Análise e tratamento de anomalias no teste de resistência a tensão de 550 kV GIS
O equipamento de comutação metálico isolado a gás (GIS) é um dispositivo de comutação composto por aparelhos de comutação como disjuntores (GCB), seccionadores (DS), interruptores de aterramento (ES), bem como unidades como transformadores de tensão, transformadores de corrente, para-raios e barras coletoras fechadas. Todos os componentes de alta tensão são colocados dentro de uma caixa metálica fechada e aterrada, que é preenchida com gás SF₆, que possui excelentes propriedades isolantes e de extinção de arco como meio isolante. O GIS apresenta uma estrutura compacta, pequena área de ocupação, baixos requisitos de manutenção, fácil instalação, bom desempenho de interrupção e ausência de interferência, sendo cada vez mais amplamente utilizado em sistemas de energia.
O GIS de 550 kV em uma subestação de elevação de 500 kV de uma certa empresa adota uma estrutura de disposição de dupla barra, com 2 linhas de entrada de transformador principal, 1 linha de entrada de transformador de partida e reserva, 2 linhas de saída e 1 ligação de barra, totalizando 6 disjuntores. Cada um de 1M e 2M está equipado com 1 baia de PT. Foi fabricado em 28 de outubro de 2022, e a montagem no local foi concluída em 10 de dezembro de 2022. Durante o teste de resistência à tensão de entrega, um suporte isolador sofreu uma quebra anormal.
Foram realizadas análises sob aspectos como a localização da anomalia, qualidade de montagem no local, conformidade dos materiais, histórico de fabricação, detecção de falhas por raios X, dissolução de resina e simulação de campo elétrico. A causa da fratura do suporte isolador foi identificada, e foram apresentadas sugestões para reforçar a supervisão e o controle de qualidade durante o processo de fabricação do GIS.As diretrizes de teste de resistência à tensão e isolamento no local para equipamentos de comutação metálicos isolados a gás, e o plano de teste aprovado.
Tensão de Teste
Adota-se 80% do valor de resistência à tensão de frequência de rede de curto prazo nominal de 740 kV especificado pelo fabricante, que é 592 kV, com duração de 1 minuto.
Condições que o Equipamento Testado Deve Atender
Método e Critérios de Teste
A tensão de teste para o GIS testado deve ser aumentada de 0 V para 318 kV primeiro, mantida por 5 minutos, depois aumentada para 473 kV e mantida por 3 minutos. Finalmente, a tensão de teste é aumentada para o valor nominal de resistência à tensão de 592 kV e mantida por 1 minuto. Se não houver quebra, é considerado qualificado.
Busca e Tratamento de Pontos Anormais
Visão Geral da Anomalia de Quebra
Em 11 de dezembro de 2022, às 14:03, foi realizado um teste de resistência à tensão de entrega do circuito principal no GIS de 550 kV na subestação no local de construção. Ao testar as fases B e C, a tensão foi aumentada para 318 kV e mantida por 5 minutos, passando no teste. Quando a tensão foi aumentada para 473 kV e mantida por 2 minutos, ocorreu uma quebra. A tensão caiu repentinamente para 0 V, e um som anormal relativamente alto foi ouvido na subestação, interrompendo o teste. Após medidas de segurança serem tomadas, a resistência de isolamento ao solo do circuito principal de 1M - fase C foi medida em 400 MΩ, e a do restante em 200 GΩ. Foi determinado que havia uma falha em um certo dispositivo carregado pela fase C de 1M. A configuração de teste de resistência à tensão e a área anormal são mostradas na Figura 1. A parte escura na figura indica o intervalo de aplicação de tensão.
Pode-se ver na Figura 1 que o intervalo de aplicação de tensão inclui: 6 disjuntores carregados pela barra 1M, 6 seccionadores de barra, 2 seccionadores do lado da linha, 5 conjuntos de terminais aéreos, 1 seccionador de PT carregado por 1M, e 6 seccionadores de barra de 2M. O ponto de aplicação de tensão foi definido no condutor de entrada do Transformador Principal Número 2 ao ar livre.
Processo de Busca de Pontos Anormais
O GIS tem uma estrutura totalmente fechada, com múltiplos componentes independentes formando um todo integrado. O equipamento associado a 1M tem 83 compartimentos de gás independentes, tornando bastante desafiador localizar pontos anormais. Após pesquisa, foi adotado um método de eliminação ponto a ponto para reduzir o escopo do equipamento anormal.
Devido à estrutura totalmente fechada do GIS, a medição de isolamento só pode ser feita nas partes expostas, e os pontos de medição de isolamento estão todos nos assentos de elevação de 15 metros ao ar livre. Ao medir o isolamento, existem inúmeros fatores restritivos. Por exemplo, as pessoas precisam usar guindastes para subir e descer, ferramentas de comunicação são necessárias para contato, e os fios de teste precisam ser constantemente trocados durante a medição. Através da análise, descobriu-se que fechar o disjuntor de seccionamento de PT associado a 1M e remover o cabo de aterramento secundário do PT tornaria muito conveniente usar o PT como ponto de medição de isolamento, permitindo aos inspetores se comunicarem em tempo real sem depender de ferramentas de comunicação.
