تحلیل و رسیدگی به ناهماهنگی‌ها در آزمون تحمل ولتاژ ۵۵۰ کیلوولت GIS

سوییچ‌گیر وسیله‌ای است که از دستگاه‌های تغییر مسیر (مانند شکن‌ها (GCB)، جداکننده‌ها (DS)، سوئیچ زمین‌کش (ES)) و واحد‌هایی مانند ترانسفورماتور ولتاژ، ترانسفورماتور جریان، سرنشین‌ها و میله‌های بسته شده تشکیل شده است. اجزای با پتانسیل بالا همه در داخل یک پوسته فلزی گران‌شده قرار دارند که با گاز SF₆ با خواص عایق‌بندی و خاموش‌کننده عالی پر شده است. سوییچ‌گیر ویژگی‌هایی مانند ساختار فشرده، مساحت کوچک، نیاز به نگهداری کم، نصب آسان، عملکرد قطع‌کننده خوب و عدم تداخل را دارد و به طور رو به افزون در سیستم‌های برق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سوییچ‌گیر 550 kV در یک زیراستانسیون 500 kV افزایش دهنده یک شرکت، ساختاری با دو مادربرق دارد، با 2 خط ورودی ترانسفورماتور اصلی، 1 خط ورودی ترانسفورماتور آغازین و ذخیره، 2 خط خروجی و 1 مادربرق متصل کننده، که در مجموع 6 شکن را شامل می‌شود. هر یک از 1M و 2M با یک بای PT مجهز شده است. این محصول در 28 اکتبر 2022 تولید شد و نصب میدانی آن در 10 دسامبر 2022 کامل شد. در طی آزمون تحمل ولتاژ تحویل، یک عایق حامل تخریب غیرمعمولی را تجربه کرد.

تحلیل‌ها از جنبه‌های مختلفی مانند محل اختلال، کیفیت نصب میدانی، انطباق مواد، تاریخچه تولید کارخانه، آشکارسازی نقص با پرتو ایکس، حل شدن رزین و شبیه‌سازی میدان الکتریکی انجام شد. علت شکست عایق حامل شناسایی شد و پیشنهاداتی برای تقویت نظارت و کنترل کیفیت در فرآیند تولید سوییچ‌گیر ارائه شد.راهنمای تحمل ولتاژ و آزمون عایق‌بندی میدانی برای سوییچ‌گیر فلزی بسته شده با گاز و برنامه آزمون مورد تایید.

ولتاژ آزمون

80٪ از مقدار تحمل ولتاژ توان متناوب کوتاه‌مدت 740 kV مشخص شده توسط تولیدکننده که 592 kV است، با مدت زمان 1 دقیقه در نظر گرفته می‌شود.

شرایطی که تجهیزات آزمون شده باید داشته باشند

• فشار گاز SF₆ در تمام بخش‌های سوییچ‌گیر آزمون شده باید در فشار اسمی باشد.

• تمام سوئیچ‌های زمین‌کش سوییچ‌گیر آزمون شده باید در وضعیت باز باشند؛ به جز اینکه 1M و 2M PT‌ها خارج (باز) شده و زمین‌کش شده‌اند، تمام تجهیزات آزمون شده باید در وضعیت بسته باشند.

• پیش‌راه‌های اصلی بوشینگ‌های ورودی و خروجی سه‌فاز سوییچ‌گیر آزمون شده باید خارج شوند، فاصله ایمنی کافی حفظ شود و به صورت قابل اعتماد زمین‌کش شوند.

• پیچیده‌های ثانویه CT‌های سوییچ‌گیر آزمون شده باید کوتاه‌شده و به صورت قابل اعتماد زمین‌کش شوند.

روش و معیار آزمون

ولتاژ آزمون سوییچ‌گیر آزمون شده باید ابتدا از 0 V به 318 kV افزایش یابد، 5 دقیقه نگهداری شود، سپس به 473 kV افزایش یابد و 3 دقیقه نگهداری شود. در نهایت ولتاژ آزمون به مقدار تحمل ولتاژ اسمی 592 kV افزایش یافته و 1 دقیقه نگهداری می‌شود. اگر تخریبی وجود نداشته باشد، به عنوان مؤهل در نظر گرفته می‌شود.

