550kV GIS 내압 시험의 이상 분석 및 처리
가스절연금속제폐쇄형개폐장치(GIS)는 회로차단기(GCB), 분리기(DS), 접지스위치(ES)와 같은 개폐장치와 전압변환기, 전류변환기, 서지보호기, 폐쇄버스바 등의 단위로 구성된 개폐장치입니다. 고전위 부품은 모두 우수한 절연 및 소멸 특성을 가진 SF₆ 가스로 충전된 접지된 폐쇄형 금속 케이스 내에 배치됩니다. GIS는 구조가 컴팩트하고, 차지 면적이 작으며 유지 보수가 적게 필요하며 설치가 쉽고, 중단 성능이 좋고 간섭이 없으며, 전력 시스템에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
특정 회사의 500kV 변전소에서 사용되는 550kV GIS는 이중 버스바 배선 구조를 채택하고 있으며, 2개의 주 변압기 입력 라인, 1개의 시작 및 대기 변압기 입력 라인, 2개의 출력 라인, 1개의 버스 연결로 총 6개의 회로 차단기를 갖추고 있습니다. 각 1M과 2M에는 1 PT 베이가 장착되어 있습니다. 제조일은 2022년 10월 28일이며, 현장 조립 완료일은 2022년 12월 10일입니다. 인계 내압 테스트 중 지지 절연체에서 이상적인 파손이 발생했습니다.
이상 위치, 현장 조립 품질, 재료 준수, 공장 제조 이력, X-레이 결함 검출, 수지 용해, 전기장 시뮬레이션 등 다양한 측면에서 분석을 수행하였습니다. 지지 절연체의 파손 원인이 확인되었으며, GIS 제조 과정에서 감독 및 품질 관리를 강화하기 위한 제안이 제시되었습니다.가스절연금속제폐쇄형개폐장치의 현장 내압 및 절연 테스트 지침과 승인된 테스트 계획.
테스트 전압
제조사가 지정한 740kV의 정격 단시간 전원 주파수 내압 값의 80%인 592kV를 1분 동안 적용합니다.
테스트 대상 장비가 충족해야 하는 조건
테스트 방법 및 기준
테스트 대상 GIS의 테스트 전압은 먼저 0V에서 318kV로 증가하여 5분간 유지한 후 473kV로 증가하여 3분간 유지합니다. 마지막으로 테스트 전압은 592kV의 정격 내압 값으로 증가하여 1분간 유지합니다. 파손이 없다면 합격으로 간주됩니다.
이상점 탐색 및 처리
파손 이상 개요
2022년 12월 11일 오후 2시 3분, 현장에서 550kV GIS의 주 회로에 대한 절연 인계 내압 테스트를 수행하였습니다. B상과 C상을 테스트하는 동안 전압을 318kV로 증가하여 5분간 유지하였고, 테스트를 통과하였습니다. 전압을 473kV로 증가하여 2분간 유지하던 중 파손이 발생하였습니다. 전압이 갑자기 0V로 떨어졌으며, 변전소에서 상대적으로 큰 비정상 소리가 들려 테스트가 중단되었습니다. 안전 조치를 취한 후 1M-C 상의 주 회로 대지 절연 저항을 측정한 결과 400 MΩ였고, 나머지 부분은 200 GΩ였습니다. 1M-C 상의 특정 장치에 문제가 있다는 것이 확인되었습니다. 내압 테스트 배선과 이상 영역은 도표 1에 표시되어 있습니다. 도표에서 검은색 부분은 전압 적용 범위를 나타냅니다.
도표 1에서 볼 수 있듯이 전압 적용 범위는 1M 버스에 의해 운반되는 6개의 회로 차단기, 6개의 버스 분리기, 2개의 선측 분리기, 5세트의 공기 부싱, 1M에 의해 운반되는 PT의 1개 버스 분리기, 2M의 6개 버스 분리기를 포함합니다. 전압 적용 포인트는 실외 2번 주 변압기의 입구 라이저에 설정되었습니다.
이상점 탐색 과정
GIS는 완전히 폐쇄된 구조를 가지고 있으며, 여러 독립적인 구성 요소들이 통합된 하나의 전체를 형성합니다. 1M과 관련된 장비는 83개의 독립적인 가스 구역을 가지고 있어 이상점을 찾는 것이 상당히 어려웠습니다. 연구 후, 점진적 제거 방법을 채택하여 이상 장비의 범위를 좁혔습니다.
GIS의 완전히 폐쇄된 구조로 인해 절연은 노출된 부분에서만 측정할 수 있으며, 절연 측정 포인트는 모두 실외 15미터 높이의 라이저 좌석 위에 있습니다. 절연을 측정할 때 많은 제약 요소가 있습니다. 예를 들어, 작업자는 크레인을 이용해 출입해야 하며, 연락을 위해 통신 도구가 필요하며, 측정 중에 테스트 리드를 계속 변경해야 합니다. 분석 결과, 1M과 관련된 PT 분리기를 닫고 PT의 2차 접지선을 제거하면 PT를 절연 측정 포인트로 사용하는 것이 매우 편리하며, 검사자가 통신 도구에 의존하지 않고 실시간으로 의사소통할 수 있었습니다.
