Испытания на безопасность и риски, влияющие на работу кабельных наконечников, вводов и разрядников ВН

Не так давно в одной из средиземноморских стран произошла катастрофическая поломка высоковольтной кабельной муфты, в результате чего осколки фарфора с большой скоростью разлетелись во всех направлениях.Инсталляция оказалась рядом с парковкой, но, к счастью, это произошло в день, когда она была практически пуста.В противном случае это событие могло бы оказаться чем-то большим, чем ремонтная работа для ремонтных бригад, и стать проблемой для связей с общественностью для пострадавшей энергетической компании.Хотя такие случаи редки, они далеко не единичны и служат постоянным напоминанием об опасности взрыва всякий раз, когда электрическая дуга возникает внутри компонента с фарфоровым корпусом, заполненного маслом или газом под давлением.Существуют также потенциальные риски для компонентов с полимерным корпусом, хотя и другого характера. В этом отредактированном предыдущем вкладе в INMR Уберто Верчелотти и Альберто Сирони из Kema Labs/CESI в Италии были рассмотрены вопросы безопасности, влияющие на программы испытаний таких компонентов, как высоковольтные кабельные муфты, ограничители перенапряжения и втулки.

Безопасность и оценка рисков на подстанциях

В настоящее время операторы систем передачи (TSO) во многих странах ищут решения для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию.Единственным реальным вариантом будет увеличение количества систем переменного и постоянного тока высокого, сверхвысокого и сверхвысокого напряжения, что означает увеличение количества вводов в эксплуатацию кабельных вводов, вводов и разрядников.

Строгие международные нормы также вынуждают коммунальные предприятия полагаться на испытания как на один из наиболее эффективных способов продемонстрировать, что они работают с должной осмотрительностью при выборе такого оборудования.Это требование становится еще более важным, если принять во внимание растущее количество подстанций и электроустановок, расположенных вблизи населенных пунктов, а также сопутствующие им усилия по сокращению «следов» подстанций.Обе тенденции представляют собой повышенные факторы риска с точки зрения опасности для общественной безопасности, а также экономических последствий побочного ущерба в случае катастрофического сбоя.

Поэтому становится все более важным искать возможные усовершенствования в технологии, а также уменьшать отказы на ранних стадиях срока службы.Последнее может быть достигнуто только за счет более детальной практики установки, в которой четко определены все критические функции и где больше внимания уделяется навыкам, требуемым от задействованных рабочих.

Согласно ISO/IEC Guide 51, безопасность – это «свобода от неприемлемого риска».Это может быть достигнуто за счет снижения риска до некоторого допустимого уровня, учитывающего, что всегда будет существовать некоторый остаточный риск, т. е. риск, который сохраняется даже после того, как все возможные защитные меры были предприняты.Затем этот риск определяется путем достижения некоторого оптимального баланса между идеалом абсолютной безопасности и требованиями, предъявляемыми к продукту, включая преимущества для пользователя, соответствие назначению и экономическую эффективность.

Критерии безопасности должны быть рассмотрены в первую очередь, чтобы можно было определить требуемый уровень безопасности и выполнить соответствующую оценку риска.Один из способов сделать это — объединить все технические и нетехнические (например, социальные и экономические) параметры, которые играют роль, чтобы оценить вероятность отказа и его последствия.Затем можно оценить окончательный риск с помощью так называемой диаграммы Уитмена (Фармера), показанной на рис. 1. Например, для снижения остаточного риска, а также для снижения стоимости последствий все чаще используются взрывозащищенные кабельные муфты и вводы. указано.

Рис. 1: Диаграмма рисков позволяет определить диапазон вероятности и последствий, связанных с любым отдельным риском, и эффективно дает визуальное представление о сравнительных рисках.Определение вероятностей является основной задачей.(Взято из Electra N. 266 02 2013).

Трансформатор в ремонте после взрывного разрушения вводов ВН.

