Газоизолированное металлическое герметичное коммутационное оборудование (GIS) - это коммутационное устройство, состоящее из таких коммутационных приборов, как выключатели (GCB), разъединители (DS), заземляющие разъединители (ES), а также блоки, такие как трансформаторы напряжения, трансформаторы тока, ограничители перенапряжения и герметичные шины. Высоковольтные компоненты размещены внутри заземленного герметичного металлического корпуса, заполненного SF₆-газом с отличными диэлектрическими и дугогасящими свойствами в качестве диэлектрической среды. GIS характеризуется компактной конструкцией, малой площадью занимаемой поверхности, низкими требованиями к обслуживанию, легкостью установки, хорошими характеристиками прерывания и отсутствием помех, и все более широко применяется в энергетических системах.
550 кВ GIS в 500 кВ подстанции повышения напряжения одной компании использует двухшинную схему подключения, включающую 2 линии питания основного трансформатора, 1 линию питания резервного трансформатора, 2 исходящих линии и 1 шинный соединитель, всего 6 выключателей. Каждая из шин 1M и 2M оснащена одним PT-отсеком. Производство было завершено 28 октября 2022 года, а сборка на месте была завершена 10 декабря 2022 года. Во время испытаний на выдерживание напряжения произошел аномальный пробой опорного изолятора.
Анализ был проведен с учетом места аномалии, качества сборки на месте, соответствия материалов, истории заводского производства, рентгенографического контроля, растворения смолы и моделирования электрического поля. Была установлена причина разрушения опорного изолятора, и были предложены рекомендации по усилению надзора и контроля качества в процессе производства GIS.Руководства по испытаниям на выдерживание напряжения и изоляцию для газоизолированного металлического герметичного коммутационного оборудования, а также утвержденный план испытаний.
Напряжение испытания
Принимается 80% номинального значения коротковременного частотного напряжения выдерживания 740 кВ, указанного производителем, что составляет 592 кВ, продолжительностью 1 минута.
Условия, которым должно соответствовать испытуемое оборудование
Давление SF₆-газа во всех отсеках испытуемого GIS должно быть на номинальном уровне.
Все заземляющие разъединители испытуемого GIS должны находиться в отключенном положении; за исключением того, что PT шин 1M и 2M выведены (открыты) и заземлены, все остальное испытуемое оборудование должно быть в закрытом положении.
Основные выводы трехфазных вводов и выводов испытуемого GIS должны быть удалены, обеспечивая достаточное безопасное расстояние и надежное заземление.
Вторичные обмотки трансформаторов тока испытуемого GIS должны быть замкнуты и надежно заземлены.
Метод и критерии испытания
Напряжение испытания для испытуемого GIS должно быть увеличено сначала с 0 В до 318 кВ, удержано в течение 5 минут, затем увеличено до 473 кВ и удержано в течение 3 минут. Наконец, напряжение испытания увеличивается до номинального значения выдерживаемого напряжения 592 кВ и удерживается в течение 1 минуты. Если пробоя не происходит, считается, что испытание пройдено успешно.
Поиск и устранение аномальных точек
Обзор аномального пробоя
11 декабря 2022 года в 14:03 на строительной площадке 550 кВ GIS подстанции было проведено испытание на выдерживание напряжения основной цепи. При испытании фаз B и C напряжение было увеличено до 318 кВ и удержано в течение 5 минут, что прошло успешно. Когда напряжение было увеличено до 473 кВ и удержано в течение 2 минут, произошел пробой. Напряжение внезапно упало до 0 В, и на подстанции был услышан относительно громкий аномальный звук, что прервало испытание. После принятия мер безопасности было измерено сопротивление изоляции к земле основной цепи 1M-C фазы, которое составило 400 МΩ, а оставшейся части - 200 ГΩ. Было установлено, что в определенном устройстве, подключенном к 1M-C фазе, есть неисправность. Схема подключения для испытания на выдерживание напряжения и аномальная область показаны на рисунке 1. Черная часть на рисунке указывает на область приложения напряжения.
Из рисунка 1 видно, что область приложения напряжения включает: 6 выключателей, подключенных к шине 1M, 6 шинных разъединителей, 2 линейных разъединителя, 5 наборов воздушных вводов, 1 шинный разъединитель PT, подключенный к 1M, и 6 шинных разъединителей 2M. Точка приложения напряжения была установлена на подъемнике входной линии второго основного трансформатора на открытом воздухе.
Процесс поиска аномальных точек
GIS имеет полностью герметичную конструкцию, состоящую из множества независимых компонентов, образующих единое целое. Оборудование, связанное с 1M, имеет 83 независимых газовых отсека, что делает довольно сложным локализацию аномальных точек. После исследования был применен метод последовательного исключения, чтобы сузить область аномального оборудования.