Todos os seccionadores conectados ao GIS 1M foram abertos, e todos os disjuntores foram fechados. Em seguida, partindo do intervalo no ponto de aplicação de tensão, os seccionadores conectados a 1M (exceto o seccionador de VT de 1M) foram fechados um por um, e o isolamento foi medido cada vez que um seccionador era fechado. Eventualmente, no intervalo de linha de saída 5W11 da barra C de 1M, o isolamento do circuito principal foi medido em 400 MΩ. Aberto o disjuntor deste intervalo, o ponto anormal foi finalmente determinado na área do seccionador lateral da linha deste disjuntor até o terminal aéreo do GIS externo.
A área anormal na Figura 1 foi isolada, e uma segunda aplicação de tensão foi realizada nas partes não anormais de acordo com o procedimento de teste de resistência à tensão de isolamento principal. Os resultados mostraram conformidade. Testes de resistência à tensão de frequência de rede foram realizados no restante do equipamento, todos os quais passaram sem problemas.
Tratamento de Pontos Anormais
Havia 5 compartimentos de gás independentes na área anormal. Para localizar com precisão o ponto anormal, foi necessário abrir cada compartimento de gás um por um para inspeção.Como o gás SF₆ dentro do GIS se tornou tóxico após o teste, em 12 de dezembro de 2022, após a recuperação do gás e a desmontagem do equipamento para inspeção, descobriu-se que o suporte isolador da barra trifurcada na seção inferior da barra vertical no compartimento de gás 02-5 da barra C de 1M estava fraturado. O condutor da barra, a carcaça e os isoladores adjacentes atendiam aos requisitos técnicos do produto.
O fabricante substituiu o isolador anormal em 13 de dezembro, reinstalou a barra, e completou o tratamento do gás, detecção de vazamentos, medição de umidade e medição de resistência do circuito principal. Após os resultados serem encontrados qualificados, em 14 de dezembro, foi realizado novamente um teste de resistência à tensão de frequência de rede usando o método de fiação de teste mencionado acima e seguindo o procedimento de teste de resistência à tensão de isolamento do circuito principal. Os resultados do teste foram qualificados (592 kV mantidos por 1 minuto).
Análise das Causas da Fratura do Suporte Isolador
Existem um total de 145 suportes isoladores no GIS. Seja a fratura do suporte isolador um caso isolado ou parte de um problema generalizado, é crucial para a comissionamento seguro e confiável da subestação de elevação. Portanto, para identificar a causa raiz da fratura do isolador defeituoso, são realizadas investigações nos seguintes aspectos.
Inspeção da Qualidade de Montagem no Local da Barra
A barra CX1-1C (número de fábrica, o mesmo abaixo) foi montada no local em 3 de dezembro de 2022. Durante o processo de montagem, o representante no local do fabricante verificou cada item contra o "Cartão de Operação de Confirmação de Acoplamento no Local". O proprietário e o supervisor testemunharam o processo conjuntamente, e a montagem só poderia prosseguir após as três partes completarem as formalidades de assinatura. Após a montagem ser concluída, foram realizados testes de verificação no local, como teor de umidade do gás, detecção de vazamentos e resistência do circuito. Isso basicamente exclui a possibilidade de que a fratura do isolador tenha sido causada pela qualidade, processo e outros fatores de montagem no local.
Inspeção da Conformidade dos Materiais dos Suportes Isoladores da Barra
O suporte isolador fraturado tem o número de saída da fábrica Z220704-1G1, que foi fabricado por uma subsidiária do fabricante em julho de 2022. Antes de sair da fábrica, este suporte isolador passou por inspeções e testes, incluindo inspeção visual, medição dimensional, teste de temperatura de vidrificação, detecção de falhas por raios X e testes elétricos, todos os quais mostraram conformidade.
Os relatórios de inspeção de saída da fábrica e os registros de inspeção de entrada dos isoladores indicam que tanto os resultados de saída da fábrica quanto os de inspeção de entrada atendem aos requisitos.
Inspeção do Histórico de Fabricação da Barra
Uma consulta ao histórico de montagem da unidade de barra CX1-1C mostra que o fabricante iniciou a produção e montagem em 20 de setembro de 2022, e concluiu o trabalho em 12 de outubro de 2022. Os registros na tabela de histórico de montagem indicam que tanto os processos internos quanto os externos atenderam aos requisitos técnicos e padrões de processo especificados nos desenhos, sem anomalias encontradas. Portanto, pode-se excluir que os processos listados na tabela de histórico de fabricação tenham causado a fratura do suporte isolador.
Inspeção dos Testes de Saída da Fábrica da Barra
A barra CX1-1C passou por testes de impulso de raio, resistência à tensão de frequência de rede e descarga parcial na fábrica do fabricante em 6 de outubro de 2022, todos os quais foram aprovados na primeira tentativa, e os resultados dos testes foram qualificados. Isso indica que a barra e os isoladores estavam normais quando saíram da fábrica.
