlossen sind, wurden geöffnet, und alle Leistungsschalter wurden geschlossen. Dann, beginnend beim Intervall am Spannungsanwendungs-Punkt, wurden die Trennschalter, die an 1M angeschlossen sind (mit Ausnahme des 1M VT-Trennschalters), nacheinander geschlossen, und jedes Mal, wenn ein Trennschalter geschlossen wurde, wurde die Isolation gemessen. Letztendlich wurde in der Ausgangsleitung 5W11 des 1M - C-Busses die Isolation der Hauptschaltung auf 400 MΩ gemessen. Durch das weitere Öffnen des Leistungsschalters dieses Intervalls wurde der anomale Punkt schließlich in dem Bereich bestimmt, der vom linienseitigen Trennschalter dieses Leistungsschalters bis zum Freiluft-GIS-Bushing reicht.
Der anomale Bereich in Abbildung 1 wurde isoliert, und eine zweite Spannungsanwendung wurde auf den nicht-anomalen Bereichen gemäß dem Haupt-Isolationstestverfahren durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten Konformität. Wechselstrom-Spannungsfestigkeitstests wurden an der restlichen Ausrüstung durchgeführt, alle verliefen problemlos.
Behandlung von Anomalien
Es gab 5 unabhängige Gasabteilungen im anomalen Bereich. Um den anomalen Punkt genau zu lokalisieren, musste jede Gasabteilung einzeln geöffnet und untersucht werden.Da das SF₆-Gas innerhalb der GIS nach dem Test giftig wurde, wurde am 12. Dezember 2022, nachdem das Gas zurückgewonnen und die Ausrüstung demontiert wurde, festgestellt, dass der Trägerisolator des Dreiweg-Busses im unteren Abschnitt des vertikalen Busses in der 02-5-Gasabteilung des 1M - C-Busses gebrochen war. Der Busleiter, das Gehäuse und die benachbarten Isolatoren entsprachen alle den Produktnormen.
Der Hersteller ersetzte den anomalen Isolator am 13. Dezember, installierte den Busleiter neu und führte die Gasbehandlung, Leckprüfung, Feuchtigkeitsmessung und Widerstandsmessung der Hauptschaltung durch. Nachdem die Ergebnisse als qualifiziert befunden wurden, wurde am 14. Dezember erneut ein Wechselstrom-Spannungsfestigkeitstest unter Verwendung der oben erwähnten Testverkabelung und gemäß dem Haupt-Isolationstestverfahren durchgeführt. Die Testergebnisse waren qualifiziert (592 kV, 1 Minute gehalten).
Analyse der Ursachen für den Bruch des Trägerisolators
In der GIS gibt es insgesamt 145 Trägerisolatoren. Ob der gebrochene Trägerisolator ein isolierter Fall oder Teil eines breiteren Problems ist, ist entscheidend für die sichere und zuverlässige Inbetriebnahme der Umspannstation. Daher werden Untersuchungen in den folgenden Bereichen durchgeführt, um die Wurzelursache für den Bruch des defekten Isolators zu identifizieren.
Prüfung der Qualität der Vor-Ort-Montage des Busses
Der CX1-1C-Bus (Fabriknummer, siehe unten) wurde am 3. Dezember 2022 vor Ort montiert. Während des Montageprozesses überprüfte der Vertreter des Herstellers vor Ort jeden Punkt gegen die "Operation Item Card for On-site Docking Confirmation". Der Besitzer und der Aufsichtsrat waren gemeinsam Zeugen des Prozesses, und die Montage konnte erst nach der Unterzeichnung durch alle drei Parteien fortgesetzt werden. Nach Abschluss der Montage wurden vor Ort Prüfungen wie Feuchtigkeitsgehalt des Gases, Leckprüfung und Schleifenwiderstand durchgeführt. Dies schließt grundsätzlich die Möglichkeit aus, dass der Bruch des Isolators durch die Qualität der Vor-Ort-Montage, den Prozess oder andere Faktoren verursacht wurde.
