تحلیل و رسیدگیری ناهماهنگی‌های آزمون تحمل ولتاژ 550 کیلوولت GIS

گاز-ایزوله شده تجهیزات مسقف فلزی (GIS) دستگاه کنترلی است که از دستگاه‌های برشی مانند برش‌کننده‌های گازی (GCB)، جداکننده‌ها (DS)، سوئیچ زمین‌ریز (ES) و همچنین واحد‌هایی مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ، ترانسفورماتورهای جریان، سیل آرسترها و مدارهای مسقف تشکیل شده است. اجزای با پتانسیل بالا همه در داخل یک پوشش فلزی مسقف زمین‌شده قرار دارند که با SF₆ گاز با خواص عایق‌بندی و خاموش‌کننده‌ی قوس بسیار خوب پر شده است. GIS دارای ساختار فشرده، حجم کوچک، نیاز به نگهداری کم، نصب آسان، عملکرد قطع مناسب و عدم تداخل است و به طور روزافزون در سیستم‌های برق استفاده می‌شود.

GIS 550 kV در یک زیرстанسیون 500 kV افزایش دهنده یک شرکت خاص از ساختار تغذیه دو مادربرق استفاده می‌کند، با 2 خط تغذیه ترانسفورماتور اصلی، 1 خط تغذیه ترانسفورماتور شروع و پشتیبان، 2 خط خروجی و 1 مادربرق‌پیوند، در مجموع 6 برش‌کننده. هر یک از 1M و 2M با یک بای PT مجهز شده است. این تجهیزات در 28 اکتبر 2022 تولید شد و تا 10 دسامبر 2022 مونتاژ محلی آنها تکمیل شد. در طی آزمون تحمل ولتاژ تحویل، یک عایق‌کننده پشتیبان تخریب غیرعادی را تجربه کرد.

تحلیل‌ها از جنبه‌هایی مانند مکان ناهماهنگی، کیفیت مونتاژ محلی، انطباق مواد، تاریخچه ساخت کارخانه، آشکارسازی عیب با اشعه ایکس، حل رزین و شبیه‌سازی میدان الکتریکی انجام شد. علت شکست عایق‌کننده پشتیبان شناسایی شد و پیشنهاداتی برای تقویت نظارت و کنترل کیفیت در فرآیند ساخت GIS ارائه شد.راهنمای تحمل ولتاژ و آزمون عایق‌بندی محلی برای تجهیزات مسقف فلزی گاز-ایزوله شده و برنامه آزمون تأیید شده.

ولتاژ آزمون

80٪ از مقدار تحمل ولتاژ فرکانس توانی کوتاه‌مدت 740 kV مشخص شده توسط سازنده در نظر گرفته می‌شود، که 592 kV است، با مدت 1 دقیقه.

شرایطی که تجهیزات آزمون‌شده باید رعایت کنند

• فشار گاز SF₆ در تمامی بخش‌های GIS آزمون‌شده باید در فشار اسمی باشد.

• همه سوئیچ‌های زمین‌ریز GIS آزمون‌شده باید در وضعیت باز باشند؛ به جز اینکه 1M و 2M PT خارج شده (باز شده) و زمین شده باشند، همه تجهیزات آزمون‌شده باید در وضعیت بسته باشند.

• سیم‌های اصلی ورودی و خروجی سه‌فاز GIS آزمون‌شده باید خارج شوند، فاصله ایمنی کافی حفظ شود و به صورت قابل اعتماد زمین شود.

• سیم‌پیچ‌های ثانویه CT‌های GIS آزمون‌شده باید کوتاه شده و به صورت قابل اعتماد زمین شود.

روش و معیارهای آزمون

ولتاژ آزمون GIS آزمون‌شده باید ابتدا از 0 V به 318 kV افزایش یابد، 5 دقیقه نگه داشته شود، سپس به 473 kV افزایش یابد و 3 دقیقه نگه داشته شود. در نهایت، ولتاژ آزمون به مقدار تحمل ولتاژ اسمی 592 kV افزایش یافته و 1 دقیقه نگه داشته می‌شود. اگر بدون شکست باشد، معتبر محسوب می‌شود.