Кабельные муфты ВН

Таблица 1, взятая из Технической брошюры СИГРЭ, иллюстрирует частоту и последствия отказов кабелей и аксессуаров по отношению к воздушным линиям.Здесь основное рассматриваемое последствие измеряется временем ремонта.

*Значения на систему (3 фазы).Взято из Cigre TB 379
Таблица 1: Типичная частота отказов для кабельных систем с сшитым полиэтиленом на 380 кВ и воздушных линий на 380 кВ

Заделка высоковольтного кабеля после
испытание внутренней дугой.

В то же время, если муфта, которая вот-вот выйдет из строя, окажется заполненной маслом, масло может воспламениться или пролиться в окружающую среду.В некоторых случаях в результате взрыва может быть также повреждено соседнее оборудование, что означает еще более длительное время ремонта и более высокие затраты, не говоря уже о риске травмирования тех, кто окажется поблизости в момент аварии.Действительно, одной из веских причин для определения взрывозащищенных концевых муфт на переходе от воздушных линий к кабелям является предотвращение рассеивания обломков от любого взрыва в результате избыточного давления из-за внутреннего короткого замыкания.

Примеры разрушения фарфоровых корпусов и течи масла на вышедших из строя втулках.

Втулки

Отказы вводов являются причиной значительной доли всех отказов трансформаторов и также могут быть чрезвычайно серьезными.Несмотря на то, что вводы часто рассматриваются только как принадлежности, на самом деле вводы являются единственной основной причиной (примерно 80%) всех отказов и пожаров, связанных с трансформаторами, заполненными изолирующим минеральным маслом (хотя на самом деле возгорание происходит менее чем в 15% всех отказов трансформаторов). .

Выход из строя втулок может привести к разрушению фарфорового корпуса на осколки и другие осколки, которые с большой скоростью разлетаются на большую площадь.Масло, разбрызгиваемое в окружающую среду через треснувший блок, также может воспламениться от дуги, связанной с неисправностью.В крайних случаях после взрыва проходного изолятора наблюдались огненные шары примерно в пять раз выше самого трансформатора.

Физическую защиту от взрывов и пожаров при эксплуатации вводов ВН часто бывает трудно или даже невозможно обеспечить из-за размеров и расположения оборудования.Всякий раз, когда считается, что определенный тип ввода подвергается неприемлемо высокому риску такого отказа, доступ к месту установки должен быть ограничен, и в течение этого времени с изготовителем можно обсудить изменения конструкции для повышения безопасности.

Из соображений, рассмотренных выше, взрывозащищенные конструкции вводов ВН, которые до сих пор считаются относительно новой технологией, все чаще используются для получения решений с меньшим риском в приложениях, где подстанции расположены в городских районах со зданиями поблизости.Хотя испытания взрывоопасных свойств еще не являются обязательными, в наши дни они все чаще проводятся для повышения надежности и снижения риска, независимо от местоположения установки.

Ограничители перенапряжения

Металлооксидные разрядники HV обычно считаются чрезвычайно надежными компонентами с очень низкой частотой отказов.Тем не менее, правильный выбор номиналов и характеристик блока в отношении электрических, механических и экологических нагрузок имеет решающее значение для поддержания этой низкой вероятности отказа.

Поэтому никогда нельзя полностью игнорировать риск отказа, особенно в тех местах, где внимание к качеству не является слишком строгим или где типовые испытания не применяются повсеместно.

Потенциальные причины выхода из строя ОПН могут включать: серьезные энергетические нагрузки, связанные с явлениями временного перенапряжения или молниями и переключениями;попадание влаги;и старение внутренних деталей (Редактор: см. статью на стр. 94).Что касается защиты от короткого замыкания, необходимо учитывать две различные конструкции ОПН:

Тип A: конструкции с внутренним газовым объемом

Эти ОПН изготавливаются из фарфора или полимера в трубчатой ​​конструкции.Ограничители перенапряжений типа А оснащены устройствами сброса давления на обоих концах, предназначенными для сброса любого внутреннего избыточного давления и передачи дуги наружу.