Prüfung der Materialkonformität der Trägerisolatoren für Bussysteme
Der gebrochene Trägerisolator hat die Fabriknummer Z220704-1G1 und wurde im Juli 2022 von einer Tochtergesellschaft des Herstellers hergestellt. Vor dem Verlassen der Fabrik wurde dieser Trägerisolator auf optische Prüfung, Maßprüfung, Glasübergangstemperaturprüfung, Röntgenfehlererkennung und elektrische Prüfung unterzogen, und alle Prüfungen ergaben Konformität.
Die Fabrikausgangsprüfberichte und die Eingangsprüfprotokolle der Isolatoren zeigen, dass sowohl die Fabrikausgangsprüfungen als auch die Eingangsprüfungen den Anforderungen entsprechen.
Prüfung der Herstellungsgeschichte des Busses
Eine Abfrage der Montagegeschichte der CX1-1C-Bus-Einheit ergab, dass der Hersteller die Produktion und Montage am 20. September 2022 begann und die Arbeit am 12. Oktober 2022 abschloss. Die Aufzeichnungen in der Montagehistorietabelle deuten darauf hin, dass sowohl die interne als auch externe Montageprozesse den technischen Anforderungen und Prozessstandards in den Zeichnungen entsprachen, ohne dass Anomalien festgestellt wurden. Daher kann ausgeschlossen werden, dass die in der Herstellungshistorietabelle aufgeführten Prozesse den Bruch des Trägerisolators verursacht haben.
Prüfung der Fabrikausgangstests des Busses
Der CX1-1C-Bus wurde am 6. Oktober 2022 in der Fabrik des Herstellers auf Blitzimpuls, Wechselstrom-Spannungsfestigkeit und partielle Entladung geprüft, alle Tests wurden beim ersten Versuch bestanden und die Testergebnisse waren qualifiziert. Dies deutet darauf hin, dass der Bus und die Isolatoren beim Verlassen der Fabrik normal waren.
Prüfung der anomalen Trägerisolatoren
Prüfungen werden hinsichtlich der Art des Versagens der anomalen Trägerisolatoren und Bestätigungsprüfungen (einschließlich Maßprüfung, Fehlererkennung, Materialanalyse usw.) durchgeführt.
Art des Versagens
Die Analyse des Oberflächenentladungspfads dieses Isolators zeigt, dass es einen Durchschlag in der isolierenden Teil zwischen dem Hochspannungselektroden und der Niederspannungselektrode gibt. Im Allgemeinen tritt ein Durchschlag eines Isolators aufgrund bestimmter Defekte im Inneren des isolierenden Teils oder aufgrund zusätzlicher mechanischer Spannungen auf, die Risse im Inneren des isolierenden Teils verursachen, und dann erfolgt ein Durchschlag entlang der Risse.
Bestätigungsprüfungen
Neue Maßprüfung. Die neue Maßprüfung des anomalen Trägerisolators war qualifiziert. Die Ergebnisse der Neuprüfung sind in Tabelle 1 dargestellt.
Röntgenfehlererkennung. Eine Röntgenfehlererkennung wurde am anomalen Trägerisolator durchgeführt, und es wurden keine externen Defekte außer den Bruchrissen festgestellt.Neuprüfung des Harzmaterials. Proben wurden von den anomalen Proben entnommen, um Dichte, Füllstoffgehalt und Glasklarübergangstemperatur zu prüfen, und die Ergebnisse waren qualifiziert. Die Ergebnisse der Harzmaterialprüfung sind in Tabelle 2 dargestellt.
Neuprüfung der Harz-Elektroden-Bindungsfläche. Der nicht entladene Bereich des Isolators wurde zugeschnitten, und die Harz-Metall-Bindungsfläche des Isolators wurde für die Fehlererkennung gefärbt. Außer der lokalen leichten Penetration des Farbstoffes an der Bruchstelle war der Rest des Bereichs normal, was beweist, dass es keine Defekte im Inneren des Harzes gab und dass das Harz gut an der Elektrode haftete.
