Analiza i obsługa anomalii podczas próby wytrzymałości na napięcie GIS 550 kV
Gazowy izolowany metalowy zamek przelącznikowy (GIS) to urządzenie przełączające składające się z urządzeń takich jak wyłomowe (GCB), rozłączniki (DS), rozłączniki ziemne (ES) oraz jednostek takich jak transformatory napięciowe, transformatory prądowe, zaslonki przeciwuderzowe i zamknięte szyny. Wysokonapotencjalne komponenty są umieszczone wewnątrz ziemnego zamkniętego metalowego obudowy, który jest wypełniony gazem SF₆ o doskonałych właściwościach izolacyjnych i gaszących łuki jako środek izolujący. GIS charakteryzuje się zwartą konstrukcją, małym wymiarem, niskimi wymaganiami utrzymania, łatwą instalacją, dobrym przerywaniem, brakiem zakłóceń i jest coraz szerzej stosowany w systemach energetycznych.
550 kV GIS w 500 kV stacji podwyższającej pewnej firmy używa struktury układu podwójnej szyny, z 2 liniami wejściowymi głównego transformatora, 1 linią wejściową startowego i rezerwowego transformatora, 2 liniami wyjściowymi i 1 połączeniem między szynami, co daje łącznie 6 wyłomowych. Każda z 1M i 2M jest wyposażona w 1 zatoka PT. Wyprodukowany został 28 października 2022 roku, a montaż na miejscu ukończono 10 grudnia 2022 roku. Podczas testu wytrzymałości izolacji doszło do nietypowego przepalenia izolatora podporowego.
Analizy zostały przeprowadzone pod kątem lokalizacji anomalii, jakości montażu na miejscu, zgodności materiałów, historii produkcji w fabryce, detekcji defektów przez promieniowanie X, rozpuszczalności żywicy i symulacji pola elektrycznego. Zidentyfikowano przyczynę pęknięcia izolatora podporowego i zaproponowano sugestie dotyczące wzmocnienia nadzoru i kontroli jakości w procesie produkcji GIS. Przewodnik testu wytrzymałości izolacji i testu izolacji dla gazowego izolowanego metalowego zamkniętego przelącznika, oraz zatwierdzony plan testów.Napięcie testowe
Napięcie testowe
Przyjęto 80% wartości krótkoterminowej wytrzymałości napięcia sieciowego częstotliwości przemiennego określonej przez producenta, wynoszącej 740 kV, co daje 592 kV, z czasem trwania 1 minuta.
Warunki, które powinno spełniać testowane urządzenie
Metoda i kryteria testu
Napięcie testowe dla testowanego GIS powinno być zwiększane od 0 V do 318 kV, utrzymywane przez 5 minut, następnie zwiększone do 473 kV i utrzymane przez 3 minuty. Ostatecznie napięcie testowe jest zwiększane do nominalnej wartości wytrzymałości napięcia 592 kV i utrzymywane przez 1 minutę. Jeśli nie wystąpi przepalenie, jest uważane za dopuszczalne.
Poszukiwanie i obsługa punktów anomalii
Przegląd anomalii przepalenia
11 grudnia 2022 roku o godzinie 14:03 przeprowadzono test wytrzymałości izolacji głównej obwodu 550 kV GIS na stacji budowlanej. Podczas testowania faz B i C, napięcie zostało zwiększone do 318 kV i utrzymane przez 5 minut, co przeszło test. Gdy napięcie zostało zwiększone do 473 kV i utrzymane przez 2 minuty, nastąpiło przepalenie. Napięcie nagle spadło do 0 V, a w stacji usłyszano stosunkowo głośny nietypowy dźwięk, co przerwało test. Po podjęciu środków bezpieczeństwa zmierzono opór izolacji do ziemi dla fazy C 1M, wynoszący 400 MΩ, a reszta wyniosła 200 GΩ. Uznano, że wystąpił awaria w pewnym urządzeniu noszonym przez fazę C 1M. Układ do testu wytrzymałości napięcia i obszar anomalii pokazany jest na Rysunku 1. Czarna część na rysunku wskazuje zakres podnoszenia napięcia.