Из-за полностью герметичной конструкции GIS измерение изоляции можно проводить только на открытых участках, а точки измерения изоляции находятся на 15-метровых подъемниках на открытом воздухе. При измерении изоляции существует множество ограничений. Например, персоналу необходимо использовать кран для подъема и спуска, требуются средства связи для координации, а также необходимо постоянно менять тестовые провода. Анализ показал, что закрытие разъединителя PT, связанного с 1M, и удаление вторичного заземляющего провода PT сделают очень удобным использование PT в качестве точки измерения изоляции, позволяя инспекторам общаться в реальном времени без использования средств связи.
Все разъединители, подключенные к GIS 1M, были открыты, а все выключатели закрыты. Затем, начиная с интервала в точке приложения напряжения, разъединители, подключенные к 1M (кроме разъединителя VT 1M), закрывались по одному, и каждый раз измерялась изоляция. В конечном итоге, в исходящем интервале 5W11 шины 1M-C, изоляция основной цепи была измерена как 400 МΩ. Дальнейшее открытие выключателя этого интервала позволило окончательно определить, что аномальная точка находится в области от линейного разъединителя этого выключателя до внешнего ввода GIS.
Аномальная область на рисунке 1 была изолирована, и повторное приложение напряжения к неаномальным частям было выполнено в соответствии с процедурой основного испытания на выдерживание напряжения изоляции. Результаты показали соответствие. Частотные испытания на выдерживание напряжения были проведены на оставшемся оборудовании, все они прошли успешно.
Обработка аномальных точек
В аномальной области было 5 независимых газовых отсеков. Для точной локализации аномальной точки необходимо было последовательно открывать каждый газовый отсек для проверки.Поскольку SF₆-газ внутри GIS стал токсичным после испытания, 12 декабря 2022 года, после восстановления газа и разборки оборудования, было обнаружено, что опорный изолятор трехфазной шины нижнего участка вертикальной шины в газовом отсеке 02-5 шины 1M-C был разрушен. Шинный проводник, корпус и соседние изоляторы соответствовали техническим требованиям продукта.
Производитель заменил аномальный изолятор 13 декабря, переустановил шину, завершил обработку газа, поиск утечек, измерение влажности и измерение сопротивления основной цепи. После получения удовлетворительных результатов 14 декабря было проведено повторное испытание на выдерживание частотного напряжения с использованием вышеупомянутого метода подключения и в соответствии с процедурой основного испытания на выдерживание напряжения изоляции. Результаты испытаний были удовлетворительными (592 кВ, удерживаемые 1 минуту).
Анализ причин разрушения опорного изолятора
В GIS всего 145 опорных изоляторов. Является ли разрушенный опорный изолятор единичным случаем или частью широкомасштабной проблемы, имеет решающее значение для безопасного и надежного ввода в эксплуатацию подстанции повышения напряжения. Поэтому, чтобы установить корневую причину разрушения дефектного изолятора, были проведены следующие расследования.
Проверка качества сборки шин на месте
Шина CX1-1C (заводской номер, далее то же самое) была собрана на месте 3 декабря 2022 года. В ходе сборки представитель производителя на месте проверил каждый пункт по "Карточке подтверждения операций на месте". Владелец и надзор совместно наблюдали за процессом, и сборка могла продолжаться только после завершения подписания формальностей всеми тремя сторонами. После завершения сборки были проведены контрольные испытания на месте, такие как содержание влаги в газе, поиск утечек и измерение сопротивления цепи. Это в основном исключает возможность, что разрушение изолятора было вызвано качеством, технологией и другими факторами сборки на месте.
Проверка соответствия материалов опорных изоляторов шин
Разрушенный опорный изолятор имеет заводской номер Z220704-1G1, который был произведен дочерней компанией производителя в июле 2022 года. Перед отправкой из завода этот опорный изолятор прошел проверки и испытания, включая визуальный осмотр, измерение размеров, испытание температуры витрификации, рентгенографический контроль и электрические испытания, все из которых показали соответствие.
Заводские отчеты о проверке и записи входного контроля изоляторов свидетельствуют о том, что как заводские, так и входные результаты соответствуют требованиям.
Проверка истории производства шин
При запросе истории сборки модуля шины CX1-1C было установлено, что производитель начал производство и сборку 20 сентября 2022 года и завершил работу 12 октября 2022 года. Записи в таблице истории сборки свидетельствуют о том, что как внутренние, так и внешние процессы сборки соответствовали техническим требованиям и стандартам технологии, указанным в чертежах, и никаких аномалий не было обнаружено. Таким образом, можно исключить, что процессы, указанные в таблице истории производства, вызвали разрушение опорного изолятора.
