Análise e manexo de anomalias na proba de resistencia a voltaxe de 550 kV GIS
O equipamento de conmutación metálico hermético a gas (GIS) é un dispositivo de conmutación composto por aparellos de conmutación como interruptores (GCB), seccionadores (DS), interruptores de terra (ES), así como unidades como transformadores de tensión, transformadores de corrente, pararrayos e barras colectoras herméticas. Os componentes de alta tensión están todos colocados dentro dunha carcasa metálica hermética aterrada, que está recheada de gas SF₆ con excelentes propiedades aislantes e de extinción do arco como medio aislante. O GIS caracterízase por unha estrutura compacta, pequena superficie ocupada, baixos requisitos de manutención, facilidade de instalación, boa capacidade de interrupción e ausencia de interferencias, e está cada vez máis ampliamente utilizado nos sistemas eléctricos.
O GIS de 550 kV nunha subestación elevadora de 500 kV dunha determinada empresa adopta un esquema de ligazón de dúas barras, con 2 linhas de entrada de transformador principal, 1 liña de entrada de transformador de arranque e reserva, 2 liñas de saída e 1 barra de acoplamento, totalizando 6 interruptores. Cada un de 1M e 2M está equipado con 1 bahía PT. Foi fabricado o 28 de outubro de 2022, e a montaxe no local foi completado o 10 de decembro de 2022. Durante a proba de resistencia ao voltaxe de entrega, un aislante de soporte experimentou un desgaste anómalo.
Realizáronse análise desde diferentes aspectos como a localización da anomalia, a calidade do montaxe no local, a conformidade dos materiais, o historial de fabricación na fábrica, a detección de fallos por raio X, a disolución de resina e a simulación do campo eléctrico. Identificouse a causa da fractura do aislante de soporte e propuxéronse suxestións para fortalecer a supervisión e o control de calidade durante o proceso de fabricación do GIS.As directrices de proba de resistencia ao voltaxe e de aislamento no local para o equipo de conmutación metálico hermético a gas, e o plan de proba aprobado.
Voltaxe de Proba
Tómase o 80% do valor nominal de resistencia ao voltaxe de frecuencia industrial de 740 kV especificado polo fabricante, que é 592 kV, con unha duración de 1 minuto.
Condicions que o Equipo Probado Debería Cumprir
Método de Proba e Critérios
O voltaxe de proba do GIS probado debería aumentarse de 0 V a 318 kV primeiro, mantendo-se durante 5 minutos, despois aumentándose a 473 kV e mantendo-se durante 3 minutos. Finalmente, o voltaxe de proba aumenta ao valor nominal de resistencia ao voltaxe de 592 kV e mantiñese durante 1 minuto. Se non hai desgaste, considerase cualificado.
Busca e Manejo de Puntos Anómalos
Visión xeral da Anomalia de Desgaste
Ao 14:03 do 11 de decembro de 2022, realizouse unha proba de resistencia ao voltaxe de aislamento da circuíto principal no GIS de 550 kV na subestación no lugar de construción. Ao probar as fases B e C, o voltaxe aumentouse a 318 kV e mantiuse durante 5 minutos, superando a proba. Ao aumentar o voltaxe a 473 kV e mantiño durante 2 minutos, produciuse un desgaste. O voltaxe diminuíu súbitamente a 0 V, e ouviuse un son anómalo relativamente alto na subestación, interrompendo a proba. Despois de tomar medidas de seguridade, midiuse a resistencia de aislamento a terra do circuito principal 1M - fase C en 400 MΩ, e o resto en 200 GΩ. Determinouse que había un fallo nun determinado dispositivo transportado pola fase C de 1M. A ligazón para a proba de resistencia ao voltaxe e a área anómala amósanse na Figura 1. A parte escurecida na figura indica o rango de aplicación de voltaxe.
