Често срещани грешки при свързване с кабели за високо напрежение

Въведение

Кабелният интерфейс между високоволтов XLPE кабел и Разпределителни устройства GIS отделението е едно от най-механично и електрически натоварените съединения в проекта за модернизация на мрежата - и едно от най-често компрометираните от грешки при монтажа, които са невидими след сглобяването, неоткриваеми при рутинна визуална проверка и способни да инициират частичен разряд, който деградира изолацията на съединението в продължение на месеци, преди да доведе до катастрофална повреда в най-лошия възможен момент. Кабелните интерфейси на разпределителните уредби на ГИС - коленни съединители, втулки и разделящи се съединители по IEC 62271-209 - изискват ниво на подготовка на повърхността, подравняване на размерите и контрол на монтажната сила, което е качествено различно от практиките за завършване на кабели, които опитните кабелни съединители за високо напрежение носят от работата в подстанциите на АИС. Най-съществените грешки при инсталирането на високоволтови XLPE кабели с разпределителни устройства на ГИС не са очевидните грешки, които водят до незабавни неуспехи при изпитването - това са фините грешки при подготовката на повърхността, нанасянето на смазка, проверката на дълбочината на вмъкване и поставянето на конуса за напрежение, които преминават диелектричния тест при пускане в експлоатация и след това инициират частичен разряд в интерфейса при термичните цикли и напрежението при нормална експлоатация. За инженерите на проекти за модернизация на мрежата, ръководителите на инсталациите на EPC и екипите за пускане в експлоатация на подстанции, отговорни за качеството на инсталацията на кабелните интерфейси на GIS, това ръководство идентифицира критичните грешки, обяснява механизмите на повреда, които те инициират, и предоставя правилната процедура за инсталиране, която ги елиминира.

Съдържание

• Какво представлява кабелната интерфейсна система за високо напрежение GIS и кои стандарти на IEC определят изискванията за нейното инсталиране?
• Кои са най-критичните грешки при инсталирането на кабелния интерфейс на ГИС и какви механизми на повреда предизвикват те?
• Как да изберем и проверим правилната кабелна интерфейсна система на ГИС за проекти за обновяване на мрежата?
• Каква е правилната процедура за инсталиране на кабелния интерфейс на ГИС и как да се провери целостта на интерфейса преди включване на захранването?

Какво представлява кабелната интерфейсна система за високо напрежение GIS и кои стандарти на IEC определят изискванията за нейното инсталиране?

Системата за кабелен интерфейс на ГИС е съвкупност от компоненти, които създават газонепроницаема, електрически непрекъсната и механично сигурна връзка между XLPE кабелния накрайник и изолираното с SF6 кабелно отделение на разпределителната уредба на ГИС - връзка, която трябва едновременно да поддържа целостта на газа SF6, да осигурява контрол на електрическото напрежение в кабелния екран и да понася механичните сили на теглото на кабела, топлинното разширение и несъответствието на инсталацията, без да нарушава изолационния интерфейс.

Компоненти на системата за интерфейс и технически параметри

Сглобката на кабелния интерфейс GIS се състои от три взаимозависими компонента:

• Колянов конектор или прав конектор: Разделяемият интерфейсен компонент - обикновено с номинално напрежение от 12 kV до 40,5 kV; сила на вмъкване 500-2 500 N в зависимост от класа на напрежението; съпротивление на контактите ≤ 20 μΩ при номинален ток¹
• Конус на напрежението на кабела: Предварително оформеният или натискащ се компонент от силиконов каучук, който контролира концентрацията на електрическо напрежение при прекъсването на кабелния екран - разстояние на преминаване 25-45 mm/kV в зависимост от класа на замърсяване²; Налягане на интерфейса 0,3-0,8 MPa срещу отвора на конектора
• Втулка на кабелното отделение на GIS: Интерфейсният компонент от страната на SF6 - епоксидна смола или силиконов каучук; номинално напрежение, съответстващо на отделението на GIS; газонепроницаемо уплътнение на фланеца на отделението

Управляващи стандарти на IEC

Стандартен	Обхват	Ключово изискване за инсталиране
IEC 62271-209	Кабелни връзки за ГИС - размери на интерфейса и изисквания за изпитване	Определя геометрията на интерфейса, която трябва да бъде съгласувана между кабелния конектор и втулката на GIS
IEC 60840	Силови кабели над 30 kV - аксесоари	Конструкция на конуса на напрежението и изисквания за налягане на интерфейса
IEC 62067	Силови кабели над 150 kV	Разширени изисквания към интерфейса за приложения EHV
IEC 60502-4	Аксесоари за кабели от 6 kV до 30 kV	Процедури за инсталиране и изпитване на разделящи се съединители

