close
Choose Your Site
Global
Social Focus
Просмотры:0 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2021-12-07 Происхождение:Работает
Градирни являются основным источником загрязнения на подстанциях, расположенных вблизи тепловых электростанций. Более того, их влияние может стать критическим, когда преобладающие ветры дуют от опор в сторону подстанции.Одним из примеров такого критического воздействия были проблемы, возникшие на электроподстанции Франсиско Вилья в Мексике, расположенной рядом с тепловой электростанцией.За короткое время уровни тока утечки на изоляцию на подстанции быстро возросли, пока не произошло перекрытие, которое привело к отключению электроэнергии на нескольких линиях электропередачи.Перекрытия произошли из-за нарушения изоляции оборудования и, в частности, изоляции разрядника, защищающего линию электропередачи, расположенную непосредственно перед градирнями завода.
В этом отредактированном недавнем вкладе в INMR Рамиро Эрнандеса, Херардо Монтойи и Виктора Ромеро из Национального института электрики и энергетики Лимпиас (INEEL) и Федеральной комиссии по энергетике (CFE) представлен их анализ данных, полученных системой мониторинга тока утечки подстанции, и связанные характеристики загрязнения изолятора.Анализ основан на значениях тока утечки, измеренных до, во время и после пробоя, а также на соответствующих метеорологических параметрах.В нем описан процесс накопления загрязнения на изоляторах, установлена гипотеза отказа и рекомендованы альтернативы для уменьшения загрязнения от градирен.Наконец, гипотеза отказа была подтверждена лабораторными испытаниями, проведенными в туманной камере.
Загрязнение является одной из основных причин выхода из строя внешней изоляции.Поэтому при правильном проектировании изоляции всегда должны учитываться все источники загрязнения, которые со временем могут повлиять на изоляцию.Кроме того, степень загрязнения может резко меняться под воздействием внешних факторов, что может сказаться на эффективности планово-предупредительных ремонтов.Это важно отметить, поскольку, в отличие от других причин простоев, загрязнение может привести к перебоям в обслуживании, которые длятся часами.К числу источников загрязнения, присущих многим электросетям, относятся градирни тепловых электростанций (ТЭС), извлекающие тепло из больших объемов воды путем испарения или теплопроводности.Пар, образующийся при вытяжке, смачивает наружную изоляцию, расположенную поблизости, и при высокой паропроводности градирни также становятся серьезным источником загрязнения.Смачивание изоляции является результатом нескольких механизмов.Например, при разнице температур между поверхностью изолятора и окружающей средой возникает конденсат.Наибольшее воздействие происходит, когда выбросы пара покрывают и полностью насыщают изоляторы, например, всякий раз, когда во второй половине дня дует ветерок с градирен.
Электроподстанция 115 кВ/230 кВ «Франциско Вилла» расположена на севере Мексики и примыкает к ТЭС «Франциско Вилла».Изоляторы на этом объекте стеклянные и фарфоровые, и некоторые из них находятся в эксплуатации более 40 лет.За это время были установлены изоляторы разного профиля и разных производителей, как в первичном оборудовании, так и на гирляндах изоляторов.Координация изоляции поддерживается за счет периодического нанесения гидрофобных покрытий, а также за счет проведения планового технического обслуживания, такого как очистка.Кроме того, была установлена система измерения тока утечки в качестве средства диагностики для оценки риска прорыва загрязнения.Исходя из этого риска, техническое обслуживание считалось необходимым или нет.Климат здесь полузасушливый со среднегодовым количеством осадков от 300 до 400 мм и относительной влажностью менее 50%.Загрязнение вокруг подстанции, в основном сельскохозяйственное, находится на среднем уровне, поэтому удельный путь утечки для конструкции изоляции на подстанции изначально был установлен на уровне 20 мм/кВ.Однако пары из близлежащих градирен вызвали отказы от загрязнения на нескольких единицах оборудования подстанции.Это вынудило CFE увеличить удельное расстояние утечки, заменив вышедшие из строя изоляторы другими, имеющими другой профиль.В результате подстанция теперь имеет различные профили изоляторов с определенными расстояниями утечки от 20 мм/кВ до 39 мм/кВ.
В июле 2012 года вспышка загрязнения на подстанции затронула несколько линий электропередачи.В частности, это произошло из-за повышенного загрязнения изолирующей поверхности разрядника подстанции, расположенного перед градирнями.Сбой произошел во время небольшого дождя около 3:30 утра, когда система мониторинга загрязнения станции показала, что относительная влажность достигла значений выше 90%.В этих условиях поверхность изолятора была достаточно влажной, чтобы приобрести температуру ниже температуры окружающей среды, а ток утечки увеличивался до тех пор, пока загрязнение не преодолело прорыв.
