Phân tích và xử lý bất thường của thử nghiệm chịu điện áp 550 kV GIS
Thiết bị đóng cắt được bọc kín bằng kim loại (GIS) là thiết bị chuyển mạch bao gồm các thiết bị như cầu chì tự động (GCB), dao cách ly (DS), công tắc nối đất (ES), cũng như các bộ phận như biến áp điện áp, biến áp dòng, chống sét, và busbar được bọc kín. Các thành phần có điện áp cao đều được đặt bên trong vỏ kim loại kín được nối đất, bên trong chứa khí SF₆ có tính năng cách điện và dập hồ quang xuất sắc làm môi trường cách điện. GIS có cấu trúc gọn gàng, diện tích nhỏ, yêu cầu bảo trì thấp, dễ lắp đặt, hiệu suất ngắt tốt, không gây nhiễu, và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện.
Thiết bị GIS 550 kV tại trạm biến áp tăng áp 500 kV của một công ty nào đó sử dụng cấu trúc kết nối hai busbar, với 2 đường dây vào máy biến áp chính, 1 đường dây vào máy biến áp khởi động và dự phòng, 2 đường dây ra, và 1 bus-tie, tổng cộng 6 cầu chì tự động. Mỗi 1M và 2M được trang bị 1 ngăn PT. Nó được sản xuất vào ngày 28 tháng 10 năm 2022, và lắp ráp tại hiện trường hoàn thành vào ngày 10 tháng 12 năm 2022. Trong quá trình kiểm tra chịu điện áp bàn giao, một cốc cách điện đã gặp sự cố hỏng hóc bất thường.
Các phân tích đã được thực hiện từ các khía cạnh như vị trí bất thường, chất lượng lắp ráp tại hiện trường, tuân thủ vật liệu, lịch sử sản xuất tại nhà máy, phát hiện lỗi bằng tia X, hòa tan nhựa, và mô phỏng trường điện. Nguyên nhân gây nứt cốc cách điện đã được xác định, và đưa ra các đề xuất nhằm tăng cường giám sát và kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất GIS.Hướng dẫn thử nghiệm chịu điện áp và cách điện cho thiết bị đóng cắt được bọc kín bằng kim loại, và kế hoạch thử nghiệm đã được phê duyệt.
Điện Áp Thử Nghiệm
Lấy 80% giá trị chịu điện áp xoay chiều ngắn hạn theo quy định của nhà sản xuất là 740 kV, tương đương 592 kV, thời gian duy trì là 1 phút.
Điều Kiện Thiết Bị Được Thử Nghiệm Phải Đáp Ứng
Phương Pháp Và Tiêu Chuẩn Thử Nghiệm
Điện áp thử nghiệm cho GIS được thử nghiệm nên tăng từ 0 V đến 318 kV trước, giữ trong 5 phút, sau đó tăng lên 473 kV và giữ trong 3 phút. Cuối cùng, điện áp thử nghiệm được tăng lên giá trị chịu điện áp định mức 592 kV và giữ trong 1 phút. Nếu không có sự cố hỏng hóc, thì coi là đạt tiêu chuẩn.
Tìm Kiếm Và Xử Lý Điểm Bất Thường
Tổng Quan Về Sự Cố Hỏng Hóc
Vào lúc 14:03 ngày 11 tháng 12 năm 2022, đã tiến hành kiểm tra chịu điện áp bàn giao cho mạch chính trên thiết bị GIS 550 kV tại trạm biến áp xây dựng. Khi kiểm tra pha B và C, điện áp được tăng lên 318 kV và giữ trong 5 phút, vượt qua kiểm tra. Khi điện áp được tăng lên 473 kV và giữ trong 2 phút, đã xảy ra sự cố hỏng hóc. Điện áp đột ngột giảm xuống 0 V, và một tiếng động bất thường lớn được nghe thấy trong trạm biến áp, gián đoạn kiểm tra. Sau khi áp dụng các biện pháp an toàn, điện trở cách điện đối với đất của mạch chính 1M - C được đo là 400 MΩ, và phần còn lại là 200 GΩ. Đã xác định rằng có sự cố trong một thiết bị nào đó do 1M - C mang. Sơ đồ đấu nối cho kiểm tra chịu điện áp và khu vực bất thường được hiển thị trong Hình 1. Phần tối màu trong hình chỉ ra phạm vi áp dụng điện áp.
Có thể thấy từ Hình 1 rằng phạm vi áp dụng điện áp bao gồm: 6 cầu chì tự động do bus 1M mang, 6 dao cách ly bus, 2 dao cách ly phía đường dây, 5 bộ bushing không khí, 1 dao cách ly PT do 1M mang, và 6 dao cách ly bus của 2M. Điểm áp dụng điện áp được đặt tại điểm nhô lên của đường dây vào Máy Biến Áp Số 2 ngoài trời.