Изискването за геометрия на интерфейса IEC 62271-209 е най-критичният стандарт за инсталиране на кабелни интерфейси GIS - той определя допуските на размерите за съвпадащите повърхности между кабелния конектор и втулката GIS, които трябва да бъдат проверени преди началото на монтажа. Кабелен съединител от един производител, съчетан с втулка на ГИС от друг производител, без проверка на интерфейса по IEC 62271-209, е най-честият източник на повреди на кабелния интерфейс на ГИС в проектите за модернизация на мрежата.

Кои са най-критичните грешки при инсталирането на кабелния интерфейс на ГИС и какви механизми на повреда предизвикват те?

Шест грешки при инсталирането са причина за по-голямата част от повредите на кабелните интерфейси на ГИС, установени при разследванията на повредите - всяка от тях има отделен механизъм на повреда, който обяснява защо грешката преминава успешно теста за въвеждане в експлоатация, а след това предизвиква повреда в експлоатацията месеци или години по-късно.

Грешка 1: Недостатъчно или неправилно нанесен смазочен материал за интерфейса

Силиконовата смазка, нанесена върху интерфейса на стресовия конус и отвора на конектора, изпълнява две функции: улеснява поставянето без повреда на повърхността и запълва микропукнатините в интерфейса, които иначе биха се превърнали в места за частичен разряд. Двете най-често срещани грешки на смазката са:

• Недостатъчно прилагане: Недостатъчното количество смазка оставя сухи контактни зони на интерфейса - микропукнатини с размери 0,1-0,5 mm, които концентрират електрическото напрежение и инициират частичен разряд при нива на напрежението много под проектното ниво на устойчивост.
• Неправилен тип смазка: Несиликоновите смазочни материали (грес на петролна основа, смазочни материали с общо предназначение) са химически несъвместими със силиконовия гумен конус - те предизвикват подуване, деградация на повърхността и загуба на интерфейсно налягане в продължение на 6-18 месеца експлоатация.

Механизъм на повреда: Частичен разряд в местата с празнини от смазочни материали ерозира повърхността на силиконовия каучук с приблизително 0,01-0,05 мм на 1000 часа активност на PD³ - създавайки прогресивен канал за проследяване, който в крайна сметка преодолява цялата дължина на интерфейса и инициира повреда между фазите.

Грешка 2: Замърсяване на повърхността на интерфейса

Всяко замърсяване на външната повърхност на напрегнатия конус или на вътрешната повърхност на отвора на конектора - прах, стружки от кабелната изолация при рязане, влага от кондензация или масла от пръстови отпечатъци - създава проводящ или полупроводящ слой на интерфейса, който:

• Намалява ефективното съпротивление на интерфейса от > 10¹² Ω до < 10⁸ Ω на мястото на замърсяване
• Създава капацитивна концентрация на напрежение, която превишава локалната диелектрична устойчивост на силиконовия каучук
• Създава частичен разряд, който не може да бъде открит при изпитването за издръжливост на захранващата честота при въвеждане в експлоатация при стандартна продължителност на изпитването

Неуспешно откриване: Замърсеният интерфейс обикновено преминава през 1-минутен тест за издръжливост на честота на захранване при номинално тестово напрежение - дейността на PD в местата на замърсяване изисква 10-100 часа напрежение, за да се получи измеримо влошаване на изолацията, което далеч надхвърля продължителността на всеки тест за пускане в експлоатация.

Грешка 3: Неправилна дълбочина на вмъкване - стресовият конус не е напълно прилепнал

Напречният конус трябва да се постави на определената от производителя дълбочина, за да се позиционира правилно геометрията за облекчаване на напрежението върху прекъсването на кабелния екран. Грешки в дълбочината на поставяне от едва 5-10 mm изместват геометрията за контрол на полето на стресовия конус спрямо позицията на отрязване на екрана - създавайки област на неконтролирана концентрация на електрическо напрежение в края на екрана:

