Какво грешат инженерите относно технологиите за повърхностно екраниране

Въведение

Технологията за повърхностно екраниране в комутационните апарати с твърда изолация е един от най-съществените и най-малко разбираеми елементи на дизайна в подстанциите средно напрежение - полупроводников или метален заземен екран, приложен към външната повърхност на капсулованата с епоксидна смола шина и комутационен модул, който контролира разпределението на електрическото поле на границата на твърдата изолация и осигурява безопасна при допир външна повърхност с нулево напрежение, която прави SIS комутационните апарати коренно различни от всяка друга технология за комутационни апарати средно напрежение по отношение на безопасността на персонала. И все пак в спецификациите на проектите, ръководствата за избор и оценките на обществените поръчки, разгледани в стотици проекти за модернизация на подстанции, многократно се появява една и съща група от инженерни заблуди относно повърхностната защита - заблуди, които водят до неправилни спецификации на разпределителните устройства SIS, неадекватни оценки на безопасността и полеви инсталации, при които системата за повърхностна защита е компрометирана от грешки при монтажа, които елиминират предимствата за безопасност и изолация, които технологията е проектирана да осигури. Това, което инженерите най-често грешат по отношение на повърхностното екраниране на разпределителните устройства SIS, е третирането на заземения външен екран като пасивно механично покритие, а не като активна система за контрол на електрическото поле, чиято цялост, непрекъснатост и правилна заземителна връзка са също толкова важни за диелектричната работа на разпределителното устройство и безопасността на персонала, колкото и самата първична изолация. За инженерите по проектиране на подстанции, отговорниците по електробезопасността и ръководителите на обществени поръчки, отговорни за избора и монтажа на разпределителни устройства SIS в подстанции с високо напрежение, това ръководство коригира петте най-съществени погрешни схващания за технологията на повърхностно екраниране с техническа прецизност, която рядко се предоставя в литературата за ръководство за избор.

Съдържание

• Какво представлява технологията за повърхностно екраниране на разпределителни устройства SIS и как се контролира разпределението на електрическото поле?
• Кои са петте най-съществени инженерни заблуди относно ефективността на повърхностното екраниране?
• Как правилно да определим изискванията за повърхностно екраниране в SIS разпределителни устройства за проекти за подстанции за високо напрежение?
• Какви грешки при инсталирането и поддръжката нарушават целостта на повърхностното екраниране при експлоатация?

Какво представлява технологията за повърхностно екраниране на разпределителни устройства SIS и как се контролира разпределението на електрическото поле?

Повърхностното екраниране в разпределителните устройства SIS е система от проводящи или полупроводникови слоеве, нанесени върху външната повърхност на капсулираните с епоксидна смола модули, която изпълнява две едновременни и взаимозависими функции: контролира разпределението на електрическото поле в твърдата изолация, за да предотврати концентрацията на напрежение на границата между епоксидната смола и въздуха, и представлява непрекъснато заземена външна повърхност, която елиминира капацитивно свързаното напрежение, което иначе би се появило на външната повърхност на неекраниран модул с твърда изолация при високо напрежение.

Проблемът с електрическото поле, който се решава от повърхностната защита

Без екраниране на повърхността външната повърхност на модул за изолация от твърда епоксидна смола при напрежение 24 kV ще носи капацитивно свързано повърхностно напрежение, определено от капацитивния делител на напрежение, образуван между високоволтовия проводник и заземения корпус на разпределителното устройство:

$U_{повърхност} = U_{фаза} \times \frac{C_{повърхност на проводника}}{C_{повърхност на проводника} + C_{повърхност-земя}}$

За епоксиден модул с фазово напрежение 24 kV (13,9 kV) и типична геометрия това капацитивно свързано повърхностно напрежение достига 2-6 kV - достатъчно, за да предизвика опасен електрически удар за персонала, докосващ външната повърхност, и достатъчно, за да инициира частичен разряд в неравностите на повърхността, където локалното електрическо поле надвишава началното напрежение на частичния разряд във въздуха на епоксидната повърхност.