Quá Trình Tìm Kiếm Điểm Bất Thường
GIS có cấu trúc kín hoàn toàn, với nhiều thành phần độc lập tạo thành một khối thống nhất. Thiết bị liên quan đến 1M có 83 ngăn khí độc lập, khiến việc xác định điểm bất thường khá khó khăn. Sau nghiên cứu, phương pháp loại trừ từng điểm đã được áp dụng để thu hẹp phạm vi của thiết bị bất thường.
Do cấu trúc kín hoàn toàn của GIS, chỉ có thể đo độ cách điện ở các phần tiếp xúc, và các điểm đo độ cách điện đều nằm trên các bệ nhô lên cao 15 mét ngoài trời. Khi đo độ cách điện, có nhiều yếu tố hạn chế. Ví dụ, người lao động cần sử dụng cần cẩu để lên và xuống, cần công cụ liên lạc, và cần thay đổi dây thử nghiệm liên tục trong quá trình đo. Qua phân tích, đã phát hiện rằng việc đóng công tắc cách ly PT liên quan đến 1M và tháo dây nối đất thứ cấp của PT sẽ rất thuận tiện để sử dụng PT làm điểm đo độ cách điện, cho phép các kiểm tra viên giao tiếp trực tiếp mà không cần phụ thuộc vào công cụ liên lạc.
Tất cả các công tắc cách ly kết nối với GIS 1M được mở, và tất cả các cầu chì tự động được đóng. Sau đó, bắt đầu từ khoảng cách tại điểm áp dụng điện áp, các công tắc cách ly kết nối với 1M (trừ công tắc cách ly VT của 1M) được đóng lần lượt, và mỗi lần đóng một công tắc cách ly, độ cách điện được đo. Cuối cùng, trong khoảng cách 5W11 của bus 1M - C, độ cách điện của mạch chính được đo là 400 MΩ. Tiếp theo, mở cầu chì tự động của khoảng cách này, điểm bất thường cuối cùng được xác định nằm trong khu vực từ công tắc cách ly phía đường dây của cầu chì tự động này đến bushing GIS ngoài trời.
Khu vực bất thường trong Hình 1 được cách ly, và lần áp dụng điện áp thứ hai được thực hiện trên các phần không bất thường theo quy trình kiểm tra chịu điện áp cách điện chính. Kết quả cho thấy đạt tiêu chuẩn. Các kiểm tra chịu điện áp xoay chiều đã được thực hiện trên các thiết bị còn lại, tất cả đều vượt qua mượt mà.
Xử Lý Điểm Bất Thường
Có 5 ngăn khí độc lập trong khu vực bất thường. Để xác định chính xác điểm bất thường, cần mở từng ngăn khí một để kiểm tra.Vì khí SF₆ bên trong GIS đã trở nên độc hại sau kiểm tra, vào ngày 12 tháng 12 năm 2022, sau khi thu hồi khí và tháo dỡ thiết bị để kiểm tra, đã phát hiện rằng cốc cách điện của busbar ba chiều ở phần dưới của busbar thẳng đứng trong ngăn khí 02-5 của bus 1M - C đã bị nứt. Dây dẫn busbar, vỏ, và các cốc cách điện lân cận đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.
Nhà sản xuất đã thay thế cốc cách điện bất thường vào ngày 13 tháng 12, lắp đặt lại busbar, và hoàn thành xử lý khí, kiểm tra rò rỉ, đo độ ẩm, và đo điện trở mạch chính. Sau khi kết quả được xác nhận đạt tiêu chuẩn, vào ngày 14 tháng 12, đã tiến hành kiểm tra chịu điện áp xoay chiều một lần nữa sử dụng phương pháp đấu nối thử nghiệm đã nêu và theo quy trình kiểm tra chịu điện áp cách điện chính. Kết quả kiểm tra đạt tiêu chuẩn (592 kV, giữ trong 1 phút).
Phân Tích Nguyên Nhân Gây Nứt Cốc Cách Điện
Có tổng cộng 145 cốc cách điện trong GIS. Việc cốc cách điện nứt là trường hợp cá biệt hay là vấn đề phổ biến trong lô hàng là điều quan trọng đối với việc vận hành an toàn và đáng tin cậy của trạm biến áp tăng áp. Do đó, để xác định nguyên nhân gốc rễ của cốc cách điện hỏng, đã tiến hành điều tra từ các khía cạnh sau.