Z Rysunku 1 można zobaczyć, że zakres podnoszenia napięcia obejmuje: 6 wyłomowych przenoszonych przez szynę 1M, 6 rozłączników szyn, 2 rozłączniki stron liniowych, 5 zestawów wtyków powietrznych, 1 rozłącznik PT przenoszony przez 1M, i 6 rozłączników szyn 2M. Punkt podnoszenia napięcia został ustawiony na podwyższeniu linii wejściowej Głównego Transformatora nr 2 na zewnątrz.
Proces poszukiwania punktów anomalii
GIS ma całkowicie zamkniętą konstrukcję, z wieloma niezależnymi elementami tworzącymi całość. Urządzenia związane z 1M mają 83 niezależne gazy przedziały, co sprawia, że lokalizacja punktów anomalii jest dość trudna. Po badaniach, przyjęto metodę eliminacji punkt po punkcie, aby zawęzić zakres nieprawidłowego sprzętu.
Ze względu na całkowicie zamkniętą konstrukcję GIS, izolację można mierzyć tylko na części niewidoczne, a punkty pomiaru izolacji są wszystkie na 15-metrowych podwyższeniach na zewnątrz. Podczas pomiaru izolacji istnieje wiele ograniczających czynników. Na przykład, personel musi używać dźwigu, aby wejść i zejść, wymagane są narzędzia komunikacyjne do łączności, a przewody testowe muszą być stale zmieniane podczas pomiaru. Analiza wykazała, że zamknięcie rozłącznika PT powiązanego z 1M i usunięcie drugiego przewodu ziemnego PT, pozwoli na bardzo wygodne użycie PT jako punktu pomiaru izolacji, umożliwiając inspektorom komunikację w czasie rzeczywistym bez konieczności korzystania z narzędzi komunikacyjnych.
Wszystkie rozłączniki połączone z GIS 1M były otwarte, a wszystkie wyłomowe były zamknięte. Następnie, zaczynając od przedziału w punkcie podnoszenia napięcia, rozłączniki połączone z 1M (z wyłączeniem rozłącznika VT 1M) były kolejno zamykane, a izolacja była mierzona za każdym razem, gdy rozłącznik był zamykany. Ostatecznie, w przedziale linii wyjściowej 5W11 szyny C 1M, izolacja głównego obwodu została zmierzona na 400 MΩ. Dalsze otwarcie wyłomowego tego przedziału, ostatecznie ustaliło, że punkt anomalii znajduje się w obszarze od rozłącznika stron liniowych tego wyłomowego do zewnętrznych wtyków GIS.
Obszar anomalii na Rysunku 1 został oddzielony, a drugie podnoszenie napięcia zostało wykonane na części nieanomalnej zgodnie z procedurą głównego testu wytrzymałości izolacji. Wyniki pokazały zgodność. Testy wytrzymałości napięcia sieciowego zostały przeprowadzone na pozostałym sprzęcie, wszystko przebiegło gładko.
Obsługa punktów anomalii
Było 5 niezależnych gazowych przedziałów w obszarze anomalii. Aby dokładnie zlokalizować punkt anomalii, było konieczne otwarcie każdego z tych przedziałów gazu po kolei do inspekcji.Ponieważ gaz SF₆ wewnątrz GIS stał się trujący po teście, 12 grudnia 2022 roku, po odzyskaniu gazu i rozmontowaniu sprzętu, stwierdzono, że izolator podporowy trójgałęziowej szyny w dolnej sekcji pionowej szyny w przedziale gazu 02-5 szyny C 1M był pęknięty. Przewód szyny, obudowa i sąsiednie izolatory spełniały wymagania techniczne produktu.
Producent zastąpił anomalię izolatora 13 grudnia, ponownie zainstalował szynę i ukończył obróbkę gazu, detekcję przecieków, pomiary wilgotności i oporu obwodu głównego. Po uzyskaniu wyników zgodnych, 14 grudnia przeprowadzono ponownie test wytrzymałości napięcia sieciowego, używając wspomnianego powyżej układu testowego i postępując zgodnie z procedurą testu wytrzymałości izolacji obwodu głównego. Wyniki testu były zgodne (592 kV utrzymane przez 1 minutę).