جستجو و رسیدگی به نقاط ناهماهنگ
نظربالی اختلال تخریب

در تاریخ 11 دسامبر 2022 در ساعت 14:03، آزمون تحمل ولتاژ عایق‌بندی مدار اصلی بر روی سوییچ‌گیر 550 kV در زیراستانسیون ساختگاه انجام شد. در هنگام آزمون فاز‌های B و C، ولتاژ به 318 kV افزایش یافت و 5 دقیقه نگهداری شد و آزمون با موفقیت انجام شد. وقتی ولتاژ به 473 kV افزایش یافت و 2 دقیقه نگهداری شد، تخریبی رخ داد. ولتاژ به طور ناگهانی به 0 V کاهش یافت و صدای ناهماهنگی نسبتاً بلندی در زیراستانسیون شنیده شد و آزمون متوقف شد. پس از اتخاذ اقدامات ایمنی، مقاومت عایق‌بندی 1M - فاز C به زمین 400 MΩ اندازه‌گیری شد و بقیه بخش‌ها 200 GΩ بود. تعیین شد که یک نقص در یک دستگاه حمل شده توسط 1M - فاز C وجود دارد. سیم‌کشی برای آزمون تحمل ولتاژ و منطقه ناهماهنگ در شکل 1 نشان داده شده است. بخش تیره‌رنگ در شکل نشان‌دهنده محدوده اعمال ولتاژ است.

از شکل 1 می‌توان دریافت که محدوده اعمال ولتاژ شامل: 6 شکن حمل شده توسط مادربرق 1M، 6 جداکننده مادربرق، 2 جداکننده سمت خط، 5 مجموعه بوشینگ هوایی، 1 جداکننده مادربرق حمل شده توسط 1M و 6 جداکننده مادربرق 2M است. نقطه اعمال ولتاژ در ارتقاء خط ورودی ترانسفورماتور اصلی شماره 2 خارج از ساختمان تنظیم شده بود.

فرآیند جستجوی نقاط ناهماهنگ

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

به دلیل ساختار کاملاً بسته سوییچ‌گیر، عایق‌بندی فقط در بخش‌های ظاهری قابل اندازه‌گیری است و نقاط اندازه‌گیری عایق‌بندی همه در نشست‌های ارتقاء 15 متری خارج از ساختمان قرار دارند. در زمان اندازه‌گیری عایق‌بندی، محدودیت‌های زیادی وجود دارد. به عنوان مثال، کارکنان نیاز دارند با استفاده از کرین ورود و خروج کنند، ابزارهای ارتباطی برای ارتباط لازم است و سیم‌های آزمون باید در طول اندازه‌گیری به طور مداوم تغییر کنند. با تحلیل یافته 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 می‌کند و بازرسان می‌توانند بدون استفاده از ابزارهای ارتباطی به طور واقعی ارتباط برقرار کنند.

تمام سوئیچ‌های جداکننده متصل به سوییچ‌گیر 1M باز شدند و تمام شکن‌ها بسته شدند. سپس از بازه مربوط به نقطه اعمال ولتاژ شروع شد، سوئیچ‌های جداکننده متصل به 1M (به جز سوئیچ جداکننده VT 1M) یک به یک بسته شدند و هر بار که یک سوئیچ جداکننده بسته می‌شد، عایق‌بندی اندازه‌گیری شد. در نهایت، در بازه خروجی 5W11 مربوط به مادربرق 1M - فاز C، عایق‌بندی مدار اصلی به 400 MΩ اندازه‌گیری شد. با باز کردن شکن این بازه، نقطه ناهماهنگی به طور نهایی در منطقه از سوئیچ جداکننده سمت خط این شکن تا بوشینگ GIS خارج از ساختمان تعیین شد.

منطقه ناهماهنگ در شکل 1 جدا شد و بر روی بخش‌های غیرناهماهنگ به طور دوم ولتاژ اعمال شد طبق روال آزمون تحمل عایق‌بندی اصلی. نتایج نشان داد که مطابقت دارد. آزمون‌های تحمل ولتاژ توان متناوب بر روی تجهیزات باقی‌مانده انجام شد که همه به طور موفقیت‌آمیزی عبور کردند.

