Análisis y manejo de anomalías en la prueba de tensión de 550 kV GIS
El equipo de conmutación metálico aislado por gas (GIS) es un dispositivo de conmutación compuesto por aparatos de conmutación como interruptores (GCB), seccionadores (DS), interruptores de tierra (ES), así como unidades como transformadores de tensión, transformadores de corriente, pararrayos y barras colectoras cerradas. Todos los componentes de alto potencial están colocados dentro de una carcasa metálica cerrada y conectada a tierra, que está llena de gas SF₆, con excelentes propiedades aislantes y de extinción del arco, como medio aislante. El GIS se caracteriza por su estructura compacta, pequeño espacio ocupado, bajos requisitos de mantenimiento, fácil instalación, buen rendimiento de interrupción y ausencia de interferencias, y se utiliza cada vez más en sistemas de energía eléctrica.
El GIS de 550 kV en una subestación elevadora de 500 kV de cierta empresa adopta una estructura de disposición de doble barra, con 2 líneas de entrada de transformador principal, 1 línea de entrada de transformador de arranque y reserva, 2 líneas de salida y 1 interconexión de barras, totalizando 6 interruptores. Cada uno de 1M y 2M está equipado con 1 bahía PT. Fue fabricado el 28 de octubre de 2022, y la montaje en sitio se completó el 10 de diciembre de 2022. Durante la prueba de resistencia de entrega, un aislador soporte experimentó un fallo anormal.
Se llevaron a cabo análisis desde aspectos como la ubicación de la anomalía, la calidad de montaje en sitio, la conformidad de materiales, el historial de fabricación en fábrica, la detección de defectos por rayos X, la disolución de resina y la simulación de campo eléctrico. Se identificó la causa de la fractura del aislador soporte, y se presentaron sugerencias para fortalecer la supervisión y el control de calidad durante el proceso de fabricación del GIS.Las pautas de prueba de resistencia y aislamiento en sitio para equipos de conmutación metálicos aislados por gas, y el plan de prueba aprobado.
Voltaje de Prueba
Se toma el 80% del valor de resistencia al voltaje de frecuencia de red de corta duración nominal de 740 kV especificado por el fabricante, que es 592 kV, con una duración de 1 minuto.
Condiciones que Debe Cumplir el Equipo Probado
Método y Criterios de Prueba
El voltaje de prueba para el GIS probado debe aumentar desde 0 V hasta 318 kV primero, mantenerse por 5 minutos, luego aumentar a 473 kV y mantenerse por 3 minutos. Finalmente, el voltaje de prueba se incrementa al valor nominal de resistencia al voltaje de 592 kV y se mantiene por 1 minuto. Si no hay falla, se considera apto.
Búsqueda y Manejo de Puntos Anormales
Resumen de la Anomalía de Falla
A las 14:03 del 11 de diciembre de 2022, se realizó una prueba de resistencia de aislamiento de entrega en el circuito principal del GIS de 550 kV en la subestación en el lugar de construcción. Al probar las fases B y C, el voltaje se incrementó a 318 kV y se mantuvo por 5 minutos, pasando la prueba. Cuando el voltaje se incrementó a 473 kV y se mantuvo por 2 minutos, ocurrió una falla. El voltaje cayó repentinamente a 0 V, y se escuchó un sonido anormalmente fuerte en la subestación, interrumpiendo la prueba. Después de tomar medidas de seguridad, se midió la resistencia a tierra del circuito principal de la fase C de 1M, resultando en 400 MΩ, y la del resto en 200 GΩ. Se determinó que había una falla en cierto dispositivo llevado por la fase C de 1M. La conexión para la prueba de resistencia y el área anormal se muestran en la Figura 1. La parte negra en la figura indica el rango de aplicación de voltaje.