Pódese ver na Figura 1 que o rango de aplicación de voltaxe inclúe: 6 interruptores transportados pola barra 1M, 6 seccionadores de barra, 2 seccionadores laterais de liña, 5 conxuntos de embocaduras aéreas, 1 seccionador de PT transportado por 1M, e 6 seccionadores de barra de 2M. O punto de aplicación de voltaxe establecéuse no elevador da liña de entrada do Transformador Principal Número 2 ao aire libre.
Proceso de Busca de Puntos Anómalos
O GIS ten unha estrutura totalmente hermética, formada por múltiples componentes independentes que conforman un todo integrado. O equipo asociado a 1M ten 83 compartimentos gaseosos independentes, facendo que sexa bastante complexo localizar puntos anómalos. Despois de investigación, adoptouse un método de eliminación punto a punto para reducir o alcance do equipo anómalo.
Debido á estrutura totalmente hermética do GIS, o aislamento só pode medirse nas partes expostas, e os puntos de medida de aislamento están todos nos asientos de elevador de 15 metros de altura ao aire libre. Ao medir o aislamento, hai numerosos factores restrictivos. Por exemplo, o persoal necesita usar un guindaste para subir e bajar, son necesarios ferramentas de comunicación para a ligazón, e os cabos de proba deben cambiarse constantemente durante a medida. A través do análise, descubriuse que pechando o interruptor de seccionamento de PT asociado a 1M e removendo o cable de tierra secundario do PT, sería moi conveniente usar o PT como punto de medida de aislamento, permitindo aos inspectores comunicarse en tempo real sen depender de ferramentas de comunicación.
Abríronse todos os interruptores de seccionamento conectados ao GIS 1M, e pecháronse todos os interruptores. Despois, partindo do intervalo no punto de aplicación de voltaxe, pecháronse un a un os interruptores de seccionamento conectados a 1M (excepto o interruptor de seccionamento VT de 1M) e midiuse o aislamento cada vez que se pechaba un interruptor de seccionamento. Finalmente, no intervalo de liña de saída 5W11 da barra 1M - C, midiuse o aislamento do circuito principal en 400 M&Ω. Abrindo posteriormente o interruptor deste intervalo, finalmente determinouse que o punto anómalo estaba na área desde o interruptor de seccionamento lateral desta liña ata a embocadura do GIS ao aire libre.
A área anómala na Figura 1 foi aislada, e realizouse unha segunda aplicación de voltaxe nas partes non anómalas segundo o procedemento de proba de resistencia ao voltaxe de aislamento principal. Os resultados mostraron conformidade. Realizáronse probas de resistencia ao voltaxe de frecuencia industrial no resto do equipo, todas as cales pasaron satisfactoriamente.
Manexo de Puntos Anómalos
Había 5 compartimentos gaseosos independentes na área anómala. Para localizar precisamente o punto anómalo, era necesario abrir cada compartimento de gas un a un para inspección.Dado que o gas SF₆ dentro do GIS tornouse tóxico despois da proba, o 12 de decembro de 2022, despois de recuperar o gas e desmontar o equipo para inspección, descubriuse que o aislante de soporte da barra trifurcada na sección inferior da barra vertical no compartimento 02-5 do bus 1M-C estaba fracturado. O condutor da barra, a carcasa e os aislantes adxacentes cumprían cos requisitos técnicos do produto.
O fabricante substituíu o aislante anómalo o 13 de decembro, volviu a instalar a barra, e completou o tratamento de gas, a detección de fugas, a medida de humidade e a medida de resistencia do circuito principal. Despois de que os resultados foron encontrados como válidos, o 14 de decembro, realizouse de novo unha proba de resistencia ao voltaxe de frecuencia industrial usando o método de ligazón de proba mencionado anteriormente e seguindo o procedemento de proba de resistencia ao voltaxe de aislamento do circuito principal. Os resultados da proba foron válidos (592 kV mantidos durante 1 minuto).