رسیدگی به نقاط ناهماهنگ

در منطقه ناهماهنگ 5 بخش گازی مستقل وجود داشت. برای مکان‌یابی دقیق نقطه ناهماهنگ، لازم بود هر بخش گازی را به طور مجزا برای بررسی باز کنند.چون گاز SF₆ داخل سوییچ‌گیر پس از آزمون سمی شده بود، در 12 دسامبر 2022، پس از بازیابی گاز و بازسازی تجهیزات، مشخص شد که عایق حامل سه‌راهی در بخش پایینی مادربرق عمودی در بخش گازی 02-5 مادربرق 1M - فاز C شکسته شده است. هادی مادربرق، پوشش و عایق‌های مجاور همه مطابق با الزامات فنی محصول بودند.

تولیدکننده عایق ناهماهنگ را در 13 دسامبر جایگزین کرد، مادربرق را دوباره نصب کرد و پردازش گاز، آشکارسازی نشت، اندازه‌گیری رطوبت و مقاومت مدار اصلی را انجام داد. پس از اینکه نتایج مطابقت داشتند، در 14 دسامبر، آزمون تحمل ولتاژ توان متناوب دوباره با استفاده از روش سیم‌کشی ذکر شده و طبق روال آزمون تحمل عایق‌بندی مدار اصلی انجام شد. نتایج آزمون مطابقت داشتند (592 kV به مدت 1 دقیقه).

تحلیل دلایل شکست عایق حامل

در سوییچ‌گیر insulators کلی 145 عایق حامل وجود دارد. اینکه عایق حامل شکسته شده یک مورد منفرد است یا بخشی از یک مشکل گسترده‌تر است، برای تحویل ایمن و قابل اعتماد زیراستانسیون افزایش دهنده اهمیت بالایی دارد. بنابراین، برای شناسایی علت اساسی شکست عایق حامل نقص، تحقیقات از جنبه‌های زیر انجام شد.

بررسی کیفیت نصب میدانی مادربرق

مادربرق CX1-1C (شماره کارخانه، همانطور که در زیر نیز هست) در 3 دسامبر 2022 مونتاژ شد. در طول فرآیند مونتاژ، نماینده میدانی تولیدکننده هر مورد را با "کارت عملیات تأیید اتصال میدانی" تأیید کرد. صاحب و ناظر فرآیند را مشترکاً مشاهده کردند و مونتاژ فقط پس از انجام مراحل امضای سه طرفه ممکن بود. پس از تکمیل مونتاژ، آزمون‌های تأیید میدانی مانند محتوای رطوبت گاز، آشکارسازی نشت و مقاومت حلقه انجام شد. این به طور کلی احتمال شکست عایق به دلیل کیفیت مونتاژ میدانی، فرآیند و عوامل دیگر را حذف می‌کند.

بررسی انطباق مواد عایق‌های حامل مادربرق

عایق حامل شکسته شده شماره خروجی کارخانه Z220704-1G1 دارد که در ژوئیه 2022 توسط یک شرکت تابعه تولیدکننده تولید شده است. قبل از خروج از کارخانه، این عایق حامل تحت آزمون‌هایی مانند بازبینی بصری، اندازه‌گیری ابعاد، آزمون دمای تبدیل شیشه‌ای، آشکارسازی نقص با پرتو ایکس و آزمون الکتریکی قرار گرفت که همه مطابقت داشتند.

گزارش‌های بازبینی خروجی کارخانه و ضبط‌های بازبینی ورودی عایق‌ها نشان می‌دهد که هر دو نتیجه خروجی کارخانه و بازبینی ورودی الزامات را برآورده می‌کنند.

بررسی تاریخچه تولید مادربرق

پرس‌وجو درباره تاریخچه مونتاژ واحد مادربرق CX1-1C نشان می‌دهد که تولیدکننده از 20 سپتامبر 2022 تولید و مونتاژ را شروع کرد و کار را در 12 اکتبر 2022 به پایان رساند. 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 برآورده می‌کنند و هیچ ناهماهنگی‌ای یافت نشد. بنابراین، می‌توان فرآیندهای ذکر شده در جدول تاریخچه تولید را به عنوان عامل شکست عایق حامل حذف کرد.