Se puede observar en la Figura 1 que el rango de aplicación de voltaje incluye: 6 interruptores llevados por la barra 1M, 6 seccionadores de barra, 2 seccionadores de línea, 5 conjuntos de cubiertas aéreas, 1 seccionador de PT llevado por 1M, y 6 seccionadores de barra de 2M. El punto de aplicación de voltaje se estableció en el riser de la línea de entrada del Transformador Principal No. 2 al aire libre.
Proceso de Búsqueda de Puntos Anormales
El GIS tiene una estructura completamente cerrada, formada por múltiples componentes independientes que constituyen un conjunto integral. El equipo asociado a 1M tiene 83 compartimentos de gas independientes, lo que hace bastante desafiante localizar puntos anormales. Después de la investigación, se adoptó un método de eliminación punto por punto para reducir el alcance del equipo anormal.
Debido a la estructura completamente cerrada del GIS, el aislamiento solo se puede medir en las partes expuestas, y los puntos de medición de aislamiento están todos en los asientos de riser de 15 metros de altura al aire libre. Al medir el aislamiento, hay numerosos factores restrictivos. Por ejemplo, el personal necesita usar una grúa para subir y bajar, se requieren herramientas de comunicación para la coordinación, y se deben cambiar constantemente los cables de prueba durante la medición. A través del análisis, se encontró que cerrar el interruptor de seccionamiento PT asociado a 1M y quitar el cable de tierra secundario del PT haría muy conveniente usar el PT como punto de medición de aislamiento, permitiendo a los inspectores comunicarse en tiempo real sin depender de herramientas de comunicación.
Se abrieron todos los seccionadores conectados al GIS 1M, y se cerraron todos los interruptores. Luego, comenzando desde el intervalo en el punto de aplicación de voltaje, se cerraron uno por uno los seccionadores conectados a 1M (excepto el seccionador VT de 1M), y se midió el aislamiento cada vez que se cerraba un seccionador. Finalmente, en el intervalo de línea de salida 5W11 de la barra C de 1M, se midió el aislamiento del circuito principal en 400 MΩ. Al abrir el interruptor de este intervalo, se determinó finalmente que el punto anormal estaba en el área desde el seccionador de lado de línea de este interruptor hasta la cubierta GIS al aire libre.
Se aisló el área anormal en la Figura 1, y se aplicó un segundo voltaje a las partes no anormales según el procedimiento de prueba de resistencia de aislamiento principal. Los resultados mostraron conformidad. Se realizaron pruebas de resistencia al voltaje de frecuencia de red en el equipo restante, todas las cuales pasaron sin problemas.
Manejo de Puntos Anormales
Había 5 compartimentos de gas independientes en el área anormal. Para localizar con precisión el punto anormal, fue necesario abrir cada compartimento de gas uno por uno para inspeccionarlo.Dado que el gas SF₆ dentro del GIS se volvió tóxico después de la prueba, el 12 de diciembre de 2022, después de recuperar el gas y desmontar el equipo para inspección, se descubrió que el aislador soporte de la barra trifurcada en la sección inferior de la barra vertical en el compartimento 02-5 de la barra C de 1M estaba fracturado. El conductor de la barra, la carcasa y los aisladores adyacentes cumplían con los requisitos técnicos del producto.
El fabricante reemplazó el aislador anormal el 13 de diciembre, reinstaló la barra, y completó el tratamiento de gas, la detección de fugas, la medición de humedad y la medición de resistencia del circuito principal. Después de que los resultados se encontraron aptos, el 14 de diciembre, se realizó nuevamente una prueba de resistencia al voltaje de frecuencia de red utilizando el método de conexión de prueba mencionado anteriormente y siguiendo el procedimiento de prueba de resistencia de aislamiento del circuito principal. Los resultados de la prueba fueron aptos (592 kV mantenido por 1 minuto).
Análisis de las Causas de la Fractura del Aislador Soporte
Hay un total de 145 aisladores soporte en el GIS. Si el aislador soporte fracturado es un caso aislado o parte de un problema generalizado es crucial para la puesta en marcha segura y confiable de la subestación elevadora. Por lo tanto, para identificar la causa raíz de la fractura del aislador defectuoso, se realizan investigaciones desde los siguientes aspectos.
