550kV GIS耐電圧試験の異常分析と処理
ガス絶縁金属閉鎖型開閉装置（GIS）は、遮断器（GCB）、分離器（DS）、接地スイッチ（ES）などの切り替え機器や、電圧変換器、電流変換器、避雷器、閉鎖バスバーなどのユニットで構成される切り替え装置です。高電位部品はすべて、優れた絶縁および消弧特性を持つSF₆ガスを充填した接地された金属製の密閉シェル内に配置されています。GISはコンパクトな構造、小さな敷地面積、低いメンテナンス要件、簡単な設置、良好な切断性能、干渉なしという特徴があり、電力システムでの使用がますます広まっています。
ある会社の500 kV昇圧変電所の550 kV GISは、二重母線配線方式を採用しており、2つの主変圧器入線、1つの始動・予備変圧器入線、2つの出線、および1つの母線連結線があり、合計6つの遮断器があります。1Mと2Mにはそれぞれ1 PTベイが装備されています。製造は2022年10月28日に行われ、現場組み立ては2022年12月10日に完了しました。引き渡し耐電圧試験中に支持絶縁体が異常な破壊を起こしました。
異常発生場所、現場組み立て品質、材料適合性、工場製造履歴、X線検査、樹脂溶解、電界シミュレーションといった観点から分析が行われました。支持絶縁体の破断原因が特定され、GIS製造過程における監視強化と品質管理に関する提案がされました。ガス絶縁金属閉鎖型開閉装置の現場耐電圧および絶縁試験ガイドライン、および承認された試験計画。
試験電圧
メーカーによって指定された740 kVの定格短時間商用周波数耐電圧値の80%である592 kVを採用し、持続時間は1分です。
試験対象設備が満たすべき条件
試験方法と基準
試験対象のGISの試験電圧はまず0 Vから318 kVまで上昇させ、5分間保持し、その後473 kVまで上昇させて3分間保持する。最後に試験電圧を定格耐電圧値の592 kVまで上昇させて1分間保持する。破壊がない場合は合格とする。
異常点の検索と処理
破壊異常の概要
2022年12月11日の14時3分、建設現場の変電所の550 kV GISにおいて、主回路の絶縁引き渡し耐電圧試験が行われました。B相とC相の試験では、電圧が318 kVまで上昇し、5分間保持して試験に合格しました。電圧が473 kVまで上昇し、2分間保持中に破壊が発生しました。電圧が突然0 Vに下がり、変電所内で比較的大きな異常音が聞こえ、試験が中断されました。安全措置を講じた後、1M - C相の主回路の絶縁抵抗を測定すると400 MΩであり、残りの部分は200 GΩでした。1M - C相の特定の装置に故障があると判断されました。耐電圧試験の配線と異常領域は図1に示されています。図中の黒い部分は電圧適用範囲を示しています。
図1から、電圧適用範囲には以下のものが含まれることがわかります：1Mバスに搭載された6つの遮断器、6つのバス分離器、2つの線側分離器、5セットの空気ブッシング、1Mに搭載されたPTのバス分離器1つ、2Mのバス分離器6つ。電圧適用点は屋外の第2主変圧器の入線ライザーに設定されました。
異常点の検索プロセス
GISは完全に密閉された構造を持ち、複数の独立したコンポーネントが一体となった全体となっています。1Mに関連する設備には83の独立したガス区画があり、異常点の特定は非常に困難です。研究の結果、ポイントバイポイントの排除法が採用され、異常設備の範囲を狭めました。
GISは完全に密閉された構造を持っているため、露出部でのみ絶縁を測定することができます。絶縁測定点はすべて屋外の15メートルの高いライザーシート上にあります。絶縁を測定する際には多くの制約要因があります。例えば、作業員はクレーンを使用して上下する必要があり、通信ツールが必要で、測定中にテストリードを頻繁に変更する必要があります。分析の結果、1Mに関連するPT分離スイッチを閉じて、PTの二次接地線を取り除くことで、PTを絶縁測定点として使用することが非常に便利になり、検査員は通信ツールに依存せずにリアルタイムでコミュニケーションを行うことができることがわかりました。