Kiểm Tra Chất Lượng Lắp Ráp Tại Hiện Trường Của Busbar
Busbar CX1-1C (số nhà máy, tương tự dưới đây) được lắp ráp tại hiện trường vào ngày 3 tháng 12 năm 2022. Trong quá trình lắp ráp, đại diện của nhà sản xuất tại hiện trường đã kiểm tra từng mục theo "Thẻ Xác Nhận Hoạt Động Đối Chiếu Tại Hiện Trường". Chủ sở hữu và đơn vị giám sát đã chứng kiến quá trình, và chỉ có thể tiếp tục lắp ráp sau khi ba bên hoàn thành thủ tục ký kết. Sau khi lắp ráp xong, các kiểm tra xác nhận tại hiện trường như hàm lượng độ ẩm, kiểm tra rò rỉ, và điện trở vòng đã được thực hiện. Điều này cơ bản loại trừ khả năng cốc cách điện nứt do chất lượng, quy trình lắp ráp tại hiện trường, và các yếu tố khác.
Kiểm Tra Tuân Thủ Vật Liệu Của Cốc Cách Điện Busbar
Cốc cách điện nứt có số xuất xưởng là Z220704-1G1, được sản xuất bởi một công ty con của nhà sản xuất vào tháng 7 năm 2022. Trước khi xuất xưởng, cốc cách điện này đã trải qua các kiểm tra và thử nghiệm bao gồm kiểm tra bề mặt, đo kích thước, kiểm tra nhiệt độ thủy tinh hóa, phát hiện lỗi bằng tia X, và kiểm tra điện, tất cả đều đạt tiêu chuẩn.
Báo cáo kiểm tra xuất xưởng và hồ sơ kiểm tra nhập kho của cốc cách điện cho thấy cả kết quả xuất xưởng và nhập kho đều đáp ứng yêu cầu.
Kiểm Tra Lịch Sử Sản Xuất Busbar
Tra cứu lịch sử lắp ráp của đơn vị busbar CX1-1C cho thấy nhà sản xuất bắt đầu sản xuất và lắp ráp vào ngày 20 tháng 9 năm 2022, và hoàn thành công việc vào ngày 12 tháng 10 năm 2022. Các ghi chép trong bảng lịch sử lắp ráp cho thấy cả quy trình lắp ráp nội bộ và ngoại vi đều đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn quy trình được chỉ định trong bản vẽ, không có bất thường. Do đó, có thể loại trừ rằng các quy trình được liệt kê trong bảng lịch sử sản xuất đã gây ra nứt cốc cách điện.
Kiểm Tra Các Thử Nghiệm Xuất Xưởng Busbar
Busbar CX1-1C đã trải qua các thử nghiệm xung sét, chịu điện áp xoay chiều, và phóng điện cục bộ tại nhà máy của nhà sản xuất vào ngày 6 tháng 10 năm 2022, tất cả đều vượt qua lần đầu, và kết quả thử nghiệm đạt tiêu chuẩn. Điều này cho thấy busbar và cốc cách điện đều bình thường khi xuất xưởng.
Kiểm Tra Cốc Cách Điện Bất Thường
Các kiểm tra được thực hiện từ các khía cạnh như bản chất hỏng hóc của cốc cách điện bất thường và các thử nghiệm xác minh (bao gồm kiểm tra kích thước, phát hiện lỗi, phân tích vật liệu, v.v.).
Bản Chất Hỏng Hóc
Phân tích đường phóng điện bề mặt của cốc cách điện này cho thấy có sự hư hỏng xuyên qua ở phần cách điện giữa điện cực cao áp và điện cực thấp áp. Thông thường, sự hư hỏng xuyên qua của cốc cách điện xảy ra do sự tồn tại của một số khuyết tật bên trong phần cách điện, hoặc do ứng suất cơ học bổ sung, gây ra vết nứt bên trong phần cách điện, và sau đó xảy ra sự hỏng hóc xuyên qua theo vết nứt.
Các Thử Nghiệm Xác Minh
Kiểm tra lại kích thước. Kiểm tra lại kích thước của cốc cách điện bất thường đạt tiêu chuẩn. Kết quả kiểm tra lại được hiển thị trong Bảng 1.
Phát hiện lỗi bằng tia X. Đã thực hiện phát hiện lỗi bằng tia X trên cốc cách điện bất thường, và không tìm thấy khuyết tật bên ngoài nào khác ngoài vết nứt.Kiểm tra lại vật liệu nhựa. Đã lấy mẫu từ các mẫu bất thường để kiểm tra lại mật độ, tỷ lệ chất độn, và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, và kết quả đạt tiêu chuẩn. Kết quả kiểm tra vật liệu nhựa được hiển thị trong Bảng 2.
