Analisi e gestione delle anomalie del test di resistenza a tensione GIS 550 kV
L'apparecchiatura di interruttore metallico isolato a gas (GIS) è un dispositivo di commutazione composto da apparecchiature di commutazione come interruttori (GCB), disgiuntori (DS), interruttori di terra (ES), nonché unità come trasformatori di tensione, trasformatori di corrente, parafulmini e busbar chiusi. I componenti ad alta tensione sono tutti posizionati all'interno di una carcassa metallica chiusa e collegata a massa, che è riempita con gas SF₆ dotato di eccellenti proprietà isolanti ed estinguente come mezzo di isolamento. La GIS presenta una struttura compatta, un'area occupata ridotta, requisiti di manutenzione bassi, facile installazione, buone prestazioni di interruzione e assenza di interferenze, ed è sempre più ampiamente utilizzata nei sistemi di potenza.
La GIS a 550 kV in una sottostazione di elevazione a 500 kV di una certa azienda adotta una configurazione a doppio busbar, con 2 linee di ingresso principale del trasformatore, 1 linea di ingresso del trasformatore di avviamento e riserva, 2 linee di uscita e 1 bus-tie, per un totale di 6 interruttori. Ogni 1M e 2M è dotato di 1 baia PT. È stata prodotta il 28 ottobre 2022 e l'assemblaggio sul sito è stato completato il 10 dicembre 2022. Durante il test di resistenza alla tensione di consegna, un isolatore di supporto ha subito un cedimento anomalo.
Sono state condotte analisi da vari punti di vista, come la posizione dell'anomalia, la qualità dell'assemblaggio sul sito, la conformità dei materiali, la storia di fabbricazione, la rivelazione di difetti con raggi X, la dissoluzione della resina e la simulazione del campo elettrico. È stata identificata la causa della frattura dell'isolatore di supporto e sono state formulate raccomandazioni per rafforzare la supervisione e il controllo della qualità durante il processo di fabbricazione della GIS.Le linee guida per i test di resistenza alla tensione e di isolamento sul sito per l'apparecchiatura di interruttore metallico isolato a gas, e il piano di test approvato.
Tensione di Prova
Viene presa l'80% della tensione di resistenza a breve termine alla frequenza di rete nominale di 740 kV specificata dal produttore, che è 592 kV, con una durata di 1 minuto.
Condizioni che l'Equipaggiamento Sottoposto a Prova Dovrebbe Soddisfare
Metodo e Criteri di Prova
La tensione di prova per la GIS sottoposta a prova dovrebbe essere aumentata da 0 V a 318 kV in primo luogo, mantenuta per 5 minuti, poi aumentata a 473 kV e mantenuta per 3 minuti. Infine, la tensione di prova viene aumentata al valore di resistenza nominale di 592 kV e mantenuta per 1 minuto. Se non si verifica alcun cedimento, viene considerata qualificata.
Ricerca e Gestione dei Punti Anomali
Panoramica dell'Anomalia di Cedimento
Alle 14:03 del 11 dicembre 2022, è stato eseguito un test di resistenza alla tensione di isolamento del circuito principale sulla GIS a 550 kV nella sottostazione in costruzione. Quando si stava testando le fasi B e C, la tensione è stata aumentata a 318 kV e mantenuta per 5 minuti, superando il test. Quando la tensione è stata aumentata a 473 kV e mantenuta per 2 minuti, si è verificato un cedimento. La tensione è improvvisamente scesa a 0 V e si è sentito un rumore anomalo abbastanza forte nella sottostazione, interrompendo il test. Dopo aver adottato misure di sicurezza, la resistenza di isolamento a massa del circuito principale della fase C del 1M è stata misurata a 400 MΩ, e quella del resto a 200 GΩ. Si è determinato che c'era un guasto in un certo dispositivo portato dalla fase C del 1M. Il cablaggio per il test di resistenza alla tensione e l'area anomala sono mostrati nella Figura 1. La parte annerita nella figura indica l'intervallo di applicazione della tensione.
Si può vedere dalla Figura 1 che l'intervallo di applicazione della tensione include: 6 interruttori portati dal bus 1M, 6 disgiuntori del bus, 2 disgiuntori laterali, 5 set di bushing atmosferici, 1 disgiuntore del bus del PT portato dal 1M e 6 disgiuntori del bus del 2M. Il punto di applicazione della tensione è stato impostato sull'innalzamento della linea di ingresso del Trasformatore Principale n. 2 all'esterno.