GIS 1Mに接続されている全ての分離スイッチを開き、全ての遮断器を閉じました。その後、電圧適用点からのインターバルから始め、1Mに接続されている分離スイッチ（1M VT分離スイッチを除く）を一つずつ閉じ、各分離スイッチを閉じるたびに絶縁を測定しました。最終的に、1M - Cバスの出線インターバル5W11で、主回路の絶縁が400 MΩと測定されました。さらにこのインターバルの遮断器を開いたところ、異常点はこの遮断器の線側分離スイッチから屋外のGISブッシングまでの領域にあることが確定しました。
図1の異常領域を隔離し、非異常部分に対して主絶縁耐電圧試験手順に基づいて2回目の電圧適用を行いました。結果は合格でした。残りの設備に対して商用周波数耐電圧試験を行い、全て無事に合格しました。
異常点の処理
異常領域には5つの独立したガス区画がありました。正確に異常点を特定するためには、各ガス区画を一つずつ開けて検査する必要がありました。試験後にGIS内部のSF₆ガスが有毒になったため、2022年12月12日にガスを回収し、設備を分解して検査した結果、1M - Cバスの02-5ガス区画の垂直バスの下部にある三分岐バスの支持絶縁体が破断していることがわかりました。バス導体、ハウジング、および隣接する絶縁体は全て製品技術要件を満たしていました。
製造元は2022年12月13日に異常な絶縁体を交換し、バスを再設置し、ガス処理、リーク検査、水分量測定、主回路抵抗測定を完了しました。結果が合格であることが確認された後、2022年12月14日には前述の試験配線方法と主回路絶縁耐電圧試験手順に従って再度商用周波数耐電圧試験を行いました。試験結果は合格でした（592 kV、1分間保持）。
支持絶縁体の破断原因の分析
GISには合計145個の支持絶縁体があります。破断した支持絶縁体が孤立したケースか、または一括的な問題の一部かは、昇圧変電所の安全かつ信頼性のある運転にとって重要な問題です。そのため、故障絶縁体の破断原因を特定するために、以下の観点から調査が行われました。
バスの現場組み立て品質の検査
CX1-1C（工場番号、以下同様）バスは2022年12月3日に現場で組み立てられました。組み立てプロセス中、製造元の現場代表者は「現場ドッキング確認操作項目カード」に基づいて各項目を確認しました。所有者と監督者が共同で見守り、三方が署名手続きを完了した後、組み立てが進みました。組み立てが完了した後、ガス水分量、リーク検査、ループ抵抗など、現場での検証試験が行われました。これにより、現場組み立て品質、プロセスその他の要因による絶縁体の破断の可能性は基本上排除されました。
バス用支持絶縁体の材料適合性の検査
破断した支持絶縁体の工場出荷番号はZ220704-1G1で、2022年7月に製造元の子会社によって製造されました。この支持絶縁体は、出荷前に目視検査、寸法測定、ガラス化温度試験、X線検査、電気試験を行い、全て合格しました。
絶縁体の工場出荷検査報告書と入庫検査記録によると、工場出荷時の検査結果と入庫検査結果は両方とも要件を満たしていました。
バス製造履歴の検査
CX1-1Cバスユニットの組み立て履歴の調査では、製造元は2022年9月20日に生産と組み立てを開始し、2022年10月12日に完了しました。組み立て履歴表の記録によると、内部および外部の組み立てプロセスは図面で指定された技術要件と工程標準を満たしており、異常はありませんでした。したがって、製造履歴表に記載されたプロセスが支持絶縁体の破断を引き起こしたとは除外できます。
バスの工場出荷試験の検査
CX1-1Cバスは2022年10月6日に製造元の工場で落雷衝撃試験、商用周波数耐電圧試験、局所放電試験を行い、全て初回で合格し、試験結果は合格でした。これは、バスと絶縁体が工場出荷時に正常だったことを示しています。