Analiza przyczyn pęknięcia izolatora podporowego
W GIS jest łącznie 145 izolatorów podporowych. Niezależnie od tego, czy pęknięty izolator podporowy jest przypadkiem izolowanym, czy częścią problemu ogólno-grupowego, jest kluczowe dla bezpiecznego i niezawodnego uruchomienia stacji podwyższającej. Dlatego, aby zidentyfikować podstawową przyczynę pęknięcia izolatora, przeprowadzono śledztwa z następujących aspektów.
Inspekcja jakości montażu szyny na miejscu
Szyna CX1-1C (numer fabryczny, dalej ten sam) została zmontowana na miejscu 3 grudnia 2022 roku. W trakcie procesu montażu, przedstawiciel producenta na miejscu zweryfikował każdy element według "Karty operacyjnej potwierdzenia dokowania na miejscu". Właściciel i nadzorca wspólnie byli świadkami procesu, a montaż mógł się odbyć dopiero po ukończeniu formalności podpisu przez trzy strony. Po ukończeniu montażu, przeprowadzono testy weryfikacyjne na miejscu, takie jak zawartość wilgoci w gazie, detekcja przecieków i opór obwodu. To w zasadzie wyklucza możliwość, że pęknięcie izolatora było spowodowane jakością montażu, procesem i innymi czynnikami na miejscu.
Inspekcja zgodności materiałów izolatorów podporowych dla szyn
Pęknięty izolator podporowy ma numer fabryczny Z220704-1G1, który został wyprodukowany przez spółkę córkę producenta w lipcu 2022 roku. Przed opuszczeniem fabryki, ten izolator podporowy przeszedł kontrole i testy, takie jak kontrola wizualna, pomiary wymiarów, test temperatury szklenia, detekcja defektów przez promieniowanie X i testy elektryczne, wszystkie zgodne.
Raporty kontroli wyjściowej z fabryki i zapisy kontroli wejściowej izolatorów wskazują, że zarówno wyniki kontroli wyjściowej, jak i wejściowej, spełniają wymagania.
Inspekcja historii produkcji szyny
Sprawdzenie historii montażu jednostki szyny CX1-1C pokazuje, że producent rozpoczął produkcję i montaż 20 września 2022 roku, a pracę ukończył 12 października 2022 roku. Zapisy w tabeli historii montażu wskazują, że zarówno procesy wewnętrzne, jak i zewnętrzne spełniały techniczne wymagania i standardy procesowe określone w rysunkach, bez stwierdzenia anomalii. Dlatego można wykluczyć, że procesy wymienione w tabeli historii produkcji spowodowały pęknięcie izolatora podporowego.
Inspekcja testów wyjściowych z fabryki szyny
Szyna CX1-1C przeszła testy impulsu błyskawicznego, wytrzymałości napięcia sieciowego i testy częściowego rozładowania w fabryce producenta 6 października 2022 roku, wszystkie przeszły z pierwszego podejścia, a wyniki testów były zgodne. To wskazuje, że szyna i izolatory były normalne, gdy opuściły fabrykę.
Inspekcja anomalnych izolatorów podporowych
Inspekcje są prowadzone pod kątem natury awarii anomalnych izolatorów podporowych i testów weryfikacyjnych (w tym kontrole wymiarów, detekcja defektów, analiza materiałów itp.).
Natura awarii
Analiza ścieżki rozładowania powierzchniowego tego izolatora pokazuje, że występuje uszkodzenie przepustowe w części izolacyjnej między elektrodą wysokiego napięcia a elektrodą niskiego napięcia. Ogólnie, uszkodzenie przepustowe izolatora występuje z powodu obecności pewnych defektów wewnątrz części izolacyjnej lub dodatkowego naprężenia mechanicznego, które powoduje pęknięcia wewnątrz części izolacyjnej, a następnie następuje przebicie wzdłuż pęknięć.
Testy weryfikacyjne
Ponowna kontrola wymiarów. Ponowna kontrola wymiarów anomalnego izolatora podporowego była zgodna. Wyniki ponownej kontroli przedstawione są w Tabeli 1.
Detekcja defektów przez promieniowanie X. Przeprowadzono detekcję defektów przez promieniowanie X na anomalnym izolatorze podporowym, nie znaleziono żadnych zewnętrznych defektów poza pęknięciami.Ponowna kontrola materiału żywicowego. Pobrano próbki z anomalnych próbek do ponownej kontroli gęstości, stężenia wypełniacza i temperatury przemiany szklistej, a wyniki były zgodne. Wyniki detekcji materiału żywicowego przedstawione są w Tabeli 2.