Проверка заводских испытаний шин
Шина CX1-1C прошла испытания на удар молнии, частотное напряжение выдерживания и частичные разряды на заводе производителя 6 октября 2022 года, все из которых были пройдены с первого раза, и результаты испытаний были удовлетворительными. Это свидетельствует о том, что шина и изоляторы были нормальными при выходе с завода.
Проверка аномальных опорных изоляторов
Проверки проводятся с учетом природы отказа аномальных опорных изоляторов и контрольных испытаний (включая измерение размеров, контроль дефектов, анализ материалов и т.д.).
Природа отказа
Анализ пути поверхностного разряда этого изолятора показывает, что в изоляционной части между высоковольтным и низковольтным электродами есть признаки сквозного повреждения. Обычно сквозное повреждение изолятора происходит из-за наличия определенных дефектов внутри изоляционной части или из-за дополнительного механического напряжения, которые вызывают трещины внутри изоляционной части, и затем происходит сквозной пробой по трещинам.
Контрольные испытания
Переизмерение размеров. Переизмерение размеров аномального опорного изолятора было удовлетворительным. Результаты переизмерения приведены в таблице 1.
Рентгенографический контроль. Аномальный опорный изолятор был подвергнут рентгенографическому контролю, и кроме трещин разрушения, никаких внешних дефектов не было обнаружено.Переизмерение материала смолы. Пробы были взяты из аномальных образцов для переизмерения плотности, содержания наполнителя и температуры стеклования, и результаты были удовлетворительными. Результаты анализа материала смолы приведены в таблице 2.
Переизмерение границы соединения смолы и электрода. Неиспользованная область изолятора была разрезана, и поверхность соединения смолы и металла изолятора была окрашена для контроля дефектов. За исключением местного небольшого проникновения красителя в месте разрушения, остальная область была нормальной, что подтверждает отсутствие дефектов внутри смолы и ее хорошее соединение с электродом.
Переизмерение плавления смолы. После плавления смолы аномального опорного изолятора при высокой температуре электрод был переизмерен. На дуговой поверхности высоковольтного электрода в месте разряда наблюдалось местное аномальное деформирование.Таким образом, в процессе производства опорного изолятора неправильные действия операторов привели к аномальной деформации дуговой поверхности высоковольтного электрода. Поскольку деформация была незначительной, операторы своевременно не обнаружили ее, что позволило дефектным компонентам попасть в следующий процесс и в конечном итоге привело к заливке изолятора.
Этот отказ был вызван нестандартными действиями операторов, что привело к аномальной деформации электрода и последующему разрушению изолятора. Конструкция этого опорного изолятора является изоляционной конструкцией, которую производитель использует с 2003 года. Более 36 000 изоляторов были произведены и работают надежно в полевых условиях. Следовательно, разрушение этого опорного изолятора является единичным случаем.
Симуляционная проверка
В целях безопасности была проведена симуляционная проверка шины с этой конструкцией изолятора.Приложение напряжения: центральный проводник и высоковольтный электрод изолятора находятся под напряжением 1675 кВ, в то время как корпус, опорная база и низковольтный электрод изолятора находятся под потенциалом 0.
Критерии оценки: при минимальном рабочем давлении газа 0,45 МПа, поверхностная электрическая прочность изолятора не должна превышать 12 кВ/мм, а электрическая прочность высоковольтного электрода изолятора не должна превышать 50 кВ/мм.
Результаты симуляции показывают, что максимальная поверхностная электрическая прочность изолятора составляет 10,5 кВ/мм, что меньше 12 кВ/мм, и результат удовлетворителен. Максимальная электрическая прочность на поверхности высоковольтного электрода составляет 21,2 кВ/мм. При переводе на условие частотного напряжения 318 кВ, максимальная электрическая прочность составляет 40,2 кВ/см, что меньше 50 кВ/см, и результат также удовлетворителен.
550 кВ GIS 500 кВ подстанции повышения напряжения была впервые подключена к сети 28 декабря 2022 года. Второй блок был подключен к сети впервые 29 ноября 2023 года. Все оборудование на подстанции успешно прошло испытания на давление и работает нормально.
Заключение
Для важного высоковольтного оборудования 110 кВ и выше необходимо строго соблюдать соответствующие требования DL/T 586—2008 "Технические руководящие принципы для надзора за производством электрооборудования" для усиления заводского надзора за оборудованием и контроля качества производства оборудования с самого начала. Производители GIS должны усилить свое качество контроля, всесторонне рассмотреть риски, связанные с качеством, на каждом рабочем месте, и улучшить документы, такие как спецификации, стандарты и процедуры для сборки продуктов на всех уровнях напряжения. Необходимо осуществлять комплексный контроль над такими этапами, как закупка компонентов, проектирование продукции, технология обработки компонентов, входной контроль, сборка продукции, испытания и монтаж на месте, чтобы обеспечить безопасность, стабильность и надежность продукции.
Вход