Processo di Ricerca dei Punti Anomali
La GIS ha una struttura completamente chiusa, con molteplici componenti indipendenti che formano un insieme integrato. L'equipaggiamento associato al 1M ha 83 celle gassose indipendenti, rendendo piuttosto difficile localizzare i punti anomali. Dopo la ricerca, è stato adottato un metodo di eliminazione progressiva per restringere l'ambito dell'equipaggiamento anomalo.
A causa della struttura completamente chiusa della GIS, l'isolamento può essere misurato solo nelle parti esposte, e i punti di misurazione dell'isolamento sono tutti sui sedili di innalzamento alti 15 metri all'esterno. Quando si misura l'isolamento, ci sono numerosi fattori restrittivi. Ad esempio, il personale deve utilizzare una gru per salire e scendere, sono necessari strumenti di comunicazione per la coordinazione e i cavi di prova devono essere cambiati costantemente durante la misurazione. Attraverso l'analisi, si è scoperto che chiudendo l'interruttore di disgiunzione associato al 1M e rimuovendo il filo di terra secondario del PT, sarebbe molto comodo utilizzare il PT come punto di misurazione dell'isolamento, permettendo agli ispettori di comunicare in tempo reale senza dover fare affidamento su strumenti di comunicazione.
Tutti gli interruttori di disgiunzione collegati alla GIS 1M sono stati aperti e tutti gli interruttori sono stati chiusi. Quindi, partendo dall'intervallo del punto di applicazione della tensione, gli interruttori di disgiunzione collegati al 1M (escluso l'interruttore di disgiunzione VT del 1M) sono stati chiusi uno per uno e l'isolamento è stato misurato ogni volta che un interruttore di disgiunzione veniva chiuso. Alla fine, nell'intervallo di uscita 5W11 del bus 1M - C, l'isolamento del circuito principale è stato misurato a 400 MΩ. Ulteriormente aprendo l'interruttore di questo intervallo, il punto anomalo è stato finalmente determinato nell'area dall'interruttore di disgiunzione laterale di questo interruttore fino al bushing GIS all'esterno.
L'area anomala nella Figura 1 è stata isolata e una seconda applicazione di tensione è stata effettuata sulle parti non anomale secondo la procedura di prova di resistenza all'isolamento principale. I risultati hanno mostrato la conformità. Sono stati eseguiti test di resistenza alla tensione a frequenza di rete sull'equipaggiamento rimanente, tutti passati con successo.
Gestione dei Punti Anomali
C'erano 5 celle gassose indipendenti nell'area anomala. Per localizzare con precisione il punto anomalo, era necessario aprire ciascuna cella gassosa una per una per l'ispezione.Poiché il gas SF₆ all'interno della GIS era diventato tossico dopo il test, il 12 dicembre 2022, dopo il recupero del gas e lo smontaggio dell'equipaggiamento per l'ispezione, si è scoperto che l'isolatore di supporto del bus trifase nella sezione inferiore del bus verticale nella cella 02 - 5 del bus 1M - C era fratturato. Il conduttore del bus, la carcassa e gli isolatori adiacenti soddisfacevano tutti i requisiti tecnici del prodotto.
Il produttore ha sostituito l'isolatore anomalo il 13 dicembre, ha reinstallato il bus, e ha completato il trattamento del gas, la rilevazione delle fughe, la misurazione dell'umidità e la misurazione della resistenza del circuito principale. Dopo che i risultati sono risultati conformi, il 14 dicembre, è stato eseguito nuovamente un test di resistenza alla tensione a frequenza di rete utilizzando il metodo di cablaggio di prova menzionato sopra e seguendo la procedura di prova di resistenza all'isolamento del circuito principale. I risultati del test erano conformi (592 kV mantenuti per 1 minuto).
Analisi delle Cause della Frattura dell'Isolatore di Supporto
Ci sono in totale 145 isolatori di supporto nella GIS. Che la frattura dell'isolatore di supporto sia un caso isolato o parte di un problema diffuso in un lotto è di fondamentale importanza per la messa in servizio sicura e affidabile della sottostazione di elevazione. Pertanto, per identificare la causa radicale della frattura dell'isolatore difettoso, sono state condotte indagini dai seguenti aspetti.