جستجوی و رسیدگی به نقاط ناهماهنگ
نظربالی شکست

در ساعت 14:03 در 11 دسامبر 2022، آزمون تحمل ولتاژ عایق‌بندی دستگاه اصلی بر روی GIS 550 kV در زیرستانسیون محل ساخت انجام شد. در هنگام آزمون فاز‌های B و C، ولتاژ به 318 kV افزایش یافت و 5 دقیقه نگه داشته شد، آزمون گذر کرد. وقتی ولتاژ به 473 kV افزایش یافت و 2 دقیقه نگه داشته شد، شکست رخ داد. ولتاژ به طور ناگهانی به 0 V کاهش یافت و صدای ناهماهنگی نسبتاً بلندی در زیرستانسیون شنیده شد که آزمون متوقف شد. پس از اتخاذ اقدامات ایمنی، مقاومت عایق‌بندی 1M - فاز C به زمین اندازه‌گیری شد که 400 MΩ بود و بخش باقی‌مانده 200 GΩ. تعیین شد که در دستگاهی که توسط 1M - فاز C حمل می‌شود، خرابی وجود دارد. سیم‌بندی برای آزمون تحمل ولتاژ و منطقه ناهماهنگی در شکل 1 نشان داده شده است. بخش سیاه‌رنگ در شکل نشان‌دهنده محدوده اعمال ولتاژ است.

از شکل 1 می‌توان دید که محدوده اعمال ولتاژ شامل: 6 برش‌کننده که توسط مادربرق 1M حمل می‌شوند، 6 جداکننده مادربرق، 2 جداکننده طرف خط، 5 دسته بوشینگ هوایی، 1 جداکننده PT که توسط 1M حمل می‌شود و 6 جداکننده مادربرق 2M. نقطه اعمال ولتاژ در انتهای خط ورودی ترانسفورماتور اصلی شماره 2 خارج از ساختمان تنظیم شده است.

فرآیند جستجوی نقاط ناهماهنگ

GIS دارای ساختار کاملاً مسقف است، با اجزای مستقل متعددی که یک کل یکپارچه را تشکیل می‌دهند. تجهیزات مرتبط با 1M دارای 83 بخش گازی مستقل هستند که مکان‌یابی نقاط ناهماهنگ را نسبتاً چالش‌برانگیز می‌کند. پس از مطالعه، روش حذف تدریجی برای کاهش محدوده تجهیزات ناهماهنگ انتخاب شد.

به دلیل ساختار کاملاً مسقف GIS، عایق‌بندی فقط در بخش‌های ظاهری قابل اندازه‌گیری است و نقاط اندازه‌گیری عایق‌بندی همه در نشست‌های 15 متری خارج از ساختمان قرار دارند. در زمان اندازه‌گیری عایق‌بندی، محدودیت‌های زیادی وجود دارد. به عنوان مثال، کارکنان نیاز به استفاده از کرنش برای ورود و خروج دارند، ابزارهای ارتباطی برای ارتباط لازم است و سیم‌های آزمون باید در طول اندازه‌گیری مداوم تغییر کنند. با تحلیل، مشخص شد که بستن سوئیچ جداکننده مرتبط با 1M و خارج کردن سیم زمین ثانویه PT، استفاده از PT به عنوان نقطه اندازه‌گیری عایق‌بندی بسیار آسان خواهد بود و بازرسان می‌توانند به صورت زنده ارتباط برقرار کنند بدون نیاز به ابزارهای ارتباطی.

همه سوئیچ‌های جداکننده متصل به GIS 1M باز شدند و همه برش‌کننده‌ها بسته شدند. سپس، از فاصله نقطه اعمال ولتاژ شروع شد، سوئیچ‌های جداکننده متصل به 1M (به جز سوئیچ جداکننده VT 1M) یکی یکی بسته شدند و هر بار که یک سوئیچ جداکننده بسته می‌شد، عایق‌بندی اندازه‌گیری شد. در نهایت، در فاصله خط خروجی 5W11 مادربرق 1M - فاز C، عایق‌بندی دستگاه اصلی 400 MΩ اندازه‌گیری شد. با باز کردن برش‌کننده این فاصله، نقطه ناهماهنگی به ناحیه از سوئیچ جداکننده طرف خط این برش‌کننده تا بوشینگ GIS خارج از ساختمان تعیین شد.

ناحیه ناهماهنگی در شکل 1 جدا شد و دومین اعمال ولتاژ بر روی بخش‌های غیرناهماهنگ بر اساس روال آزمون تحمل عایق‌بندی اصلی انجام شد. نتایج نشان داد که مطابقت دارد. آزمون‌های تحمل ولتاژ فرکانس توانی بر روی تجهیزات باقی‌مانده انجام شد و همه آنها به راحتی گذر کردند.