Загрязнение, затрагивающее подстанцию Франциско Вилла, происходит в основном, когда преобладающий ветер дует с востока или юго-юго-востока, так что пар из близлежащих градирен увлажняет и загрязняет изоляторы.Чаще всего это происходит во второй половине дня.Загрязнение градирни происходит в результате таких механизмов, как конденсация, осаждение нерастворимого материала или смачивание.Как уже говорилось, конденсация образуется при наличии разницы температур между поверхностью изолятора и окружающей средой, как правило, за несколько часов до восхода солнца.Однако из-за температуры пара, производимого градирнями, конденсация может также происходить, когда пар покрывает изоляторы.Осаждение загрязняющих веществ также происходит, когда градирни выделяют пар, который покрывает и насыщает изоляцию.
Пар от градирен.
Осаждение загрязняющих веществ на поверхности башни связи, соседствующей с диспетчерским пунктом подстанции, всего в 100 м от градирен.Эта градирня меньше года была заново окрашена, но секция, обращенная к градирням, уже покрыта сплошным слоем загрязнения.
В последние годы на подстанции Франсиско-Вилья было обнаружено растущее загрязнение, поэтому была установлена система мониторинга загрязнения (CMS) с 16 датчиками тока утечки.Первые 8 каналов были подключены к изоляторам на участке 115 кВ, остальные – к изоляторам на участке 230 кВ.CMS предназначен для определения уровня загрязнения изоляторов на основе измерений тока утечки в режиме реального времени.Чем больше величина тока утечки, тем выше риск пробоя.На основании лабораторных испытаний INEEL (Национальный институт электричества и энергетики Лимпиас) уже определил уровень риска пробоя для каждого уровня тока утечки.Это было сделано для трех различных значений удельного пути утечки (т.е. 20, 25 и 31 мм/кВ) для создания системы предупреждений с использованием цветовых кодов.По величине тока утечки определялся уровень риска перекрытия и предлагался ряд работ по техническому обслуживанию.Очевидно, что более короткое удельное расстояние утечки подразумевает более высокий уровень риска при том же значении тока утечки.CMS хранит информацию о текущей утечке в базе данных и отправляет оповещения по электронной почте в случае повышенного риска прорыва загрязнения.Он также вычисляет быстрое преобразование Фурье (БПФ) тока утечки, что позволяет согласовать содержание гармоник тока с возможным риском износа композитных изоляторов.Связь с метеорологической станцией позволяет сопоставлять данные о токе утечки с местными погодными параметрами.
Интересный пример процесса, в ходе которого CMS на подстанции Франсиско-Вилья зарегистрировала активность тока утечки, которая потребовала обслуживания изолятора, произошла в период с 1 октября 2011 г. по 30 июня 2012 г. (см. рис. 1).Для 24 июня 2012 г. время повышенной активности тока утечки было необычным: активность с 12:00 до 12:25 достигла уровня риска 3 (см. рис. 2).Согласно системе оповещения, этот уровень риска требовал начала технического обслуживания, и сотрудники ЦФО провели промывку.
Рис. 1: Пиковые значения тока утечки, обнаруженные CMS на подстанции Франсиско Вилла.
Рис. 2: Пиковые значения разрядов тока утечки 24 января 2012 г. на опорном изоляторе, обнаруженные CMS на подстанции Франсиско Вилла.
В начале мая 2012 года ЦМС зарегистрировал небольшую активность токов утечки в различных каналах, подключенных к разъединителям, а также к опорно-опорным изоляторам в зоне 230 кВ подстанции.2 мая заметная активность была вызвана ветром, который дул с запада примерно в 18:41.Затем, 21 мая, ПЦН зафиксировала активность токов утечки, вызвавшую срабатывание сигнализации в 8 каналах, подключенных к зоне 230 кВ.Период активности был с 16:38 до 16:51, а максимальный зарегистрированный уровень тока составил 46 мА (см. рис. 3).Опять же, время, когда произошла эта активность, было необычным, поскольку ток утечки обычно происходил между 00:00 и 09:00.Погодные параметры того времени были проанализированы и показали температуру окружающего воздуха 33ºC при относительной влажности 13%.Эти значения свидетельствовали о том, что условия окружающей среды были недостаточными для образования тока утечки, поскольку относительная влажность была низкой.Однако наблюдалась смена направления ветра с южного на восточное и, что интересно, именно на востоке расположены градирни близлежащей ТЭС.Поэтому предполагалось, что это изменение направления ветра привело к смачиванию изоляторов парами градирни, что привело к появлению активности тока утечки, зарегистрированной в CMS.Эта активность рассматривалась как ток утечки, поскольку соответствующая осциллограмма представляла собой синусоидальную форму с содержанием гармоник 180 Гц (см. рис. 4).Кроме того, было записано более 50 осциллограмм (событий) по каждому каналу срабатывания сигнализации.