GIS 1M에 연결된 모든 분리기는 열렸고, 모든 회로 차단기는 닫혔습니다. 그런 다음, 전압 적용 포인트부터 시작하여 1M에 연결된 분리기(1M VT 분리기를 제외)를 순서대로 닫으면서 각각의 분리기가 닫힐 때마다 절연을 측정하였습니다. 결국 1M-C 버스의 5W11 출구 구간에서 주 회로의 절연이 400 MΩ로 측정되었습니다. 이 구간의 회로 차단기를 열어 이상점을 최종적으로 1M-C 상의 선측 분리기에서 실외 GIS 부싱까지의 영역으로 확정하였습니다.
도표 1에서의 이상 영역은 격리되었고, 비이상 부분에 대해 주 절연 내압 테스트 절차에 따라 두 번째 전압을 적용하였습니다. 결과는 적합했으며, 남은 장비들에 대한 전원 주파수 내압 테스트는 모두 성공적으로 통과되었습니다.
이상점 처리
이상 영역에는 5개의 독립적인 가스 구역이 있었습니다. 정확한 이상점 위치를 파악하기 위해 각각의 가스 구역을 순서대로 열어 검사를 수행해야 했습니다.테스트 후 GIS 내부의 SF₆ 가스가 유독해지자, 2022년 12월 12일 가스를 회수하고 장비를 분해하여 검사한 결과, 1M-C 버스의 02-5 가스 구역의 수직 버스바 하단 세 가지 버스바의 지지 절연체가 파손되어 있었습니다. 버스바 전도체, 케이싱, 인접 절연체는 모두 제품 기술 요구 사항을 충족하였습니다.
제조사는 2022년 12월 13일 이상 절연체를 교체하고 버스바를 재설치하여 가스 처리, 누설 검사, 습도 측정, 주 회로 저항 측정을 완료하였습니다. 결과가 적합하다고 확인된 후, 2022년 12월 14일 위에서 언급한 테스트 배선 방법과 주 회로 절연 내압 테스트 절차에 따라 다시 전원 주파수 내압 테스트를 수행하였습니다. 테스트 결과는 적합했습니다(592kV 1분 유지).
지지 절연체 파손 원인 분석
GIS에는 총 145개의 지지 절연체가 있습니다. 파손된 지지 절연체가 단일 사례인지, 아니면 일괄적인 문제의 일부인지 여부는 승압 변전소의 안전하고 신뢰할 수 있는 운영에 중요한 문제입니다. 따라서, 고장 절연체의 파손 원인을 파악하기 위해 다음과 같은 측면에서 조사가 수행되었습니다.
버스바 현장 조립 품질 검사
CX1-1C(공장 번호, 아래와 동일) 버스바는 2022년 12월 3일 현장에서 조립되었습니다. 조립 과정 중 제조사의 현장 대표는 "현장 도킹 확인 작업 항목 카드"에 따라 각 항목을 검증하였습니다. 소유주와 감독자가 함께 과정을 목격하였으며, 세 당사자가 서명 절차를 완료한 후에야 조립이 진행되었습니다. 조립이 완료된 후, 가스 습도, 누설 검사, 루프 저항 등의 현장 검증 테스트를 수행하였습니다. 이로써 현장 조립 품질, 공정 등으로 인한 절연체 파손 가능성은 거의 배제되었습니다.
버스바 지지 절연체의 재료 준수 검사
파손된 지지 절연체의 공장 출고 번호는 Z220704-1G1이며, 제조사의 자회사에서 2022년 7월에 제조되었습니다. 공장 출고 전, 이 지지 절연체는 시각 검사, 치수 측정, 유리화 온도 테스트, X-레이 결함 검사, 전기 테스트 등을 거쳤으며, 모두 적합 판정을 받았습니다.
절연체의 공장 출고 검사 보고서와 입고 검사 기록에 따르면, 공장 출고와 입고 검사 결과 모두 요구 사항을 충족하였습니다.
버스바 제조 이력 검사
CX1-1C 버스바 유닛의 조립 이력을 조사한 결과, 제조사는 2022년 9월 20일부터 생산 및 조립을 시작하여 2022년 10월 12일 완료하였습니다. 조립 이력 표의 기록에 따르면, 내부 및 외부 조립 공정 모두 도면에서 명시된 기술 요구 사항 및 공정 기준을 충족하였으며, 이상이 발견되지 않았습니다. 따라서 제조 이력 표에 나열된 공정으로 인해 지지 절연체가 파손된 것은 배제될 수 있습니다.
버스바 공장 출고 테스트 검사
CX1-1C 버스바는 2022년 10월 6일 제조사 공장에서 천둥 임펄스, 전원 주파수 내압, 국부 방전 테스트를 수행하였으며, 모두 첫 시도에서 통과하였고, 테스트 결과는 적합 판정을 받았습니다. 이는 버스바와 절연체가 공장 출고 시 정상이었다는 것을 나타냅니다.