Ispettione della Qualità dell'Assemblaggio Sul Campo del Bus
Il bus CX1 - 1C (numero di fabbrica, lo stesso vale per il seguito) è stato assemblato sul campo il 3 dicembre 2022. Durante il processo di assemblaggio, il rappresentante del produttore sul campo ha verificato ciascun elemento contro la "Carta Operativa di Conferma di Accostamento sul Campo". Il proprietario e il supervisore hanno assistito al processo in modo congiunto e l'assemblaggio poteva procedere solo dopo che le tre parti avevano completato le formalità di firma. Dopo il completamento dell'assemblaggio, sono stati eseguiti test di verifica sul campo come contenuto di umidità del gas, rilevazione delle fughe e resistenza del circuito. Questo esclude sostanzialmente la possibilità che la frattura dell'isolatore sia stata causata dalla qualità, dal processo e da altri fattori di assemblaggio sul campo.
Ispettione della Conformità dei Materiali degli Isolatori di Supporto per i Bus
L'isolatore di supporto fratturato ha un numero di uscita di fabbrica Z220704 - 1G1, prodotto da una società affiliata del produttore nel luglio 2022. Prima di lasciare la fabbrica, questo isolatore di supporto ha subito controlli e prove, inclusa l'ispezione visiva, la misurazione dimensionale, la prova di temperatura di vitrificazione, la rivelazione di difetti con raggi X e la prova elettrica, tutte le quali hanno mostrato la conformità.
I rapporti di ispezione di uscita di fabbrica e i registri di ispezione in entrata degli isolatori indicano che entrambi i risultati di uscita di fabbrica e di ispezione in entrata soddisfano i requisiti.
Ispettione della Storia di Fabbricazione del Bus
Un'indagine sulla storia di assemblaggio dell'unità del bus CX1 - 1C mostra che il produttore ha iniziato la produzione e l'assemblaggio il 20 settembre 2022 e ha completato il lavoro il 12 ottobre 2022. I registri nella tabella della storia di assemblaggio indicano che sia i processi interni che esterni hanno soddisfatto i requisiti tecnici e standard di processo specificati nei disegni, senza anomalie rilevate. Pertanto, si può escludere che i processi elencati nella tabella della storia di fabbricazione abbiano causato la frattura dell'isolatore di supporto.
Ispettione dei Test di Uscita di Fabbrica del Bus
Il bus CX1 - 1C ha subito test di impulso fulmineo, resistenza alla tensione a frequenza di rete e scariche parziali in fabbrica il 6 ottobre 2022, tutti superati al primo tentativo, e i risultati delle prove erano conformi. Ciò indica che il bus e gli isolatori erano normali quando sono usciti dalla fabbrica.
Ispettione degli Isolatori di Supporto Anomali
Le ispezioni vengono effettuate da aspetti come la natura del guasto degli isolatori di supporto anomali e le prove di verifica (inclusa l'ispezione dimensionale, la rivelazione di difetti, l'analisi dei materiali, ecc.).
Natura del Guasto
L'analisi del percorso di scarica superficiale di questo isolatore mostra che c'è un'usura completa nella parte isolante tra l'elettrodo ad alta tensione e l'elettrodo a bassa tensione. In generale, l'usura completa di un isolatore si verifica a causa della presenza di certi difetti all'interno della parte isolante, o a causa di stress meccanico aggiuntivo, che causa crepe all'interno della parte isolante, e quindi si verifica un cedimento completo lungo le crepe.
Prove di Verifica
Ricontrollo dimensionale. Il ricontrollo dimensionale dell'isolatore di supporto anomalo era conforme. I risultati del ricontrollo sono mostrati nella Tabella 1.
Rivelazione di difetti con raggi X. È stata effettuata una rivelazione di difetti con raggi X sull'isolatore di supporto anomalo, e non sono stati trovati difetti esterni oltre alle crepe di frattura.Ricontrollo del materiale resina. Sono stati prelevati campioni dagli esemplari anomali per un ricontrollo della densità, del tasso di contenuto del riempitore e della temperatura di transizione vetrosa, e i risultati erano conformi. I risultati della rilevazione del materiale resina sono mostrati nella Tabella 2.