Рис. 3: Пиковые значения разрядов тока утечки, зарегистрированные 21 мая между 16:38 и 16:51.
Рис. 4: Осциллограмма разряда тока утечки, сгенерированного 21 мая.
24 мая в каналах, подключенных к изоляторам 230 кВ (т.е. с каналов 9 по 16), зарегистрирован новый период активности токов утечки и снова срабатывания аварийных сигналов.Эта активность тока утечки, считающаяся легкой, генерировалась с 17:58 до 18:30.Ветер дул с запада и только один канал достигал значения более 30 мА (см. рис. 5).Тем не менее, было зарегистрировано более 100 осциллограмм (событий), что свидетельствовало о длительном периоде активности (поскольку каждая осциллограмма измеряла примерно от 100 до 500 мс).Обзор информации, зарегистрированной в CMS в течение мая, показал, что активность токов утечки обычно происходила во второй половине дня с 15:00 до 17:00 и обычно с интервалами около 30 минут.Кроме того, было отмечено, что относительная влажность, зарегистрированная в эти периоды активности, была низкой.Таким образом, снова было высказано предположение, что смачивание произошло из-за градирен, что позже подтвердилось сообщениями об активности тока утечки.
Рис. 5: Пиковые значения разрядов тока утечки, зарегистрированные 24 мая между 17:58 и 18:23.
Несмотря на то, что система оповещения предполагала бдительность, важно отметить, что удельное расстояние утечки некоторых изоляторов на подстанции было менее 20 мм/кВ.В связи с повторяющимися случаями утечки тока персонал, отвечающий за техническое обслуживание, принял решение запланировать промывку подстанции на июнь.В течение июня были зарегистрированы различные периоды активности токов утечки (см. рис. 6).В течение первого периода, с 30 мая по 1 июня, уровни тока утечки все еще находились в пределах 30 мА, а активность генерировалась во второй половине дня при ветре с востока и востока-юго-востока.Затем сотрудники CFE подтвердили необходимость планирования промывки.Другие периоды активности токов утечки были зарегистрированы 6, 8, 11, 13, 15 и 18 июня. Все эти события были на каналах 230 кВ и со значениями менее 35 мА.Важно отметить, что активность токов утечки происходила во второй половине дня и обычно при ветре с востока, где расположены градирни ТЭС.Другие периоды активности были зарегистрированы 19, 20 и 29 июня, однако некоторые из этих событий были вызваны промывкой, проведенной персоналом зоны передачи Камарго.
Рис. 6: Сводка пиковых значений тока утечки, зарегистрированных в период с 30 мая по 30 июня.
Как видно на рис. 6, периоды активности стали более частыми, и изоляторы с наименьшим расстоянием утечки имели более высокие пики тока и периоды активности, которые длились около часа.3 июля на подстанции Франсиско-Вилья был обнаружен период активности тока утечки (см. рис. 7–10), который привел к пробою на различных изоляторах и вызвал заклинивание шины 230 кВ.Следует, однако, отметить, что перекрытия не произошло ни на одном из контролируемых изоляторов, несмотря на то, что ток утечки достиг значений, которые представляли высокую вероятность перекрытия от загрязнения.Скорее всего, отказ произошел на ОПН, расположенных перед градирнями.Эти разрядники защищают начало линии электропередачи и не контролируются CMS.Следовательно, не исключено, что уровень их загрязнения был выше, чем на других изоляторах подстанций, тем более, что они являются ближайшими к градирням устройствами.
Первое зарегистрированное перекрытие произошло в 03:39:38 с пиками тока высокой силы на всех 16 каналах ЦМС.Затем в 04:09:21 произошло второе перекрытие.Но в этом случае пики тока большой силы наблюдались только в 4 из 16 контролируемых каналов.Такая активность токов утечки зарегистрирована в каналах 10, 11, 12 и 14, осуществляющих мониторинг изоляторов 230 кВ.Активность началась в 01:37 и продолжалась до 07:00.Поэтому для каждого канала было записано более 2000 событий (осциллограмм).Каналы 9, 13, 15 и 16, все подключенные к зоне 230 кВ, активности токов утечки не регистрировали, так как они более удалены от градирен.Аналогично не было зарегистрировано активности на 8 каналах, подключенных к зоне 115 кВ.После пробоя активность токов утечки в некоторых каналах продолжалась и достигала значений более 150 мА.Самый высокий пик был измерен для канала 14 в 06:09 (т.е. для разъединителя 99002) со значением 206 мА (см. рис. 11).Период активности закончился около 07:00.