Тип B: Исполнения без внутреннего объема газа

Эти ограничители перенапряжения имеют полимерный корпус, либо «обернутую», либо «клеточную» конструкцию.В разрядниках конструкции B любой газ, образующийся внутри, будет выбрасываться непосредственно через корпус.Это может происходить через преднамеренно размещенное для этой цели «слабое место» (для завернутой конструкции) или через пространство между петлями (для клеточной конструкции).

Потенциальные факторы риска в случае отказов ОПН могут включать три аспекта:

1. В случае сильного разрушения возможно выбрасывание фрагментов корпуса, блоков резисторов или металлических фитингов и соединений.Здесь конструкции с фарфоровым корпусом представляют больший риск просто потому, что фрагменты фарфора по своей природе более опасны, чем фрагменты из мягкого полимера.
2. Существует вероятность того, что выход разрядника из строя приведет к возгоранию рядом с местом установки.В этом случае риск для конструкции с полимерным корпусом выше, поскольку полимерный материал и структура FRP потенциально могут загореться.Для фарфоровых конструкций единственными частями, которые могут воспламениться, являются серный цемент и уплотнительные кольца.
3. Возможное отсоединение разрядника от силовой цепи.Это связано с риском того, что соединения, расплавленные горящей дугой и оторвавшиеся под действием электродинамических сил, будут отброшены в сторону соседнего аппарата и повредят его.Отказ разрядника может затем перерасти в многофазное короткое замыкание.Во избежание этого верхняя крышка и соединение должны быть соответствующим образом спроектированы, чтобы выдерживать токи короткого замыкания.

Процедуры испытаний на внутреннюю дугу

Испытания и сертификация являются важными инструментами для обеспечения как безопасности, так и надежности электрических сетей.По причинам, рассмотренным выше, среди высоковольтных компонентов, наиболее часто подвергаемых испытаниям из соображений безопасности, являются кабельные наконечники, разрядники и вводы.

Ввод ВН в процессе
испытание внутренней дугой.

Основное различие, когда дело доходит до тестирования этих компонентов, заключается в применимой ситуации в отношении норм.В то время как стандарты IEC и IEEE уже существуют для разрядников, все еще нет международных стандартов для высоковольтных вводов и кабельных наконечников.Скорее, технические спецификации для них были подготовлены крупными национальными коммунальными предприятиями, такими как Terna, EdF/RTE и т. д., в то время как европейские стандарты (HD) также доступны.

Стандарт HD, например, предписывает инициировать внутреннюю дугу в заделке путем сверления отверстия в основной изоляции.Затем к экрану/металлической оболочке подсоединяется медный провод сечением 1,5 мм2 или к экрану/оболочке присоединяется кусок металла для имитации отказа.Затем подается ток короткого замыкания, значения которого (кА и секунды) выбираются в соответствии с максимальным током короткого замыкания цепи, в которой должна быть установлена ​​оконечная нагрузка ВН.Несмотря на то, что область применения этого стандарта ограничена кабелями и аксессуарами до 170 кВ, те же методы испытаний теперь используются для более высоких номиналов концевых заделок, а также для проходных изоляторов.

Основываясь на опыте, полученном в результате таких испытаний, проведенных в CESI за последние годы, можно констатировать, что испытание на внутреннюю дугу высоковольтных вводов и вводов обычно весьма обременительно как для силовой лаборатории, так и для вовлеченного производителя, поскольку:

• испытательная установка и вспомогательное электрическое оборудование, такое как соединения с источником питания и т. д., должны быть специально установлены, а затем демонтированы после испытания;
• необходимо принять строгие меры защиты, чтобы избежать экологических проблем;
• выброшенные части в результате сильного разрушения могут повредить испытательную камеру и даже окружающее пространство;
• дым и шум наносят вред персоналу, проводящему испытания, и окружающей среде, что в сочетании с высокими рейтингами испытаний может потребовать ночных испытаний.