Ricontrollo dell'interfaccia di legame resina-elettrodo. È stata tagliata l'area non scaricata dell'isolatore e la superficie di legame resina-metallo dell'isolatore è stata colorata per la rivelazione di difetti. A parte la penetrazione locale leggera dell'agente di colorazione alla frattura, il resto dell'area era normale, dimostrando che non c'erano difetti all'interno della resina e che la resina era ben legata all'elettrodo.
Ricontrollo della fusione della resina. Dopo che la resina dell'isolatore di supporto anomalo è stata fusa ad alta temperatura, l'elettrodo è stato ricontrollato. C'era una deformazione anomala locale nella posizione del punto di scarica sulla superficie arcuata dell'elettrodo ad alta tensione. In conclusione, durante il processo di fabbricazione dell'isolatore di supporto, un'operazione impropria ha causato una deformazione anomala della superficie arcuata dell'elettrodo ad alta tensione. Poiché la deformazione era minima, gli operatori non sono riusciti a rilevarla tempestivamente, consentendo ai componenti difettosi di entrare nel processo successivo e alla fine portando alla colata dell'isolatore.
Questo guasto è stato causato da un'operazione non standard degli operatori, che ha portato a una deformazione anomala dell'elettrodo e successivamente alla frattura dell'isolatore. La struttura di questo isolatore di supporto è una struttura di isolamento che il produttore sta utilizzando. Dal 2003, sono stati prodotti più di 36.000 isolatori che funzionano in modo affidabile sul campo. Pertanto, la frattura di questo isolatore di supporto è un caso isolato.
Verifica di Simulazione
Per motivi di sicurezza, è stata effettuata una verifica di simulazione sul bus con questa struttura di isolatore.Applicazione della tensione: il conduttore centrale e l'elettrodo ad alta tensione dell'isolatore sono a 1675 kV, mentre la carcassa, la base di supporto e l'elettrodo a bassa tensione dell'isolatore sono a potenziale 0.
Criteri di giudizio: alla pressione funzionale minima del gas di 0,45 MPa, l'intensità del campo elettrico di superficie dell'isolatore non dovrebbe superare 12 kV/mm, e l'intensità del campo elettrico dell'elettrodo ad alta tensione dell'isolatore non dovrebbe superare 50 kV/mm.
I risultati della simulazione mostrano che l'intensità massima del campo elettrico di superficie dell'isolatore è 10,5 kV/mm, che è inferiore a 12 kV/mm, e il risultato è conforme. L'intensità massima del campo elettrico sulla superficie dell'elettrodo ad alta tensione è 21,2 kV/mm. Convertito alla condizione di una tensione a frequenza di rete di 318 kV, l'intensità massima del campo elettrico è 40,2 kV/cm, che è inferiore a 50 kV/cm, e il risultato è anche conforme.
La GIS a 550 kV della sottostazione di elevazione a 500 kV è stata energizzata con successo per la prima volta il 28 dicembre 2022. L'Unità 2 è stata collegata alla rete per la prima volta il 29 novembre 2023. Tutte le attrezzature nella sottostazione hanno superato il test di pressione e stanno funzionando normalmente.
Conclusione
Per l'importante attrezzatura ad alta tensione di 110 kV e superiore, è necessario seguire rigorosamente i requisiti pertinenti della DL/T 586—2008 "Linee Guida Tecniche per la Sorveglianza della Produzione di Attrezzature Elettriche" per rafforzare la sorveglianza basata in fabbrica dell'attrezzatura e controllare la qualità di fabbricazione dell'attrezzatura dalla fonte. I produttori di GIS devono migliorare la consapevolezza del controllo della qualità, esaminare in modo esaustivo i punti critici di rischio qualitativo in ogni postazione e migliorare documenti come specifiche operative, standard operativi e procedure operative per l'assemblaggio del prodotto a tutti i livelli di tensione. Un controllo complessivo dovrebbe essere esercitato su link come l'acquisto dei componenti, la progettazione del prodotto, la tecnologia di lavorazione dei componenti, l'ispezione in entrata, l'assemblaggio del prodotto, la prova e l'installazione sul sito per garantire la sicurezza, la stabilità e l'affidabilità dei prodotti.