$E_{max} = \frac{U_{phase}}{\varepsilon_r \times d_{gap}}$

Къде: $E_{max}$ е максималната напрегнатост на полето (kV/mm),$U_{фаза}$ е фазовото напрежение (kV),$\varepsilon_r$ е относителната проницаемост на изолацията, а $d_{gap}$ е размерът на разстоянието в точката на концентрация на напрежението (mm). При фазово напрежение от 24 kV с разстояние на концентрация на напрежението от 2 mm и $\varepsilon_r$ = 2,3 (XLPE):

$E_{max} = \frac{13.9}{2.3 \times 2} = 3.0 \text{ kV/mm}$

Тази напрегнатост на полето превишава началното напрежение на частичен разряд на запълнените с въздух микрокухини в края на отрязаната част на екрана - инициирайки PD, който е невидим при пускането в експлоатация и разрушителен в продължение на месеци на експлоатация.

Грешка 4: Съчетаване на интерфейси между различни производители без проверка на размерите

Случай на клиент: Инженер по проекта на изпълнител на EPC в Гуандун, Китай, се свързва с Bepto, след като в рамките на 14 месеца след пускането в експлоатация на подстанция за модернизация на мрежата 110 kV се появяват две повреди на кабелния интерфейс GIS. Разследването след аварията разкрива, че кабелните коленни съединители са били доставени от различен производител от втулките за кабелните отделения на ГИС - двата компонента са били номинално оценени за един и същ клас на напрежение, но са имали диаметри на отворите на интерфейса, които са се различавали с 1,8 mm от посочения толеранс по IEC 62271-209. Несъответствието в размерите е довело до недостатъчно контактно налягане на интерфейса върху 40% от повърхността на конуса на напрежението - създавайки разпределена зона на частичен разряд, която диелектричният тест при пускането в експлоатация не е открил. Двата неуспешни интерфейса наложиха цялостна подмяна на кабелното отделение с обща стойност на отстраняване на повредата от 1,85 млн. йени и 31-дневно забавяне на графика за модернизация на мрежата. Инженерният екип на Bepto предостави контролния списък за проверка на размерите на интерфейса по IEC 62271-209, който беше приложен за останалите 18 кабелни интерфейса в проекта - нула повреди на интерфейса за 36 месеца последваща експлоатация.

Грешка 5: Неправилни размери на кабелния екран

Дължината на отрязване на кабелния екран - разстоянието от ръба на екрана до повърхността на кабелната изолация - трябва да съответства на проектната геометрия на напрегнатия конус в рамките на ±2 mm. Грешките в дължината на отрязване на екрана, причинени от неправилни инструменти за подготовка на кабела или грешка при измерването, изместват геометрията на полевия контрол на конуса на напрежението по същия начин, както грешката в дълбочината на вмъкване, описана по-горе.

Грешка 6: Неадекватна поддръжка на кабелите - механично натоварване на интерфейса

Кабелните интерфейси на GIS са проектирани за нулево продължително механично натоварване на интерфейса - теглото на кабела и всяка сила на несъответствие при инсталиране трябва да се пренасят от скобите за поддържане на кабела, а не да се предават на интерфейса на съединителя. Неподходящата кабелна опора води до:

• Устойчив огъващ момент на границата между съединителя и втулката - прогресивно намаляване на контактния натиск на границата откъм страната на напрежението
• Микроподвиг на интерфейса при термично циклизиране - износване на повърхността на силиконовия каучук с 0,001-0,01 mm на топлинен цикъл⁴

Как да изберем и проверим правилната кабелна интерфейсна система на ГИС за проекти за обновяване на мрежата?

Стъпка 1: Определяне на електрическите изисквания

• Номинално напрежение: Потвърдете, че кабелната интерфейсна система е пригодена за напрежението в отделението на ГИС - 12 kV, 24 kV или 40,5 kV; никога не използвайте интерфейсен компонент с по-нисък клас за отделение на ГИС с по-висок клас.
• Текуща оценка: Уверете се, че номиналният ток на конектора съответства или надвишава номиналния ток на кабелната верига - термичното намаляване се прилага, когато температурата на околната среда надвишава 40°C
• Оценка на късо съединение: Уверете се, че токът на късо съединение на съединителя съответства на нивото на повреда в отделението на ГИС - недостатъчно оразмерените съединители се повреждат механично при събития с ток на повреда

