Analyse et traitement des anomalies du test de tension de 550 kV GIS
Le poste de manœuvre métallique isolé au gaz (GIS) est un dispositif de commutation composé d'appareils de commutation tels que des disjoncteurs (GCB), des interrupteurs sectionneurs (DS), des terreurs (ES), ainsi que des unités comme les transformateurs de tension, les transformateurs de courant, les parafoudres et les busbars enfermés. Tous les composants à haute tension sont placés à l'intérieur d'une coque métallique étanche et mise à la terre, qui est remplie de gaz SF₆ ayant d'excellentes propriétés isolantes et extinctrices d'arc en tant que milieu isolant. Le GIS se caractérise par une structure compacte, une empreinte au sol réduite, un faible besoin de maintenance, une installation facile, une bonne performance de coupure, et n'interfère pas, et est de plus en plus largement utilisé dans les systèmes électriques.
Le GIS de 550 kV dans un poste d'élevation de 500 kV d'une certaine entreprise adopte une structure de câblage à double barre, avec 2 lignes d'entrée de transformateur principal, 1 ligne d'entrée de transformateur de démarrage et de réserve, 2 lignes de sortie, et 1 interconnexion de barre, totalisant 6 disjoncteurs. Chacun de 1M et 2M est équipé d'un compartiment PT. Il a été fabriqué le 28 octobre 2022, et l'assemblage sur site a été terminé le 10 décembre 2022. Lors du test de tenue de tension de réception, un support isolant a subi une décharge anormale.
Des analyses ont été effectuées sous différents aspects tels que l'emplacement de l'anomalie, la qualité de l'assemblage sur site, la conformité des matériaux, l'historique de fabrication en usine, la détection de défauts par rayons X, la dissolution de résine, et la simulation de champ électrique. La cause de la rupture du support isolant a été identifiée, et des suggestions pour renforcer la supervision et le contrôle de qualité pendant le processus de fabrication du GIS ont été proposées.Les directives de test de tenue de tension et d'isolation sur site pour les postes de manœuvre métalliques isolés au gaz, et le plan de test approuvé.
Tension de Test
On prend 80% de la valeur nominale de tenue de tension de fréquence industrielle de courte durée de 740 kV spécifiée par le fabricant, soit 592 kV, avec une durée de 1 minute.
Conditions que l'Équipement Testé Doit Satisfaire
Méthode de Test et Critères
La tension de test pour le GIS testé doit être augmentée de 0 V à 318 kV d'abord, maintenue pendant 5 minutes, puis augmentée à 473 kV et maintenue pendant 3 minutes. Enfin, la tension de test est augmentée jusqu'à la valeur nominale de tenue de tension de 592 kV et maintenue pendant 1 minute. Si aucune décharge n'est observée, il est considéré comme qualifié.
Recherche et Traitement des Points Anormaux
Aperçu de l'Anomalie de Décharge
Le 11 décembre 2022 à 14h03, un test de tenue de tension d'isolation de circuit principal a été effectué sur le GIS de 550 kV dans le poste sur le chantier. Lors du test des phases B et C, la tension a été augmentée à 318 kV et maintenue pendant 5 minutes, passant le test. Lorsque la tension a été augmentée à 473 kV et maintenue pendant 2 minutes, une décharge s'est produite. La tension a soudainement chuté à 0 V, et un bruit anormal relativement fort a été entendu dans le poste, interrompant le test. Après avoir pris des mesures de sécurité, la résistance d'isolation au sol du circuit principal de la phase 1M - C a été mesurée à 400 MΩ, et celle du reste à 200 GΩ. Il a été déterminé qu'il y avait une panne dans un certain appareil porté par la phase 1M - C. Le câblage pour le test de tenue de tension et la zone anormale sont montrés à la Figure 1. La partie noircie dans la figure indique la plage d'application de tension.