Эти проблемы только усугубятся в будущем, если учесть растущий рыночный спрос на более высокие значения тока короткого замыкания.

Что касается ограничителей перенапряжений, «классическая» процедура испытаний IEC на сброс давления, первоначально разработанная для типов с зазором в карбидокремниевых корпусах с фарфоровым корпусом, а затем распространенная на конструкции из оксида металла с фарфоровым корпусом, оказалась непригодной для применения к разрядникам с полимерным корпусом, разработанным с тех пор. 1990-е годы.

Поэтому для решения этой проблемы потребовался значительный пересмотр методики и процедуры испытаний, а также самого соответствующего стандарта.Эту деятельность взял на себя TC37 MT4, и эта задача заняла несколько лет.

Разрядник на 180 кВ в фарфоровом корпусе термически разрушается после сильноточных испытаний.

Одной из задач было найти компромисс между необходимостью максимально точного представления реальных явлений обслуживания и техническими ограничениями, а также затратами в существующих лабораториях высокой мощности.Кроме того, на этапе подготовки к короткому замыканию для разрядников типа B необходимо было внести серьезные изменения, т. е. заменить классический закорачивающий провод, проложенный по всей длине стойки резисторов, на электрическую процедуру предварительной проверки на отказ, которая лучше имитирует фактическое явление эксплуатации.Соответствующий стандарт – IEC 60099-4 am1 – был опубликован в мае 2006 г. Одной из проблем, с которыми пришлось столкнуться лабораториям при испытании разрядников типа А при номинальном токе короткого замыкания, является их все более значительное высокое сопротивление дуге по мере увеличения их длины.Эта проблема вместе со снижением доступного испытательного напряжения из-за требуемого высокого симметричного тока может привести к значительному снижению коэффициента асимметрии, достигаемому во время испытаний.Чтобы преодолеть это, в CESI была введена трехфазная тестовая установка.Отложенная операция создания третьей фазы значительно увеличивает предполагаемый коэффициент асимметрии и позволяет достичь требуемой производительности испытаний.

Что касается испытаний ОПН конструкции B, критически важным вопросом является процесс, предшествующий отказу.Здесь блоки резисторов должны быть электрически предварительно повреждены, чтобы во время следующей фазы испытаний могла образоваться силовая дуга при подаче питания при испытательном напряжении от источника питания.Правильный выбор подходящих испытательных цепей и процедур на предмет предварительного отказа имеет решающее значение для проведения испытаний ОПН как с высоким номинальным напряжением, так и с высоким номинальным током.Фактически для таких ОПН доступное испытательное напряжение источника питания составляет небольшой процент от номинального напряжения испытуемого устройства.

Испытания высоковольтных разрядников на короткое замыкание также могут быть довольно сложными для любой лаборатории, работающей с высокими мощностями, во многом по тем же причинам, которые обсуждались выше для оконечных устройств.Эти типы проблем будут становиться все более актуальными, поскольку в испытаниях участвуют все более крупные блоки с увеличением испытательных токов.

ОПН 72 кВ в полимерном корпусе загорелся при испытании на большой ток.

Основываясь на опыте, полученном при испытаниях разрядников от имени нескольких разных производителей в соответствии с последним стандартом IEC, а также другими применимыми национальными или международными стандартами, можно сделать следующие выводы:

1. По сравнению с другими типовыми испытаниями, предписанными для разрядников, испытание на короткое замыкание остается критическим, так как процент неудовлетворительных результатов значительно выше, чем для других испытаний;
2. Испытания при номинальном токе обычно гораздо важнее в отношении риска сильного разрушения по сравнению с испытаниями при пониженных или малых токах;
3. Для ОПН с полимерным корпусом испытание при малом токе является более важным с точки зрения риска воспламенения;
4. Разъединение соединения между разрядником и силовой цепью является потенциальной проблемой, однако до сих пор не рассматривается должным образом в рамках критериев оценки существующих международных стандартов.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.