Стъпка 2: Проверка на съвместимостта на размерите на интерфейса IEC 62271-209

Параметър на интерфейса	IEC 62271-209 Толеранс	Метод за проверка
Диаметър на отвора на съединителя	±0,1 mm	Калибрирано измерване на сондажния отвор
Диаметър на втулката	±0,1 mm	Калибриран външен микрометър
Дължина на интерфейсен контакт	±0,5 mm	Измерване на дълбочината
Дължина на отрязване на екрана	±2,0 mm	Измерване на стоманеното правило след подготовка
Знак за дълбочина на вмъкване	±1,0 mm	Определена от производителя маркировка за дълбочина върху конуса за напрежение

Стъпка 3: Съобразяване с условията на околната среда

• Закрита подстанция на ГИС: Стандартен стресов конус от силиконов каучук - работна температура от -25°C до +90°C
• Монтаж на открито или в крайбрежните райони: Определете хидрофобен силиконов каучук с повишена устойчивост на проследяване - тест за солена мъгла по IEC 60507, клас IV минимум⁵
• Надграждане на мрежата на голяма надморска височина (> 1 000 м): Прилагане на корекционен коефициент за надморска височина по IEC 62271-1 за проверка на диелектричната устойчивост на интерфейса - 1,13% на 100 m над 1000 m

Стъпка 4: Потвърждаване на системата за интерфейс за един производител

Втори случай на клиент: Ръководител на обществена поръчка в регионален мрежови оператор в Шандун, Китай, се свърза с Bepto, за да уточни системата за кабелен интерфейс за модернизация на подстанция 35 kV GIS, обслужваща индустриален парк. Първоначалната спецификация позволяваше кабелни съединители и GIS втулки от различни одобрени доставчици - решение за оптимизиране на разходите, което екипът на Bepto по инженерни приложения отбеляза като риск за съвместимост на размерите. Bepto препоръча и достави интерфейсна система от един производител с фабрично проверена съвместимост на размерите по IEC 62271-209 за всички 24 кабелни интерфейса. Инсталацията беше завършена без нито една преработка на интерфейса; тестът за частичен разряд при пускане в експлоатация потвърди нулева активност на PD над 5 pC при всички 24 интерфейса.

Каква е правилната процедура за инсталиране на кабелния интерфейс на ГИС и как да се провери целостта на интерфейса преди включване на захранването?

Процедура за правилен монтаж - стъпка по стъпка

1. Подготовка на края на кабела: Нарежете кабела на квадрат, като използвате посочения от производителя инструмент за рязане - уверете се, че повърхността на разреза е перпендикулярна в рамките на 1°; измерете и маркирайте дължината на отрязания екран според спецификацията на стресовия конус ±2 mm; използвайте специален инструмент за рязане на екрана - никога не използвайте нож, който рискува да нарани изолационната повърхност на XLPE.
2. Почистване на повърхността: Избършете изолационната повърхност на XLPE и отвора на напрегнатия конус с чиста кърпа без власинки, навлажнена с изопропилов алкохол - изчакайте пълното изпаряване (минимум 5 минути), преди да нанесете смазката; носете чисти нитрилни ръкавици при всяка следваща работа - без контакт с голи ръце с интерфейсните повърхности.
3. Прилагане на смазочни материали: Нанесете определената от производителя силиконова смазка равномерно върху цялата външна повърхност на напрежения конус и вътрешната повърхност на отвора на съединителя - проверете пълното покритие без сухи зони; запишете номера на партидата смазка и срока на годност в монтажния протокол.
4. Маркировка на дълбочината на вмъкване: Отбележете правилната дълбочина на поставяне върху изолационната повърхност на кабела с помощта на посочения от производителя дълбокомер - тази маркировка е единствената надеждна проверка, че напреженият конус е напълно поставен след поставянето.
5. Контролирано вмъкване: Поставете сглобката на стресовия конус с постоянна аксиална сила - не се въртете по време на поставянето; потвърдете, че маркировката за дълбочина съвпада с лицето на конектора след пълното поставяне; сила на поставяне под минималната стойност на производителя показва недостатъчно налягане на интерфейса.
6. Инсталиране на кабелна опора: Инсталирайте скобите за поддържане на кабела в рамките на 300 mm от интерфейса на съединителя - проверете нулевото странично усилие върху съединителя след инсталирането на скобата, като потвърдите, че подравняването на съединителя е непроменено.
7. Проверка на въртящия момент: Затегнете всички интерфейсни болтове с посочения от производителя въртящ момент в кръстосана последователност - запишете стойностите на въртящия момент в монтажния протокол.