On peut voir de la Figure 1 que la plage d'application de tension inclut : 6 disjoncteurs portés par la barre 1M, 6 interrupteurs sectionneurs de barre, 2 interrupteurs sectionneurs côté ligne, 5 ensembles de bouchons aériens, 1 interrupteur sectionneur de PT porté par 1M, et 6 interrupteurs sectionneurs de 2M. Le point d'application de tension a été fixé au raccord de la ligne d'entrée du Transformateur Principal No. 2 en extérieur.
Processus de Recherche des Points Anormaux
Le GIS a une structure entièrement fermée, avec de multiples composants indépendants formant un ensemble intégré. L'équipement associé à 1M comporte 83 compartiments de gaz indépendants, rendant assez difficile la localisation des points anormaux. Après recherche, une méthode d'élimination point par point a été adoptée pour réduire la portée de l'équipement anormal.
En raison de la structure entièrement fermée du GIS, l'isolation ne peut être mesurée que sur les parties exposées, et les points de mesure d'isolation sont tous sur les supports de raccord de 15 mètres de haut en extérieur. Lors de la mesure de l'isolation, il existe de nombreux facteurs restrictifs. Par exemple, le personnel a besoin d'utiliser une grue pour monter et descendre, des outils de communication sont nécessaires pour la liaison, et les fils de test doivent être constamment changés lors de la mesure. Par analyse, il a été trouvé que la fermeture de l'interrupteur sectionneur de PT associé à 1M et le retrait du fil de terre secondaire du PT rendraient très pratique l'utilisation du PT comme point de mesure d'isolation, permettant aux inspecteurs de communiquer en temps réel sans dépendre des outils de communication.
Tous les interrupteurs sectionneurs connectés au GIS 1M ont été ouverts, et tous les disjoncteurs ont été fermés. Ensuite, en partant de l'intervalle au point d'application de tension, les interrupteurs sectionneurs connectés à 1M (à l'exception de l'interrupteur sectionneur VT de 1M) ont été fermés un par un, et l'isolation a été mesurée chaque fois qu'un interrupteur sectionneur était fermé. Finalement, dans l'intervalle de ligne de sortie 5W11 de la barre 1M - C, l'isolation du circuit principal a été mesurée à 400 MΩ. En ouvrant davantage le disjoncteur de cet intervalle, le point anormal a finalement été déterminé comme étant dans la zone de l'interrupteur sectionneur côté ligne de ce disjoncteur jusqu'au bouchon GIS extérieur.
La zone anormale de la Figure 1 a été isolée, et une deuxième application de tension a été effectuée sur les parties non anormales selon la procédure de test de tenue de tension d'isolation principale. Les résultats ont montré une conformité. Des tests de tenue de tension de fréquence industrielle ont été effectués sur le reste de l'équipement, tous ont passé avec succès.
Traitement des Points Anormaux
Il y avait 5 compartiments de gaz indépendants dans la zone anormale. Pour localiser précisément le point anormal, il était nécessaire d'ouvrir chaque compartiment de gaz un par un pour inspection.Comme le gaz SF₆ à l'intérieur du GIS est devenu toxique après le test, le 12 décembre 2022, après la récupération du gaz et le démontage de l'équipement pour inspection, il a été constaté que le support isolant de la jonction de trois voies à la section inférieure de la barre verticale dans le compartiment de gaz 02-5 de la barre 1M - C était fracturé. Le conducteur de barre, la gaine et les isolants adjacents répondaient tous aux exigences techniques du produit.
Le fabricant a remplacé l'isolant anormal le 13 décembre, a réinstallé la barre, et a terminé le traitement du gaz, la détection de fuite, la mesure d'humidité et la mesure de la résistance du circuit principal. Après que les résultats aient été trouvés conformes, le 14 décembre, un test de tenue de tension de fréquence industrielle a été effectué à nouveau en utilisant la méthode de câblage de test mentionnée ci-dessus et en suivant la procédure de test de tenue de tension d'isolation du circuit principal. Les résultats du test étaient conformes (592 kV maintenus pendant 1 minute).