Neuprüfung des Harzschmelzens. Nachdem das Harz des anomalen Trägerisolators bei hoher Temperatur geschmolzen wurde, wurde die Elektrode erneut geprüft. Es gab lokale anomale Verformungen an der Position des Entladungspunktes auf der Bogenförmigen Oberfläche der Hochspannungselektrode. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Herstellungsprozess des Trägerisolators unrichtiges Vorgehen zu anomaler Verformung der Bogenförmigen Oberfläche der Hochspannungselektrode führte. Da die Verformung geringfügig war, konnten die Bediener sie nicht rechtzeitig erkennen, sodass fehlerhafte Komponenten in den nächsten Prozess gelangten und letztendlich der Isolator gegossen wurde.
Dieses Versagen wurde durch nicht-standardisierte Handhabung der Bediener verursacht, was zu anomaler Verformung der Elektrode und anschließendem Bruch des Isolators führte. Die Struktur dieses Trägerisolators ist eine Isolationsstruktur, die der Hersteller seit langem verwendet. Seit 2003 wurden mehr als 36.000 Isolatoren hergestellt und arbeiten zuverlässig im Feld. Daher ist der Bruch dieses Trägerisolators ein isolierter Fall.
Simulationsbestätigung
Aus Sicherheitsgründen wurde eine Simulationsbestätigung für den Bus mit dieser Isolatorstruktur durchgeführt.Spannungsanwendung: Der zentrale Leiter und die Hochspannungselektrode des Isolators sind bei 1675 kV, während das Gehäuse, der Trägersockel und die Niederspannungselektrode des Isolators bei 0 Potential sind.
Beurteilungskriterien: Bei einem minimalen Funktionsgasdruck von 0,45 MPa sollte die Oberflächenentladungsspannungsdichte des Isolators nicht 12 kV/mm überschreiten, und die Spannungsdichte der Hochspannungselektrode des Isolators sollte nicht 50 kV/mm überschreiten.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Oberflächenentladungsspannungsdichte des Isolators 10,5 kV/mm beträgt, was weniger als 12 kV/mm ist, und das Ergebnis qualifiziert ist. Die maximale Spannungsdichte auf der Oberfläche der Hochspannungselektrode beträgt 21,2 kV/mm. Umgerechnet auf eine Wechselspannung von 318 kV beträgt die maximale Spannungsdichte 40,2 kV/cm, was weniger als 50 kV/cm ist, und das Ergebnis ist ebenfalls qualifiziert.
Die 550 kV GIS der 500 kV Umspannstation wurde am 28. Dezember 2022 erstmals erfolgreich energisiert. Block 2 wurde am 29. November 2023 erstmals ans Netz angeschlossen. Alle Geräte in der Umspannstation haben den Drucktest bestanden und arbeiten normal.
Fazit
Für wichtige Hochspannungsausrüstungen von 110 kV und darüber hinaus ist es notwendig, den relevanten Anforderungen der DL/T 586-2008 "Technische Richtlinien für die Überwachung der Herstellung von Energieausrüstungen" streng zu folgen, um die fabrikbasierte Überwachung der Ausrüstung zu stärken und die Herstellungsqualität der Ausrüstung an der Quelle zu kontrollieren. GIS-Hersteller müssen ihr Qualitätsbewusstsein stärken, die qualitätsbezogenen Risikopunkte an jedem Posten umfassend sortieren und Dokumente wie Betriebsvorschriften, Arbeitsnormen und Arbeitsanweisungen für die Produktmontage aller Spannungsniveaus verbessern. Es sollte eine umfassende Kontrolle über Verbindungsstücke wie Komponentenbeschaffung, Produktdesign, Komponentenbearbeitungstechnologie, Eingangsprüfung, Produktmontage, Prüfung und vor-Ort-Installation durchgeführt werden, um die Sicherheit, Stabilität und Zuverlässigkeit der Produkte zu gewährleisten.