Рис. 7: Пиковые значения разрядов тока утечки в канале 10. Разъединитель 93109. Максимальный пик 68 мА.
Рис. 8: Пиковые значения разрядов тока утечки в канале 11. Разъединитель 93229. Максимальный пик 58 мА.
Рис. 9: Пиковые значения разрядов тока утечки в канале 12. Фарфоровый опорный изолятор TL 91040. Максимальный пик 173 мА.
Рис. 10: Пиковые значения разрядов тока утечки в канале 14. Разъединитель 99002. Максимальный пик 58 мА.
Рис. 11: Осциллограмма разряда тока утечки в канале 14 (разъединитель 99002) на подстанции Франсиско Вилла 3 июля в 06:09.
Что касается погоды, то 3 июля отмечено повышение относительной влажности до 91% (см. рис. 12).Это вызвало существенное увеличение активности токов утечки.Кроме того, преобладающий ветер в этот период активности дул с востока-юго-востока на юг (т.е. от градирен).Минимальная температура составила 19,1ºC, зафиксированная в 06:20.Как только температура окружающей среды повысилась, действие тока утечки на контролируемом изоляторе прекратилось.
Рис. 12: Относительная влажность на подстанции Франсиско-Вилья с 30 июня по 9 июля. Наибольшее значение было 91% 3 июля.
11 июля в 17:00 прошел сильный дождь с ветром, дувшим с востока.Высокая активность электрических разрядов наблюдалась на изоляторах емкостных трансформаторов напряжения (ТН) ТЛ 93220 (отметим, что эти ТН еще не были отмыты).Электрические разряды также наблюдались на вариаторах TL 93200, которые были промыты 5 июля, а также на композитных изоляторах на башне 1 TL 93220. Преобладающий ветер дул с востока, а это означает, что пар от градирен выдувался над подстанцией.Стоит отметить, что CMS не зафиксировала токи утечки ни на одном из каналов, которые контролировали изоляторы на подстанции Франсиско-Вилья, поскольку эти изоляторы были промыты после аварии 3 июля.
Активность тока утечки на вариаторах TL 93220.
В мае и июне 2012 года CMS подстанции Франсиско-Вилья зарегистрировала измерения тока утечки с уровнем риска от 1 до 2. Деятельность на таких уровнях обычно считается легкой и требует минимальной бдительности.Тем не менее, некоторые зарегистрированные измерения были близки к уровню риска 3, что свидетельствует об умеренной активности, требующей профилактического обслуживания в той или иной форме, чтобы избежать пробоя.
Основываясь на опыте местного персонала CFE, а также на выводах о том, что токи утечки возникают в большей степени из-за воздействия градирен, чем из-за окружающей среды, было принято решение начать техническое обслуживание в июне.При этом также учитывалось, что уровни тока утечки будут увеличиваться в случае туманного дождя или росы.3 июля, в день аварии, после более чем двухлетней засухи в регионе прошел дождь, а относительная влажность повысилась до 90%.Это вызвало период активности тока утечки, который начался в 01:30 и закончился примерно в 06:20.Некоторые датчики в зоне 230 кВ начали фиксировать активность с уровнями риска 1 и 2, что предполагает необходимость принятия бдительных ответных мер.Только в 03:09 было зарегистрировано первое событие более 50 мА (т.е. уровень риска 3).Тогда первое перекрытие произошло в 03:39 на неконтролируемом изоляторе, т.е. через 30 минут после первого зарегистрированного события с уровнем риска 3 (а именно, умеренная активность – профилактический ремонт).Впоследствии, даже когда на разных каналах регистрировались значения более 150 мА, т.е. представляющие уровень риска 4 (тяжелая активность – срочное техническое обслуживание) и высокая вероятность пробоя, отказов ни на одном из контролируемых изоляторов не произошло.
Анализируя случаи непрерывных токов утечки, зарегистрированные в течение июня 2012 г., стало возможным сделать вывод о том, что динамика накопления загрязняющих веществ, поступающих из градирен, могла быть различной.Этот вывод подтверждается тем фактом, что изоляторы уже через 7 дней после промывки все еще демонстрировали высокие токи утечки, которые можно было обнаружить визуально.Кроме того, период действия токов утечки происходил в основном во второй половине дня и при ветре, дующем со стороны градирен.