Analyse des Causes de la Fracture du Support Isolant
Il y a au total 145 supports isolants dans le GIS. Que le support isolant fracturé soit un cas isolé ou partie d'un problème généralisé est d'une importance cruciale pour la mise en service sûre et fiable du poste d'élevation. Par conséquent, pour identifier la cause fondamentale de la fracture de l'isolant défectueux, des enquêtes ont été menées dans les domaines suivants.
Inspection de la Qualité d'Assemblage Sur Site de la Barre
La barre CX1-1C (numéro d'usine, le même ci-dessous) a été assemblée sur site le 3 décembre 2022. Pendant le processus d'assemblage, le représentant sur site du fabricant a vérifié chaque élément contre la "Carte de Confirmation des Opérations de Raccordement Sur Site". Le propriétaire et le superviseur ont témoigné du processus conjointement, et l'assemblage ne pouvait se poursuivre qu'après que les trois parties aient complété les formalités de signature. Après l'assemblage, des tests de vérification sur site tels que le contenu d'humidité du gaz, la détection de fuite et la résistance de boucle ont été effectués. Cela exclut en grande partie la possibilité que la fracture de l'isolant ait été causée par la qualité, le processus et autres facteurs d'assemblage sur site.
Inspection de la Conformité des Matériaux des Supports Isolants pour Barres
Le support isolant fracturé a un numéro de sortie d'usine Z220704-1G1, qui a été fabriqué par une filiale du fabricant en juillet 2022. Avant sa sortie d'usine, ce support isolant a subi des inspections et des tests, y compris l'inspection visuelle, la mesure dimensionnelle, le test de température de vitrification, la détection de défauts par rayons X et les tests électriques, tous lesquels ont montré une conformité.
Les rapports d'inspection de sortie d'usine et les registres d'inspection à l'arrivée des isolants indiquent que les résultats de sortie d'usine et d'inspection à l'arrivée répondent aux exigences.
Inspection de l'Histoire de Fabrication de la Barre
Une enquête sur l'historique d'assemblage de l'unité de barre CX1-1C montre que le fabricant a commencé la production et l'assemblage le 20 septembre 2022, et a terminé le travail le 12 octobre 2022. Les enregistrements dans le tableau d'historique d'assemblage indiquent que les processus internes et externes d'assemblage ont respecté les exigences techniques et les normes de processus spécifiées dans les plans, sans anomalies. Par conséquent, il peut être exclu que les processus énumérés dans le tableau d'historique de fabrication aient causé la fracture du support isolant.
Inspection des Tests de Sortie d'Usine de la Barre
La barre CX1-1C a subi des tests d'impulsion de foudre, de tenue de tension de fréquence industrielle et de décharge partielle dans l'usine du fabricant le 6 octobre 2022, tous réussis du premier coup, et les résultats des tests étaient conformes. Cela indique que la barre et les isolants étaient normaux lors de leur sortie d'usine.
Inspection des Supports Isolants Anormaux
Des inspections sont effectuées sous différents aspects, tels que la nature de la défaillance des supports isolants anormaux et les tests de vérification (y compris l'inspection dimensionnelle, la détection de défauts, l'analyse des matériaux, etc.).
Nature de la Défaillance
L'analyse du chemin de décharge de surface de cet isolant montre qu'il y a une apparence de dommage traversant la partie isolante entre l'électrode haute tension et l'électrode basse tension. Généralement, le dommage traversant d'un isolant se produit en raison de la présence de certains défauts à l'intérieur de la partie isolante, ou en raison d'une contrainte mécanique supplémentaire, qui provoque des fissures à l'intérieur de la partie isolante, et ensuite une rupture traversante se produit le long des fissures.
Tests de Vérification
Ré-inspection dimensionnelle. La ré-inspection dimensionnelle du support isolant anormal était conforme. Les résultats de la ré-inspection sont présentés dans le Tableau 1.
Détection de défauts par rayons X. Une détection de défauts par rayons X a été effectuée sur le support isolant anormal, et aucun défaut externe autre que les fissures de fracture n'a été trouvé.Ré-inspection du matériau de résine. Des échantillons ont été prélevés sur les spécimens anormaux pour une ré-inspection de la densité, du taux de remplissage et de la température de transition vitreuse, et les résultats étaient conformes. Les résultats de détection du matériau de résine sont présentés dans le Tableau 2.