Ponowna kontrola powierzchni połączenia żywicy z elektrodą. Wycinano niezalany obszar izolatora, a powierzchnię połączenia żywicy z metalem izolatora barwiło się do detekcji defektów. Z wyjątkiem lokalnego lekkiego przeniknięcia środka barwiącego w miejscu pęknięcia, reszta obszaru była normalna, co dowodzi, że nie było defektów wewnątrz żywicy i że żywica była dobrze połączona z elektrodą.
Ponowna kontrola topienia żywicy. Po stopieniu żywicy anomalnego izolatora podporowego w wysokiej temperaturze, ponownie sprawdzono elektrodę. Była lokalna nietypowa deformacja w miejscu punktu rozładowania na łukowej powierzchni elektrody wysokiego napięcia. Podsumowując, w trakcie procesu produkcji izolatora podporowego, niewłaściwe działanie operatorów spowodowało nietypową deformację łukowej powierzchni elektrody wysokiego napięcia. Ponieważ deformacja była niewielka, operatorzy nie zauważyli jej na czas, co pozwoliło na wprowadzenie defektowych elementów do następnego procesu i ostatecznie na zalewanie izolatora.
Ta awaria była spowodowana niestandardowym działaniem operatorów, co spowodowało nietypową deformację elektrody i ostatecznie pęknięcie izolatora. Struktura tego izolatora podporowego to struktura izolacyjna, którą producent stosuje od 2003 roku, wyprodukowano więcej niż 36 000 izolatorów, które działają niezawodnie w terenie. Dlatego pęknięcie tego izolatora podporowego jest przypadkiem izolowanym.
Symulacja weryfikacyjna
Ze względów bezpieczeństwa przeprowadzono symulację weryfikacyjną na szynie z tą strukturą izolatora.Podnoszenie napięcia: Centralny przewód i elektroda wysokiego napięcia izolatora są na 1675 kV, podczas gdy obudowa, podstawa nośna i elektroda niskiego napięcia izolatora są na potencjale 0.
Kryteria oceny: Przy minimalnym funkcjonalnym ciśnieniu gazu 0,45 MPa, siła pola elektrycznego powierzchniowego izolatora nie powinna przekraczać 12 kV/mm, a siła pola elektrycznego elektrody wysokiego napięcia izolatora nie powinna przekraczać 50 kV/mm.
Wyniki symulacji pokazują, że maksymalna siła pola elektrycznego powierzchniowego izolatora wynosi 10,5 kV/mm, co jest mniejsze niż 12 kV/mm, a wynik jest zgodny. Maksymalna siła pola elektrycznego na powierzchni elektrody wysokiego napięcia wynosi 21,2 kV/mm. Przeliczona na warunek napięcia sieciowego 318 kV, maksymalna siła pola elektrycznego wynosi 40,2 kV/cm, co jest mniejsze niż 50 kV/cm, a wynik również jest zgodny.
550 kV GIS w 500 kV stacji podwyższającej zostało po raz pierwszy energizowane 28 grudnia 2022 roku. Jednostka 2 została połączona z siecią po raz pierwszy 29 listopada 2023 roku. Wszystkie urządzenia w stacji przetrwały test wytrzymałości i działają prawidłowo.
Podsumowanie
Dla ważnych urządzeń wysokiego napięcia 110 kV i wyżej, należy ścisłe przestrzegać odpowiednich wymagań DL/T 586-2008 „Wytyczne techniczne nadzoru produkcji urządzeń energetycznych”, aby wzmocnić nadzór fabryczny nad urządzeniami i kontrolować jakość produkcji urządzeń od źródła. Producent GIS musi wzmacniać świadomość kontroli jakości, kompleksowo sortować punkty ryzyka związane z jakością na każdym stanowisku, i poprawić dokumenty, takie jak specyfikacje operacyjne, normy operacyjne i procedury operacyjne dla montażu produktów na wszystkich poziomach napięcia. Powinna być prowadzona kompleksowa kontrola nad etapami, takimi jak zakupy komponentów, projektowanie produktów, technologia obróbki komponentów, kontrole wejściowe, montaż produktów, testy i montaż na miejscu, aby zapewnić bezpieczeństwo, stabilność i niezawodność produktów.