Análise das Causas da Fractura do Aislante de Soporte
Hai un total de 145 aislantes de soporte no GIS. Se o aislante de soporte fracturado é un caso aislado ou parte dun problema generalizado é de suma importancia para a puesta en marcha segura e fiable da subestación elevadora. Polo tanto, para identificar a causa raíz da fractura do aislante defectuoso, realizáronse investigaciones desde os seguintes aspectos.
Inspección da Calidade de Montaxe no Local da Barra
A barra CX1-1C (número de fábrica, o mesmo abaixo) foi montada no local o 3 de decembro de 2022. Durante o proceso de montaxe, o representante da fábrica no local verificou cada elemento contra a "Tarxeta de Operación de Confirmación de Acoplamento no Local". O propietario e o supervisor testemuñaron o proceso en común, e o montaxe só podía proseguir despois de que as tres partes completaran as formalidades de asinatura. Despois de completar o montaxe, realizáronse probas de verificación no local, como o contido de humidade do gas, detección de fugas e resistencia do circuito. Isto básicamente descarta a posibilidade de que a fractura do aislante fose causada pola calidade, o proceso e outros factores de montaxe no local.
Inspección da Conformidade de Material dos Aislantes de Soporte para Barras
O aislante de soporte fracturado ten un número de saída da fábrica Z220704-1G1, que foi fabricado por unha subsidiaria da fábrica en xuño de 2022. Antes de saír da fábrica, este aislante de soporte foi sometido a inspeccións e probas, incluíndo inspección visual, medida dimensional, proba de temperatura de vitrificación, detección de fallos por raio X e probas eléctricas, todas as cales demostraron conformidade.
Os informes de inspección de saída da fábrica e os rexistros de inspección de entrada dos aislantes indican que tanto os resultados de saída da fábrica como os de inspección de entrada cumpren cos requisitos.
Inspección do Historial de Fabricación da Barra
Unha consulta ao historial de montaxe da unidade de barra CX1-1C revela que o fabricante comezou a produción e o montaxe o 20 de setembro de 2022, e completou o traballo o 12 de outubro de 2022. Os rexistros na táboa de historial de montaxe indican que tanto os procesos internos como externos cumpriron cos requisitos técnicos e estándares de proceso especificados nos planos, sen anomalías detectadas. Polo tanto, pode excluírse que os procesos listados na táboa de historial de fabricación causasen a fractura do aislante de soporte.
Inspección das Probas de Saída da Fábrica da Barra
A barra CX1-1C foi sometida a probas de impulso de raio, resistencia ao voltaxe de frecuencia industrial e descarga parcial na fábrica do fabricante o 6 de outubro de 2022, todas as cales foron aprobadas na primeira tentativa, e os resultados das probas foron válidos. Isto indica que a barra e os aislantes estaban normais cando saíron da fábrica.
Inspección dos Aislantes de Soporte Anómalos
Realízanse inspeccións desde aspectos como a natureza do fallo dos aislantes de soporte anómalos e as probas de verificación (incluíndo inspección dimensional, detección de fallos, análise de material, etc.).
Natureza do Fallo
A análise da ruta de descarga superficial deste aislante mostra que hai un aspecto de danos transversais na parte aislante entre o electrodo de alta tensión e o electrodo de baixa tensión. Xeralmente, os danos transversais dun aislante ocorren debido á presenza de certos defectos dentro da parte aislante, ou debido a unha tensión mecánica adicional, que causa fisuras dentro da parte aislante, e entón ocorre un desgaste transversal ao longo das fisuras.
Probas de Verificación
Reinspección dimensional. A reinspección dimensional do aislante de soporte anómalo foi válida. Os resultados da reinspección amósanse na Táboa 1.
Detección de fallos por raio X. Realízase unha detección de fallos por raio X no aislante de soporte anómalo, sen atopar defectos externos afora das fisuras de fractura.Reinspección do material de resina. Tómense mostras dos espécimes anómalos para unha reinspección da densidade, a taxa de contenido de relleno e a temperatura de transición vítrea, e os resultados foron válidos. Os resultados de detección do material de resina amósanse na Táboa 2.