رسیدگی به نقاط ناهماهنگ

در ناحیه ناهماهنگی 5 بخش گازی مستقل وجود داشت. برای مکان‌یابی دقیق نقطه ناهماهنگی، لازم بود هر بخش گازی را به ترتیب باز کرده و بررسی کنند.از آنجا که گاز SF₆ داخل GIS پس از آزمون سمی شده بود، در 12 دسامبر 2022، پس از بازیابی گاز و بازmontage و بررسی تجهیزات، مشخص شد که عایق‌کننده پشتیبان سه‌راهی مادربرق در بخش پایینی مادربرق عمودی در بخش گازی 02-5 مادربرق 1M - فاز C شکسته شده است. هادی مادربرق، پوشش و عایق‌کننده‌های مجاور همه مطابق با الزامات فنی محصول بودند.

سازنده عایق‌کننده ناهماهنگ را در 13 دسامبر جایگزین کرد، مادربرق را دوباره نصب کرد و پردازش گاز، آزمون لکه، اندازه‌گیری رطوبت و مقاومت مدار اصلی را تکمیل کرد. پس از اینکه نتایج مطابقت داشتند، در 14 دسامبر، آزمون تحمل ولتاژ فرکانس توانی دوباره با استفاده از روش سیم‌بندی ذکر شده و طبق روال آزمون تحمل عایق‌بندی مدار اصلی انجام شد. نتایج آزمون مطابقت داشت (592 kV برای 1 دقیقه).

تجزیه و تحلیل دلایل شکست عایق‌کننده پشتیبان

در GIS مجموعاً 145 عایق‌کننده پشتیبان وجود دارد. اینکه آیا عایق‌کننده پشتیبان شکسته شده یک مورد منفرد است یا بخشی از مشکلی جمعی است، برای تحویل ایمن و قابل اعتماد زیرستانسیون افزایش دهنده اهمیت بالایی دارد. بنابراین، برای شناسایی دلیل اساسی شکست عایق‌کننده خراب، تحقیقات از جنبه‌های زیر انجام می‌شود.

بررسی کیفیت مونتاژ محلی مادربرق

مادربرق CX1 - 1C (شماره کارخانه، همانطور که در زیر ذکر شده است) در 3 دسامبر 2022 مونتاژ محلی شد. در طول فرآیند مونتاژ، نماینده محلی سازنده هر مورد را بر اساس "کارت عملیات تأیید دوکینگ محلی" تأیید کرد. صاحب و ناظر فرآیند را مشترکاً مشاهده کردند و مونتاژ فقط پس از اینکه سه طرف اسناد را امضا کردند می‌توانست ادامه یابد. پس از تکمیل مونتاژ، آزمون‌های تأیید محلی مانند محتوای رطوبت گاز، آزمون لکه و مقاومت حلقه انجام شد. این امر به طور کلی احتمال شکست عایق‌کننده به دلیل کیفیت و فرآیند مونتاژ محلی و دیگر عوامل را حذف می‌کند.

بررسی انطباق مواد عایق‌کننده‌های پشتیبان مادربرق

عایق‌کننده پشتیبان شکسته شده دارای شماره خروج از کارخانه Z220704 - 1G1 است که در ژوئیه 2022 توسط یک شرکت تابعه سازنده تولید شده است. قبل از خروج از کارخانه، این عایق‌کننده پشتیبان تحت آزمون‌هایی مانند بازبینی ظاهری، اندازه‌گیری ابعاد، آزمون دمای تخته‌سازی، آشکارسازی عیب با اشعه ایکس و آزمون الکتریکی قرار گرفت که همه آنها مطابقت داشتند.

گزارش‌های بازبینی خروج از کارخانه و ضبط‌های ورودی عایق‌کننده‌ها نشان می‌دهند که هر دو نتیجه خروج از کارخانه و ورودی مطابق با الزامات هستند.

بررسی تاریخچه ساخت مادربرق

بررسی تاریخچه مونتاژ واحد مادربرق CX1 - 1C نشان می‌دهد که سازنده تولید و مونتاژ را در 20 سپتامبر 2022 آغاز کرد و کار را در 12 اکتبر 2022 تکمیل کرد. ضبط‌های موجود در جدول تاریخچه مونتاژ نشان می‌دهد که هر دو فرآیند داخلی و خارجی الزامات فنی و استانداردهای فرآیندی مشخص شده در نقشه‌ها را رعایت کرده‌اند و هیچ ناهماهنگی‌ای یافت نشده است. بنابراین می‌توان از فرآیندهای فهرست شده در جدول تاریخچه ساخت که باعث شکست عایق‌کننده پشتیبان شده‌اند حذف کرد.

بررسی آزمون‌های خروج از کارخانه مادربرق

مادربرق CX1 - 1C در 6 اکتبر 2022 در کارخانه سازنده تحت آزمون‌های ضربه برقی، تحمل ولتاژ فرکانس توانی و تخلیه جزئی قرار گرفت که همه آنها در اولین تلاش گذر کردند و نتایج آزمون مطابقت داشتند. این نشان می‌دهد که مادربرق و عایق‌کننده‌ها در زمان خروج از کارخانه نرمال بودند.