Inspeção dos Suportes Isoladores Anormais
São realizadas inspeções sob aspectos como a natureza da falha dos suportes isoladores anormais e testes de verificação (incluindo inspeção dimensional, detecção de falhas, análise de material, etc.).
Natureza da Falha
A análise do caminho de descarga superficial deste isolador mostra que há uma aparência de danos por penetrar na parte isolante entre o eletrodo de alta tensão e o eletrodo de baixa tensão. Geralmente, os danos por penetração de um isolador ocorrem devido à presença de certos defeitos internos na parte isolante, ou devido a tensões mecânicas adicionais, que causam fissuras internas na parte isolante, e então ocorre a quebra por penetração ao longo das fissuras.
Testes de Verificação
Reinspeção dimensional. A reinspeção dimensional do suporte isolador anormal foi aprovada. Os resultados da reinspeção são mostrados na Tabela 1.
Detecção de falhas por raios X. Foi realizada a detecção de falhas por raios X no suporte isolador anormal, e não foram encontrados defeitos externos além das fissuras de fratura.Reinspeção do material de resina. Foram coletadas amostras dos espécimes anormais para reinspeção da densidade, taxa de conteúdo de carga e temperatura de transição vítrea, e os resultados foram aprovados. Os resultados de detecção do material de resina são mostrados na Tabela 2.
Reinspeção da interface de aderência resina-eletrodo. A área não descarregada do isolador foi cortada, e a superfície de aderência resina-metal do isolador foi tingida para detecção de falhas. Exceto pela ligeira penetração do corante no local da fratura, o restante da área estava normal, provando que não havia defeitos internos na resina e que a resina estava bem aderida ao eletrodo.
Reinspeção da fusão da resina. Após a resina do suporte isolador anormal ser derretida em alta temperatura, o eletrodo foi reinspecionado. Havia uma deformação anormal local no ponto de descarga na superfície arqueada do eletrodo de alta tensão. Em conclusão, durante o processo de fabricação do suporte isolador, a operação inadequada causou a deformação anormal da superfície arqueada do eletrodo de alta tensão. Como a deformação era leve, os operadores não detectaram a tempo, permitindo que componentes defeituosos entrassem no próximo processo e, eventualmente, levando ao enchimento do isolador.
Esta falha foi causada pela operação não padronizada dos operadores, o que resultou na deformação anormal do eletrodo e subsequente fratura do isolador. A estrutura deste suporte isolador é uma estrutura de isolamento que o fabricante vem utilizando. Desde 2003, mais de 36.000 isoladores foram fabricados e estão operando de forma confiável no campo. Portanto, a fratura deste suporte isolador é um caso isolado.
Verificação por Simulação
Por razões de segurança, foi realizada uma verificação por simulação na barra com esta estrutura de isolador.Aplicação de tensão: O condutor central e o eletrodo de alta tensão do isolador estão em 1675 kV, enquanto a carcaça, a base de suporte e o eletrodo de baixa tensão do isolador estão em potencial zero.
Critérios de julgamento: Sob a pressão funcional mínima de gás de 0,45 MPa, a intensidade do campo elétrico de flashover superficial do isolador não deve exceder 12 kV/mm, e a intensidade do campo elétrico do eletrodo de alta tensão do isolador não deve exceder 50 kV/mm.
Os resultados da simulação mostram que a intensidade máxima do campo elétrico de flashover superficial do isolador é 10,5 kV/mm, que é menor que 12 kV/mm, e o resultado é aprovado. A intensidade máxima do campo elétrico na superfície do eletrodo de alta tensão é 21,2 kV/mm. Convertido para a condição de tensão de frequência de rede de 318 kV, a intensidade máxima do campo elétrico é 40,2 kV/cm, que é menor que 50 kV/cm, e o resultado também é aprovado.
O GIS de 550 kV da subestação de elevação de 500 kV foi energizado com sucesso pela primeira vez em 28 de dezembro de 2022. A Unidade 2 foi conectada à rede pela primeira vez em 29 de novembro de 2023. Todo o equipamento na subestação suportou o teste de pressão e está operando normalmente.
Conclusão
Para equipamentos de alta tensão importantes de 110 kV e acima, é necessário seguir rigorosamente os requisitos relevantes da DL/T 586-2008 "Diretrizes Técnicas para Supervisão de Fabricação de Equipamentos Elétricos" para reforçar a supervisão baseada na fábrica do equipamento e controlar a qualidade de fabricação do equipamento desde a origem. Os fabricantes de GIS devem reforçar sua consciência de controle de qualidade, fazer uma revisão completa dos pontos de risco relacionados à qualidade em cada posto, e melhorar documentos como especificações de operação, padrões de operação e procedimentos de montagem de produtos em todos os níveis de tensão. O controle abrangente deve ser realizado em etapas como aquisição de componentes, design de produtos, tecnologia de processamento de componentes, inspeção de entrada, montagem de produtos, testes e instalação no local para garantir a segurança, estabilidade e confiabilidade dos produtos.