Для подтверждения высказанной выше гипотезы отказа были проведены испытания искусственного загрязнения в чистой туманной камере.Эти тесты проводились с использованием воды, поступающей из градирен, и последующего нагревания ее до той же температуры, при которой она обычно выбрасывается (т.е. примерно 55°C).
Испытательные изоляторы были взяты из цепочки из 15 изоляторов, снятой с подстанции Франсиско Вилла.Тип изолятора представлял собой стандартный стеклянный колпачок и штифт диаметром 273 мм и расстоянием утечки 279 мм.Изоляционная гирлянда эксплуатировалась на линии 230 кВ вблизи градирен.Согласно этим значениям и количеству изоляторов, каждый изолятор подвергался электрическому напряжению в среднем около 8,85 кВ.Перенапряжение для системы 230 кВ (5%) составляет около 241,5 кВ, поэтому максимальное электрическое напряжение на изолятор может составлять 9,29 кВ.Строка изолятора была отправлена в лабораторию INEEL с должным вниманием, чтобы сохранить любые загрязняющие вещества, которые естественным образом отложились на их поверхности.
Изоляторная гирлянда снята с подстанции Франсиско-Вилья для лабораторной оценки.
Испытания заключались в определении критического напряжения пробоя U50% на изоляторах, загрязненных естественным путем, путем их смачивания водопроводной водой (согласно рекомендациям IEC 60507), а также водой из градирен – внутри чистой туманной камеры.Каждая тестовая гирлянда состояла из 4 изоляторов с площадки.Значение проводимости, измеренное при 20°C для водопроводной воды, составило 0,134 мСм, а значение для воды из градирни было установлено на уровне 2,65 мСм.Для проведения испытаний использовался метод быстрого пробоя напряжения.
Очистите туманную камеру, в которой оценивались изоляторы.
Смачивание создавалось системой форсунок (согласно IEC 60507), но в этом случае вода предварительно нагревалась до 50°C, чтобы имитировать условия, возникающие в градирнях.Сначала было проведено испытание на смачивание водопроводной водой 4 гирлянды изоляторов, а затем испытание на их смачивание водой, полученной из градирен.
На рис. 13 показаны результаты испытаний, проведенных для оценки воздействия паров, поступающих из градирен на теплоэлектростанции Франсиско-Вилья.Как можно заметить, если изоляторы смачиваются водой из градирен, их U50% на изолятор значительно снижается, т.е. примерно на 41%, по сравнению с напряжением, полученным при смачивании водопроводной водой, как это рекомендовано для стандартных испытаний.Это значение лишь примерно на 10 % превышает номинальное значение изолятора.Следовательно, риск перекрытия от загрязнения высок в условиях, которым подвергается внешняя изоляция на подстанции Франсиско Вилла.Этот риск возрастает только в том случае, если электрическая система достигает максимального перенапряжения или если накопление загрязнения на изоляторах на объекте продолжается без принятия мер по устранению недостатков.
Рис. 13: Влияние воды из градирен на выдерживаемое напряжение изоляторов вблизи ТЭЦ.
Согласно полученным экспериментальным путем значениям критического напряжения пробоя, высокая проводимость воды на ТЭС Франсиско-Вилья и накопление загрязняющих веществ на поверхности близлежащих изоляторов значительно снижает величину их выдерживаемого напряжения.Можно сделать вывод, что снижение выдерживаемого напряжения является основной причиной пробоев из-за загрязнения и связанных с ними отключений электроэнергии на подстанции Франсиско Вилла, поскольку удельные пути утечки через изоляцию равны или меньше 20 мм/кВ.Очевидно, что удельное расстояние утечки изоляции на этом участке должно быть улучшено.На основании анализа информации, зарегистрированной CMS, а также результатов, полученных в испытательной лаборатории, рекомендуется выполнить согласование изоляции подстанции с учетом высокого уровня загрязнения, чтобы удельный путь утечки был не менее 31 мм/кВ от фаза-земля согласно IEC 60815-2.CMS на подстанции обнаружил активность тока утечки примерно за месяц до пробоя.Поэтому также необходимо проверить управление этими аварийными сигналами, чтобы можно было проводить профилактическое обслуживание, как только CMS регистрирует уровень риска.Промывку изоляторов на подстанции в идеале следует начинать с участка 230 кВ, так как он находится ближе всего к градирням.
Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.