이상 지지 절연체 검사
이상 지지 절연체의 고장 성질과 검증 테스트(치수 검사, 결함 검사, 재료 분석 등) 측면에서 검사를 수행하였습니다.
고장 성질
이 절연체의 표면 방전 경로를 분석한 결과, 고전압 전극과 저전압 전극 사이의 절연 부분에 관통 손상이 있음을 확인하였습니다. 일반적으로 절연체의 관통 손상은 절연 부분 내부에 특정 결함이 존재하거나 추가적인 기계적 응력으로 인해 절연 부분 내부에 균열이 생겨, 그 균열을 통해 관통 방전이 발생합니다.
검증 테스트
치수 재검사. 이상 지지 절연체의 치수 재검사는 적합 판정을 받았습니다. 재검사 결과는 표 1에 표시되어 있습니다.
X-레이 결함 검사. 이상 지지 절연체에 대한 X-레이 결함 검사를 수행하였으며, 파손 균열 외에는 외부 결함이 발견되지 않았습니다.수지 재료 재검사. 이상 시료에서 샘플을 채취하여 밀도, 필러 함량률, 유리 전이 온도를 재검사하였으며, 결과는 적합 판정을 받았습니다. 수지 재료 검사 결과는 표 2에 표시되어 있습니다.
수지-전극 접착 인터페이스 재검사. 절연체의 방전되지 않은 영역을 절단하고, 절연체의 수지-금속 접착 면을 염색하여 결함 검사를 수행하였습니다. 파손 부위에서 염색제의 국소적인 침투를 제외하고 나머지 영역은 정상이었으며, 이는 수지 내부에 결함이 없으며 수지가 전극과 잘 접착되었다는 것을 증명하였습니다.
수지 용융 재검사. 이상 지지 절연체의 수지를 고온에서 녹인 후, 전극을 재검사하였습니다. 고전압 전극의 아치형 표면의 방전 포인트 위치에서 국소적인 비정상적인 변형이 있었습니다.결론적으로, 지지 절연체 제조 과정에서 부적절한 조작으로 인해 고전압 전극의 아치형 표면에 비정상적인 변형이 발생하였습니다. 변형이 미미하여 작업자가 즉시 이를 감지하지 못했고, 결함있는 부품이 다음 공정으로 진입하여 결국 절연체가 주조되었습니다.
이 고장은 작업자의 비표준적인 조작으로 인해 전극의 비정상적인 변형이 발생하여 절연체가 파손된 것입니다. 이 지지 절연체의 구조는 제조사가 2003년 이후 36,000개 이상의 절연체를 제조하여 현장에서 안정적으로 운영되고 있는 절연 구조입니다. 따라서 이 지지 절연체의 파손은 단일 사례입니다.
시뮬레이션 검증
안전을 위해, 이 절연체 구조를 가진 버스바에 대한 시뮬레이션 검증을 수행하였습니다.전압 적용: 절연체의 중심 전도체와 고전압 전극은 1675kV, 절연체의 케이싱, 지지 기반, 저전압 전극은 0전위입니다.
판정 기준: 최소 기능 가스 압력 0.45MPa에서 절연체의 표면 플래시오버 전기장 강도는 12kV/mm를 초과해서는 안 되며, 절연체의 고전압 전극의 전기장 강도는 50kV/mm를 초과해서는 안 됩니다.
시뮬레이션 결과, 절연체의 최대 표면 플래시오버 전기장 강도는 10.5kV/mm로 12kV/mm보다 작아 적합 판정을 받았습니다. 고전압 전극 표면의 최대 전기장 강도는 21.2kV/mm입니다. 318kV의 전원 주파수 전압 조건으로 환산하면 최대 전기장 강도는 40.2kV/cm로 50kV/cm보다 작아 적합 판정을 받았습니다.
500kV 승압 변전소의 550kV GIS는 2022년 12월 28일 처음으로 전력이 공급되었습니다. 2호기는 2023년 11월 29일 처음으로 그리드에 연결되었습니다. 변전소의 모든 장비는 내압 테스트를 견디고 정상적으로 운영되고 있습니다.
결론
110kV 이상의 중요한 고전압 장비에 대해서는 DL/T 586-2008 "전력 장비 제조 감독 기술 지침"의 관련 요구 사항을 엄격히 준수하여 장비의 공장 기반 감독을 강화하고, 장비 제조 품질을 원천적으로 관리해야 합니다. GIS 제조사는 품질 관리 의식을 강화하고, 각 포스트의 품질 관련 위험 포인트를 종합적으로 정리하며, 모든 전압 수준의 제품 조립을 위한 작업 규칙, 작업 표준, 작업 절차 등의 문서를 개선해야 합니다. 부품 조달, 제품 설계, 부품 가공 기술, 입고 검사, 제품 조립, 테스트, 현장 설치 등의 모든 링크에 대해 종합적인 관리를 수행하여 제품의 안전성, 안정성, 신뢰성을 보장해야 합니다.