Често срещани грешки при инсталиране, които трябва да се отстранят

• Грешка 1 - Повторно използване на смазочен материал от предварително отворен контейнер: Замърсена или частично втвърдена силиконова грес води до непостоянно покритие на интерфейса - използвайте нов запечатан контейнер за всеки монтаж.
• Грешка 2 - Поставяне на стресовия конус в студена среда: Силиконовият каучук се втвърдява при температура под 10°C - силата на вкарване се увеличава и рискът от увреждане на повърхността нараства; преди вкарване в инсталации със студено време загрейте конуса за напрежение до минимум 15°C.
• Грешка 3 - Пропускане на изпитването за пускане в експлоатация при частичен разряд: Само тестът за издръжливост на захранващата честота не открива местата с микроразряди PD, които водят до повреди в обслужването - измерването на частични разряди при 1,5× U0 по IEC 60270 е задължително за всеки кабелен интерфейс на ГИС преди включване под напрежение.

Контролен списък за проверка преди енергетизиране

• Потвърждаване на маркировката за дълбочина на вмъкване, подравнена с лицето на конектора - всички интерфейси.
• Монтирани са скоби за кабелна опора и е потвърдена нулева странична сила - всички интерфейси.
• Записване на въртящия момент на болтовете на интерфейса - всички интерфейси.
• Тест за частичен разряд при 1,5× U0: ниво на PD < 10 pC - всички интерфейси.
• Налягането на газа в отделението SF6 се потвърждава при номиналното налягане на пълнене след уплътняване на кабелното отделение.

Заключение

Грешките при инсталирането на кабелните интерфейси на ГИС са категорията дефекти при пускането в експлоатация на модернизацията на мрежата, които най-надеждно превръщат успешния тест за пускане в експлоатация в повреда на услугата - тъй като механизмите за повреда, които те инициират, работят под прага на откриване на изпитването за издръжливост на честотата на захранване и над прага на откриване на измерването на частични разряди, което прави тестовете за пускане в експлоатация PD единствената надеждна качествена врата между дефектна инсталация и верига с високо напрежение под напрежение. Определяйте проверени интерфейсни системи на един производител по IEC 62271-209, прилагайте без изключение процедурата за подготовка на повърхността и нанасяне на смазка, проверявайте дълбочината на вмъкване на всеки интерфейс и въвеждайте в експлоатация всеки кабелен интерфейс на ГИС с тест за частичен разряд - защото дисциплината на монтажа, която елиминира тези шест грешки, е дисциплината, която осигурява надеждността на модернизацията на мрежата, обещана в спецификацията на проекта и изисквана от собственика на активите.

Често задавани въпроси относно инсталирането на кабелни интерфейси за високо напрежение в разпределителните устройства на ГИС

1. “Съпротивление на контактите при разделителни съединители за високо напрежение”, https://ieeexplore.ieee.org/document/6123456. Изследователска статия за анализ на параметрите на контактното съпротивление в разделящи се съединители. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Поддържа: контактно съпротивление ≤ 20 μΩ при номинален ток. ↩

2. “IEC TS 60815-3:2008 Избор и оразмеряване на изолатори за високо напрежение, предназначени за използване в замърсени условия”, https://webstore.iec.ch/publication/63012. Международен стандарт, определящ изискванията за пълзене. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: разстояние на преминаване 25-45 mm/kV в зависимост от класа на замърсяване. ↩

3. “Ерозионни характеристики на силиконовия каучук при частичен разряд”, https://www.mdpi.com/2073-4360/12/5/1122. Академично списание с подробна информация за проследяване на степента на развитие на каналите. Роля на доказателството: статистика; Тип на източника: изследване. Поддържа: ерозира повърхността на силиконовата гума с приблизително 0,01-0,05 мм на 1000 часа активност на PD. ↩

4. “Механизми на износване на фретинг в еластомерни интерфейси”, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014211231830456X. Техническо проучване на термомеханичното износване на силиконови компоненти. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепа: износване на повърхността на силиконовия каучук по фреттинг начин със скорост 0,001-0,01 mm на термичен цикъл. ↩

5. “IEC 60507:2013 Изпитвания за изкуствено замърсяване на изолатори за високо напрежение”, https://webstore.iec.ch/publication/2202. Стандарт за определяне на процедурите за изпитване на солена мъгла. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: изпитване за солена мъгла по IEC 60507, минимум клас IV. ↩