بررسی آزمون‌های خروجی کارخانه مادربرق

مادربرق CX1-1C در 6 اکتبر 2022 در کارخانه تولیدکننده تحت آزمون‌های ضربه‌ای برق، تحمل ولتاژ توان متناوب و آزادسازی جزئی قرار گرفت که همه آنها در اولین تلاش موفقیت‌آمیز بودند و نتایج آزمون مطابقت داشتند. این نشان می‌دهد که مادربرق و عایق‌ها در زمان خروج از کارخانه نرمال بودند.

بررسی عایق‌های حامل ناهماهنگ

بررسی‌ها از جنبه‌هایی مانند ماهیت خرابی عایق‌های حامل ناهماهنگ و آزمون‌های تأیید (شامل بازبینی ابعاد، آشکارسازی نقص، تحلیل مواد و غیره) انجام می‌شود.

ماهیت خرابی

تحلیل مسیر تخلیه سطحی این عایق نشان می‌دهد که بین الکترود ولتاژ بالا و الکترود ولتاژ پایین یک خرابی عبوری در بخش عایق‌بندی وجود دارد. معمولاً خرابی عبوری یک عایق به دلیل وجود برخی نقص‌های داخلی در بخش عایق‌بندی یا به دلیل تنش مکانیکی اضافی که منجر به شکاف‌های داخلی در بخش عایق‌بندی می‌شود و سپس خرابی عبوری در طول شکاف‌ها رخ می‌دهد.

آزمون‌های تأیید

بازبینی ابعاد. بازبینی ابعاد عایق حامل ناهماهنگ مطابقت داشت. نتایج بازبینی در جدول 1 نشان داده شده است.

آشکارسازی نقص با پرتو ایکس. آشکارسازی نقص با پرتو ایکس بر روی عایق حامل ناهماهنگ انجام شد و هیچ نقص خارجی به جز شکاف‌های تخریب یافت نشد.بازبینی مجدد ماده رزین. نمونه‌هایی از نمونه‌های ناهماهنگ برای بازبینی مجدد چگالی، میزان محتوای پرکننده و دمای تبدیل شیشه‌ای گرفته شد و نتایج مطابقت داشتند. نتایج آزمون ماده رزین در جدول 2 نشان داده شده است.

بازبینی مجدد واسطه چسبندگی رزین به الکترود. بخشی از عایق که تخلیه نشده بود برش داده شد و سطح چسبندگی رزین به فلز عایق رنگ‌آمیزی شد. به جز نفوذ محلی رنگ‌آمیز در شکاف، بقیه بخش‌ها نرمال بود که اثبات می‌کند در داخل رزین هیچ نقصی وجود نداشته و رزین به خوبی به الکترود چسبیده است.

بازبینی مجدد ذوب رزین. پس از ذوب رزین عایق حامل ناهماهنگ در دمای بالا، الکترود مجدداً بازبینی شد. تغییر شکل ناهماهنگ محلی در موقعیت نقطه تخلیه در سطح کمان‌دار الکترود ولتاژ بالا وجود داشت.به طور خلاصه، در طول فرآیند تولید عایق حامل، عملکرد ناصحیح منجر به تغییر شکل ناهماهنگ سطح کمان‌دار الکترود ولتاژ بالا شد. چون تغییر شکل کم بود، اپراتورها نتوانستند آن را به موقع تشخیص دهند و اجزای ناقص وارد مرحله بعدی شدند و در نهایت عایق ریخته شد.

این خرابی به دلیل عملکرد غیراستاندارد اپراتورها بود که منجر به تغییر شکل ناهماهنگ الکترود و سپس شکست عایق شد. ساختار این عایق حامل یک ساختار عایق‌بندی است که تولیدکننده از سال 2003 استفاده می‌کند. بیش از 36,000 عایق تولید شده و به طور قابل اعتماد در میدان عمل می‌کنند. بنابراین، شکست این عایق حامل یک مورد منفرد است.

تایید شبیه‌سازی

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

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که قدرت میدان الکتریکی تخلیه سطحی عایق بیشترین 10.5 kV/mm است که کمتر از 12 kV/mm است و نتیجه مطابقت دارد. قدرت میدان الکتریکی بیشترین روی سطح الکترود ولتاژ بالا 21.2 kV/mm است. به شرایط ولتاژ توان متناوب 318 kV تبدیل شده، قدرت میدان الکتریکی بیشترین 40.2 kV/cm است که کمتر از 50 k