Kiểm tra lại giao diện kết dính giữa nhựa và điện cực. Đã cắt phần không phóng điện của cốc cách điện và nhuộm bề mặt kết dính nhựa-kim loại của cốc cách điện để phát hiện lỗi. Ngoại trừ sự thâm nhập nhẹ của chất nhuộm tại vết nứt, phần còn lại bình thường, chứng tỏ không có khuyết tật bên trong nhựa và nhựa kết dính tốt với điện cực.
Kiểm tra lại nhựa chảy. Sau khi nhựa của cốc cách điện bất thường được làm chảy ở nhiệt độ cao, điện cực được kiểm tra lại. Có sự biến dạng bất thường cục bộ tại vị trí điểm phóng điện trên bề mặt cong của điện cực cao áp. Tóm lại, trong quá trình sản xuất cốc cách điện, thao tác không đúng đã gây ra biến dạng bất thường của bề mặt cong của điện cực cao áp. Do biến dạng nhỏ, người thao tác không phát hiện kịp thời, cho phép các thành phần có khuyết tật đi vào quy trình tiếp theo và cuối cùng dẫn đến đổ cốc cách điện.
Sự hỏng hóc này là do thao tác không đúng của người thao tác, dẫn đến biến dạng bất thường của điện cực và sau đó gây nứt cốc cách điện. Cấu trúc cốc cách điện này là cấu trúc cách điện mà nhà sản xuất đã sử dụng. Từ năm 2003, hơn 36.000 cốc cách điện đã được sản xuất và đang hoạt động đáng tin cậy trong thực tế. Do đó, sự nứt cốc cách điện này là trường hợp cá biệt.
Xác Minh Bằng Mô Phỏng
Vì lý do an toàn, đã thực hiện xác minh bằng mô phỏng trên busbar có cấu trúc cốc cách điện này.Áp dụng điện áp: Dây dẫn trung tâm và điện cực cao áp của cốc cách điện ở 1675 kV, trong khi vỏ, đế đỡ, và điện cực thấp áp của cốc cách điện ở điện thế 0.
Tiêu chuẩn đánh giá: Ở áp suất gas chức năng tối thiểu 0,45 MPa, cường độ điện trường bề mặt của cốc cách điện không được vượt quá 12 kV/mm, và cường độ điện trường của điện cực cao áp của cốc cách điện không được vượt quá 50 kV/mm.
Kết quả mô phỏng cho thấy cường độ điện trường bề mặt tối đa của cốc cách điện là 10,5 kV/mm, nhỏ hơn 12 kV/mm, và kết quả đạt tiêu chuẩn. Cường độ điện trường tối đa trên bề mặt điện cực cao áp là 21,2 kV/mm. Chuyển đổi sang điều kiện điện áp xoay chiều 318 kV, cường độ điện trường tối đa là 40,2 kV/cm, nhỏ hơn 50 kV/cm, và kết quả cũng đạt tiêu chuẩn.
Thiết bị GIS 550 kV của trạm biến áp tăng áp 500 kV đã được cấp điện thành công lần đầu tiên vào ngày 28 tháng 12 năm 2022. Đơn vị 2 đã được kết nối vào lưới điện lần đầu tiên vào ngày 29 tháng 11 năm 2023. Tất cả các thiết bị trong trạm biến áp đã vượt qua kiểm tra chịu áp lực và đang hoạt động bình thường.
Kết Luận
Đối với các thiết bị điện áp cao quan trọng 110 kV trở lên, cần nghiêm ngặt tuân theo các yêu cầu liên quan của DL/T 586—2008 "Hướng dẫn Kỹ Thuật Giám Sát Sản Xuất Thiết Bị Điện" để tăng cường giám sát tại nhà máy và kiểm soát chất lượng sản xuất từ nguồn. Các nhà sản xuất GIS phải nâng cao ý thức kiểm soát chất lượng, tổng hợp đầy đủ các điểm rủi ro về chất lượng tại mỗi vị trí, và cải thiện các tài liệu như quy trình vận hành, tiêu chuẩn vận hành, và quy trình lắp ráp sản phẩm ở tất cả các cấp điện áp. Cần kiểm soát toàn diện các khâu như mua sắm linh kiện, thiết kế sản phẩm, công nghệ gia công linh kiện, kiểm tra nhập kho, lắp ráp sản phẩm, kiểm tra, và lắp đặt tại hiện trường để đảm bảo an toàn, ổn định, và đáng tin cậy của sản phẩm.