بررسی عایق‌کننده‌های پشتیبان ناهماهنگ

بررسی‌ها از جنبه‌هایی مانند ماهیت شکست عایق‌کننده‌های پشتیبان ناهماهنگ و آزمون‌های تأیید (شامل بازبینی ابعاد، آشکارسازی عیب، تحلیل ماده و غیره) انجام می‌شود.

ماهیت شکست

تحلیل مسیر تخلیه سطحی این عایق‌کننده نشان می‌دهد که در بخش عایق‌بندی بین الکترود فشار بالا و الکترود فشار پایین تخریب عبوری وجود دارد. به طور کلی، تخریب عبوری یک عایق‌کننده به دلیل وجود برخی عیوب داخل بخش عایق‌بندی یا به دلیل اعمال تنش مکانیکی اضافی که باعث شکست داخل بخش عایق‌بندی می‌شود و سپس تخلیه عبوری در طول شکست‌ها رخ می‌دهد.

آزمون‌های تأیید

بازبینی ابعاد. بازبینی ابعاد عایق‌کننده پشتیبان ناهماهنگ مطابقت داشت. نتایج بازبینی در جدول 1 نشان داده شده است.

آشکارسازی عیب با اشعه ایکس. آشکارسازی عیب با اشعه ایکس بر روی عایق‌کننده پشتیبان ناهماهنگ انجام شد و هیچ عیب خارجی جز شکست‌های شکسته شده پیدا نشد.بازبینی مجدد ماده رزین. نمونه‌هایی از نمونه‌های ناهماهنگ برای بازبینی مجدد چگالی، نرخ محتوای پرکننده و دمای تغییر فازی گرفته شد و نتایج مطابقت داشتند. نتایج آزمون ماده رزین در جدول 2 نشان داده شده است.

بازبینی مجدد واسطه پیوند رزین به الکترود. بخشی از عایق‌کننده که تخلیه نشده بود برش شد و سطح پیوند رزین به فلز عایق‌کننده برای آشکارسازی عیب رنگی شد. به جز نفوذ جزئی رنگ‌زن در محل شکست، بقیه بخش‌ها نرمال بود که اثبات می‌کند هیچ عیبی در داخل رزین وجود ندارد و رزین به خوبی به الکترود متصل شده است.

بازبینی مجدد ذوب رزین. پس از ذوب رزین عایق‌کننده پشتیبان ناهماهنگ در دمای بالا، الکترود مجدداً بازبینی شد. تغییر شکل ناهماهنگ محلی در موقعیت نقطه تخلیه در سطح کمان‌دار الکترود فشار بالا وجود داشت. در نتیجه، در طول فرآیند ساخت عایق‌کننده پشتیبان، عملکرد نامناسب باعث تغییر شکل ناهماهنگ سطح کمان‌دار الکترود فشار بالا شد. از آنجا که تغییر شکل کم بود، اپراتورها نتوانستند آن را به موقع شناسایی کنند و اجزای معیوب به مرحله بعدی وارد شدند و در نهایت به ریزش عایق‌کننده منجر شد.

این خرابی به دلیل عملکرد نامناسب اپراتورها بود که باعث تغییر شکل ناهماهنگ الکترود و در نتیجه شکست عایق‌کننده شد. ساختار این عایق‌کننده پشتیبان یک ساختار عایق‌بندی است که سازنده از سال 2003 استفاده می‌کند. بیش از 36000 عایق‌کننده تولید شده‌اند و به طور قابل اعتماد در میدان در حال کار هستند. بنابراین، شکست این عایق‌کننده پشتیبان یک مورد منفرد است.

تایید شبیه‌سازی

به دلایل ایمنی، شبیه‌سازی تأیید بر روی مادربرق با این ساختار عایق‌کننده انجام شد.اعمال ولتاژ: هادی مرکزی و الکترود فشار بالای عایق‌کننده در 1675 kV قرار دارند، در حالی که پوشش، پایه حمایت و الکترود فشار پایین عایق‌کننده در پتانسیل 0 قرار دارند.
معیارهای قضاوت: در فشار گاز عملکردی حداقل 0.45 MPa، قدرت میدان الکتریکی تخلیه سطحی عایق‌کننده نباید بیش از 12 kV/mm باشد و قدرت میدان الکتریکی سطح الکترود فشار بالای عایق‌کننده نباید بیش از 50 kV/mm باشد.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که قدرت میدان الکتریکی تخلیه سطحی عای