Inspección de la Calidad de Montaje en Sitio de la Barra
La barra CX1-1C (número de fábrica, lo mismo a continuación) se montó en sitio el 3 de diciembre de 2022. Durante el proceso de montaje, el representante en sitio del fabricante verificó cada elemento contra la "Tarjeta de Operación de Confirmación de Acoplamiento en Sitio". El propietario y el supervisor fueron testigos del proceso de manera conjunta, y el montaje solo podía proceder después de que las tres partes completaran las formalidades de firma. Después de completar el montaje, se realizaron pruebas de verificación en sitio, como contenido de humedad del gas, detección de fugas y resistencia de bucle. Esto básicamente descarta la posibilidad de que la fractura del aislador fuera causada por la calidad, el proceso y otros factores de montaje en sitio.
Inspección de la Conformidad de Material de los Aisladores Soporte de la Barra
El aislador soporte fracturado tiene un número de salida de fábrica Z220704-1G1, que fue fabricado por una filial de la empresa en julio de 2022. Antes de salir de la fábrica, este aislador soporte pasó por inspecciones y pruebas, incluyendo inspección visual, medición dimensional, prueba de temperatura de vidriado, detección de defectos por rayos X y pruebas eléctricas, todas las cuales mostraron conformidad.
Los informes de inspección de salida de fábrica y los registros de inspección de entrada de los aisladores indican que tanto los resultados de salida de fábrica como los de inspección de entrada cumplen con los requisitos.
Inspección del Historial de Fabricación de la Barra
Una consulta sobre el historial de ensamblaje de la unidad de barra CX1-1C muestra que el fabricante comenzó la producción y ensamblaje el 20 de septiembre de 2022, y completó el trabajo el 12 de octubre de 2022. Los registros en la tabla de historial de ensamblaje indican que tanto los procesos internos como externos cumplieron con los requisitos técnicos y estándares de proceso especificados en los planos, sin anomalías encontradas. Por lo tanto, se puede excluir que los procesos enumerados en la tabla de historial de fabricación causaron la fractura del aislador soporte.
Inspección de las Pruebas de Salida de Fábrica de la Barra
La barra CX1-1C pasó por pruebas de impulso de rayo, resistencia al voltaje de frecuencia de red y descarga parcial en la fábrica del fabricante el 6 de octubre de 2022, todas las cuales se aprobaron en el primer intento, y los resultados de la prueba fueron conformes. Esto indica que la barra y los aisladores eran normales cuando salieron de la fábrica.
Inspección de Aisladores Soporte Anormales
Se realizan inspecciones desde aspectos como la naturaleza del fallo de los aisladores soporte anormales y pruebas de verificación (incluyendo inspección dimensional, detección de defectos, análisis de material, etc.).
Naturaleza del Fallo
El análisis de la ruta de descarga superficial de este aislador muestra que hay una apariencia de daño a través de la parte aislante entre el electrodo de alta tensión y el electrodo de baja tensión. Generalmente, el daño a través de un aislador ocurre debido a la presencia de ciertos defectos dentro de la parte aislante, o debido a un estrés mecánico adicional, lo que causa grietas dentro de la parte aislante, y luego se produce un fallo a través de las grietas.
Pruebas de Verificación
Reinspección dimensional. La reinspección dimensional del aislador soporte anormal fue conforme. Los resultados de la reinspección se muestran en la Tabla 1.
Detección de defectos por rayos X. Se realizó una detección de defectos por rayos X en el aislador soporte anormal, y no se encontraron defectos externos además de las grietas de fractura.Reinspección del material de resina. Se tomaron muestras de las muestras anormales para una reinspección de densidad, tasa de contenido de relleno y temperatura de transición vítrea, y los resultados fueron conformes. Los resultados de detección del material de resina se muestran en la Tabla 2.