異常支持絶縁体の検査
異常な支持絶縁体について、故障の性質と検証試験（寸法検査、欠陥検知、材料分析など）の観点から検査が行われました。
故障の性質
この絶縁体の表面放電パスの分析では、高電圧電極と低電圧電極間の絶縁部に貫通損傷が見られました。一般的に、絶縁体の貫通損傷は、絶縁部内に特定の欠陥がある場合、または追加の機械的ストレスにより絶縁部内に亀裂が生じ、その亀裂に沿って貫通破壊が発生します。
検証試験
寸法再検査。異常な支持絶縁体の寸法再検査は合格しました。再検査結果は表1に示されています。
X線検査。異常な支持絶縁体に対してX線検査を行い、破断亀裂以外の外部欠陥は見つかりませんでした。樹脂材料の再検査。異常サンプルからサンプリングを行い、密度、充填剤含有率、ガラス転移温度の再検査を行い、結果は合格でした。樹脂材料の検査結果は表2に示されています。
絶縁体の樹脂-電極結合界面の再検査。絶縁体の非放出領域を切断し、絶縁体の樹脂-金属結合面に染色して欠陥検査を行いました。破断部位での局部的な染色剤の浸透を除いて、他の領域は正常であり、樹脂内部に欠陥がなく、樹脂が電極に良好に接着されていることが証明されました。
樹脂溶融の再検査。異常な支持絶縁体の樹脂を高温で溶かした後、電極を再検査しました。高電圧電極のアーチ状表面の放電点位置に局部的な異常変形がありました。結論として、支持絶縁体の製造過程で不適切な操作により、高電圧電極のアーチ状表面に異常な変形が生じました。変形が微小であったため、作業者がそれを適時に検出できず、不良部品が次の工程へと進み、最終的に絶縁体の澱粉に至りました。
この故障は、作業者の非標準的な操作により電極に異常な変形が生じ、それが絶縁体の破断につながったものです。この支持絶縁体の構造は、製造元が長年使用している絶縁構造です。2003年以降、36,000個以上の絶縁体が製造され、現場で安定して動作しています。したがって、この支持絶縁体の破断は孤立した事例です。
シミュレーション検証
安全性の観点から、この絶縁体構造を持つバスに対してシミュレーション検証が行われました。電圧適用：絶縁体の中心導体と高電圧電極は1675 kV、ハウジング、支持ベース、および低電圧電極は0ポテンシャルです。
判定基準：最小機能ガス圧0.45 MPaの条件下で、絶縁体の表面フラッシュオーバー電界強度は12 kV/mmを超えてはならず、絶縁体の高電圧電極の電界強度は50 kV/mmを超えてはなりません。
シミュレーション結果によると、絶縁体の最大表面フラッシュオーバー電界強度は10.5 kV/mmであり、これは12 kV/mm未満であり、結果は合格です。高電圧電極表面の最大電界強度は21.2 kV/mmです。商用周波数電圧318 kVの条件下で換算すると、最大電界強度は40.2 kV/cmであり、これは50 kV/cm未満であり、結果も合格です。
500 kV昇圧変電所の550 kV GISは2022年12月28日に初めて電源投入に成功しました。2号機は2023年11月29日に初めて電網に接続されました。変電所内の全ての設備は圧力試験に耐え、正常に動作しています。
結論
110 kV以上の重要高電圧設備については、DL/T 586-2008「電力設備製造監視技術指針」の関連要件を厳格に遵守し、設備の工場ベースの監視を強化し、設備の製造品質を根本から制御する必要があります。GIS製造業者は品質管理意識を高め、各職場の品質関連リスクポイントを総合的に整理し、全電圧レベルの製品組み立てに関する作業規程、作業標準、作業手順などの文書を改善する必要があります。部品調達、製品設計、部品加工技術、入庫検査、製品組み立て、試験、現場設置などの各リンクを総合的に制御し、製品の安全性、安定性、信頼性を確保しなければなりません。