Ré-inspection de l'interface de collage résine-électrode. La zone non déchargée de l'isolant a été coupée, et la surface de collage résine-métal de l'isolant a été teintée pour la détection de défauts. À l'exception de la pénétration locale légère du colorant à la fracture, le reste de la zone était normal, prouvant qu'il n'y avait pas de défauts à l'intérieur de la résine et que la résine était bien collée à l'électrode.
Ré-inspection de la fusion de la résine. Après que la résine du support isolant anormal a été fondue à haute température, l'électrode a été ré-inspectée. Il y avait une déformation anormale locale au niveau du point de décharge sur la surface en arc de l'électrode haute tension. En conclusion, pendant le processus de fabrication du support isolant, une opération inappropriée a causé une déformation anormale de la surface en arc de l'électrode haute tension. Comme la déformation était mineure, les opérateurs n'ont pas réussi à la détecter à temps, permettant aux composants défectueux d'entrer dans le processus suivant et finalement conduisant au coulage de l'isolant.
Cette défaillance a été causée par une opération non standard des opérateurs, qui a conduit à une déformation anormale de l'électrode et à la fracture ultérieure de l'isolant. La structure de ce support isolant est une structure d'isolation que le fabricant utilise depuis longtemps. Depuis 2003, plus de 36 000 isolants ont été fabriqués et fonctionnent de manière fiable sur le terrain. Par conséquent, la fracture de ce support isolant est un cas isolé.
Vérification par Simulation
Pour des raisons de sécurité, une vérification par simulation a été effectuée sur la barre avec cette structure d'isolant.Application de tension : Le conducteur central et l'électrode haute tension de l'isolant sont à 1675 kV, tandis que la gaine, la base de support et l'électrode basse tension de l'isolant sont à 0 potentiel.
Critères de jugement : Sous la pression de gaz fonctionnelle minimale de 0,45 MPa, l'intensité de champ électrique de flashover de surface de l'isolant ne devrait pas dépasser 12 kV/mm, et l'intensité de champ électrique de l'électrode haute tension de l'isolant ne devrait pas dépasser 50 kV/mm.
Les résultats de la simulation montrent que l'intensité de champ électrique de flashover de surface maximale de l'isolant est de 10,5 kV/mm, qui est inférieure à 12 kV/mm, et le résultat est conforme. L'intensité de champ électrique maximale à la surface de l'électrode haute tension est de 21,2 kV/mm. Converti à une condition de tension de fréquence industrielle de 318 kV, l'intensité de champ électrique maximale est de 40,2 kV/cm, qui est inférieure à 50 kV/cm, et le résultat est également conforme.
Le GIS de 550 kV du poste d'élevation de 500 kV a été alimenté pour la première fois avec succès le 28 décembre 2022. L'unité 2 a été connectée au réseau pour la première fois le 29 novembre 2023. Tous les équipements du poste ont subi des tests de pression et fonctionnent normalement.
Conclusion
Pour les équipements à haute tension importants de 110 kV et plus, il est nécessaire de suivre strictement les exigences pertinentes de DL/T 586—2008 "Lignes directrices techniques pour la supervision de la fabrication d'équipements électriques" pour renforcer la supervision en usine des équipements et contrôler la qualité de fabrication des équipements à la source. Les fabricants de GIS doivent renforcer leur sensibilisation au contrôle de la qualité, examiner de manière approfondie les points de risque liés à la qualité à chaque poste, et améliorer les documents tels que les spécifications d'opération, les normes d'opération et les procédures d'assemblage des produits à tous les niveaux de tension. Un contrôle complet doit être exercé sur les maillons tels que l'achat de composants, la conception de produits, la technologie de traitement de composants, l'inspection à l'arrivée, l'assemblage de produits, les tests et l'installation sur site pour assurer la sécurité, la stabilité et la fiabilité des produits.