Reinspección de la interfaz de unión de resina a electrodo. Se cortó la zona no descargada del aislador, y se teñió la superficie de unión de resina a metal del aislador para la detección de defectos. Excepto por la penetración local ligera del colorante en la fractura, el resto de la zona era normal, lo que demuestra que no había defectos dentro de la resina y que la resina estaba bien unida al electrodo.
Reinspección de la fusión de resina. Después de que la resina del aislador soporte anormal se fundió a alta temperatura, se reinspeccionó el electrodo. Había una deformación anormal local en la posición del punto de descarga en la superficie arqueada del electrodo de alta tensión. En conclusión, durante el proceso de fabricación del aislador soporte, la operación inadecuada causó una deformación anormal de la superficie arqueada del electrodo de alta tensión. Dado que la deformación era menor, los operadores no detectaron a tiempo, permitiendo que componentes defectuosos ingresaran al siguiente proceso y eventualmente conduciendo a la fundición del aislador.
Este fallo fue causado por la operación no estándar de los operadores, lo que llevó a la deformación anormal del electrodo y posteriormente a la fractura del aislador. La estructura de este aislador soporte es una estructura de aislamiento que el fabricante ha estado utilizando. Desde 2003, se han fabricado más de 36,000 aisladores y están funcionando de manera confiable en el campo. Por lo tanto, la fractura de este aislador soporte es un caso aislado.
Verificación de Simulación
Por razones de seguridad, se realizó una verificación de simulación en la barra con esta estructura de aislador.Aplicación de voltaje: El conductor central y el electrodo de alta tensión del aislador están a 1675 kV, mientras que la carcasa, la base de soporte y el electrodo de baja tensión del aislador están a 0 potencial.
Criterios de juicio: Bajo la presión mínima funcional de gas de 0.45 MPa, la intensidad de campo eléctrico de descarga superficial del aislador no debe superar los 12 kV/mm, y la intensidad de campo eléctrico del electrodo de alta tensión del aislador no debe superar los 50 kV/mm.
Los resultados de la simulación muestran que la máxima intensidad de campo eléctrico de descarga superficial del aislador es de 10.5 kV/mm, lo que es menos de 12 kV/mm, y el resultado es conforme. La máxima intensidad de campo eléctrico en la superficie del electrodo de alta tensión es de 21.2 kV/mm. Convertido a la condición de un voltaje de frecuencia de red de 318 kV, la máxima intensidad de campo eléctrico es de 40.2 kV/cm, lo que es menos de 50 kV/cm, y el resultado también es conforme.
El GIS de 550 kV de la subestación elevadora de 500 kV se energizó por primera vez con éxito el 28 de diciembre de 2022. La Unidad 2 se conectó a la red por primera vez el 29 de noviembre de 2023. Todo el equipo en la subestación ha soportado la prueba de presión y está funcionando normalmente.
Conclusión
Para equipos de alta tensión importantes de 110 kV y superior, es necesario seguir estrictamente los requisitos relevantes de DL/T 586-2008 "Directrices Técnicas para la Supervisión de la Fabricación de Equipos Eléctricos" para fortalecer la supervisión basada en la fábrica de los equipos y controlar la calidad de fabricación de los equipos desde la fuente. Los fabricantes de GIS deben mejorar su conciencia de control de calidad, revisar exhaustivamente los puntos de riesgo relacionados con la calidad en cada puesto, y mejorar documentos como especificaciones de operación, estándares de operación y procedimientos de operación para el ensamblaje de productos en todos los niveles de tensión. Se debe ejercer un control integral sobre los eslabones como la adquisición de componentes, el diseño del producto, la tecnología de procesamiento de componentes, la inspección de entrada, el ensamblaje del producto, las pruebas y la instalación en sitio para garantizar la seguridad, estabilidad y confiabilidad de los productos.