Reinspección da interface de unión resina-electrodo. Cortouse a área non descargada do aislante, e a superficie de unión resina-metal do aislante foi teñida para a detección de fallos. Excepto a penetración ligeira do colorante no punto de fractura, o resto da área era normal, probando que non había defectos dentro da resina e que a resina estaba ben unida ao electrodo.
Reinspección da fusión de resina. Despois de que a resina do aislante de soporte anómalo foi fundida a alta temperatura, realizouse unha reinspección do electrodo. Habiase producido unha deformación anómala local no punto de descarga na superficie arcada do electrodo de alta tensión. En conclusión, durante o proceso de fabricación do aislante de soporte, unha operación incorrecta provocou una deformación anómala da superficie arcada do electrodo de alta tensión. Como a deformación era leve, os operadores non a detectaron a tempo, permitindo que os compoñentes defectuosos pasasen ao seguinte proceso e, finalmente, levando ao vertido do aislante.
Este fallo foi causado por unha operación non estándar dos operadores, que provocou unha deformación anómala do electrodo e, posteriormente, a fractura do aislante. A estrutura deste aislante de soporte é unha estrutura de aislamento que o fabricante está utilizando. Desde 2003, foron fabricados máis de 36.000 aislantes que están funcionando de maneira fiable no terreo. Polo tanto, a fractura deste aislante de soporte é un caso aislado.
Verificación por Simulación
Por razóns de seguridade, realizouse unha verificación por simulación na barra con esta estrutura de aislante.Aplicación de voltaxe: O conductor central e o electrodo de alta tensión do aislante están a 1675 kV, mentres que a carcasa, a base de soporte e o electrodo de baixa tensión do aislante están a potencial 0.
Critérios de xuízo: Baixo a presión mínima de gas funcional de 0,45 MPa, a intensidade de campo eléctrico de descarga superficial do aislante non debe superar os 12 kV/mm, e a intensidade de campo eléctrico do electrodo de alta tensión do aislante non debe superar os 50 kV/mm.
Os resultados da simulación mostran que a máxima intensidade de campo eléctrico de descarga superficial do aislante é 10,5 kV/mm, que é menor que 12 kV/mm, e o resultado é válido. A máxima intensidade de campo eléctrico na superficie do electrodo de alta tensión é 21,2 kV/mm. Convertido á condición dun voltaxe de frecuencia industrial de 318 kV, a máxima intensidade de campo eléctrico é 40,2 kV/cm, que é menor que 50 kV/cm, e o resultado tamén é válido.
O GIS de 550 kV da subestación elevadora de 500 kV foi energizado con éxito por primeira vez o 28 de decembro de 2022. A Unidade 2 foi conectada á rede por primeira vez o 29 de novembro de 2023. Todo o equipo da subestación resistiu a proba de presión e está funcionando normalmente.
Conclusión
Para equipos de alta tensión importantes de 110 kV e superior, é necesario seguir estritamente os requisitos pertinentes da DL/T 586-2008 "Directrices Técnicas para a Supervisión da Fabricación de Equipos Eléctricos" para fortalecer a supervisión en fábrica do equipo e controlar a calidade de fabricación do equipo desde a orixe. Os fabricantes de GIS deben reforzar a súa consciencia de control de calidade, revisar comprehensivamente os puntos de risco relacionados coa calidade en cada posto, e mellorar documentos como especificacións de operación, estándares de operación e procedementos de operación para a montaxe de produtos en todos os niveis de voltaxe. Debe levarse a cabo un control comprehensivo sobre enlaces como a adquisición de compoñentes, o deseño de produtos, a tecnoloxía de procesado de compoñentes, a inspección de entrada, a montaxe de produtos, as probas e a instalación no local para asegurar a seguridade, estabilidade e fiabilidade dos produtos.