Архитектура на системата за повърхностно екраниране

Повърхностното екраниране на разпределителните устройства SIS се изпълнява в две основни конфигурации:

• Екраниране на полупроводниковото покритие: епоксидно или силиконово покритие с въглероден заряд, нанесено върху външната повърхност на капсулирания модул - повърхностно съпротивление 10³-10⁶ Ω/квадрат¹; осигурява непрекъсната капацитивна връзка със земята чрез полупроводниковия слой; икономически ефективен за приложения 12-24 kV
• Метален екран: Непрекъснат екран от медно или алуминиево фолио или мрежа, вграден във или приложен към външната повърхност на епоксидния модул и свързан със заземителната шина на разпределителната уредба - осигурява заземяване на външната повърхност с нулев импеданс; изисква се за 40,5 kV и повече, когато капацитивно свързаното повърхностно напрежение върху полупроводниково покритие надвишава границите на безопасното напрежение при допир.

Основни технически параметри на системите за повърхностна защита

Параметър	Полупроводниково покритие	Метален екран
Повърхностно съпротивление	10³-10⁶ Ω/квадрат	< 0,1 Ω/квадрат
Земна връзка	Капацитивен (разпределен)	Директни (обвързани)
Напрежение на докосване при номинално напрежение	< 50 V AC (IEC 61140)	< 1 V AC
Пригодност за клас на напрежение	12-24 kV	12-40,5 kV
Чувствителност към щети	Абразия - отстраняване на покритието	Механични - прекъсване на екрана
Съответствие с IEC 62271-200	Тип, тестван с непокътнато покритие	Тип, тестван със залепен екран

Управляващ стандарт за безопасност

IEC 61140 - Защита от токов удар - определя границата на напрежението на допир 50 V AC, която системата за повърхностна защита трябва да поддържа върху външната повърхност на модулите на разпределителните устройства SIS при всички нормални условия на работа. Системата за екраниране на повърхността е инженерният контрол, който осигурява съответствие с IEC 61140 за разпределителни устройства с твърда изолация - без нея външните повърхности на разпределителните устройства SIS не са защитени от допир при средно напрежение.

Кои са петте най-съществени инженерни заблуди относно ефективността на повърхностното екраниране?

Тези пет погрешни схващания се срещат в спецификациите на проектите, процедурите за инсталиране и документацията за поддръжка на проектите за подстанции във всяка географска област - всяко от тях води до специфичен, предвидим начин на повреда, който правилното разбиране на технологията за повърхностно екраниране би предотвратило.

Погрешно схващане 1 - “Повърхностният щит е само покритие от боя”

Най-разпространеното погрешно схващане разглежда полупроводниковия или металния повърхностен щит като козметично или механично защитно покритие - еквивалентно на боята върху корпуса на разпределителното табло - а не като функционален електрически компонент, чиято цялост е също толкова важна, колкото и първичната изолация.

Последиците: Персоналът по поддръжката шлайфа, изтърква или нанася непроводима боя върху повредените участъци на полупроводниковото покритие по време на рутинната поддръжка - създавайки неекранирани участъци върху епоксидната повърхност, където електрическото поле се връща към неконтролирано разпределение, локалното напрежение на полето надвишава началното напрежение на частичния разряд и на границата на участъка започва активност на PD. Неекранирано петно с площ 50 mm² върху повърхността на SIS модул с напрежение 24 kV създава локално напрежение на електрическото поле от 4-8 kV/mm на границата на петното - значително над Праг на възникване на PD от 1-2 kV/mm за въздух на епоксидната повърхност².

Погрешно схващане 2 - “Заземяването на повърхностния екран е по избор за класовете с ниско напрежение”

Някои инженери специфицират SIS разпределителни уредби при 12 kV, без да изискват заземяването на повърхностния щит да се прави към заземителната шина на разпределителната уредба - с аргумента, че по-ниският клас напрежение произвежда по-ниско капацитивно свързано повърхностно напрежение, което “вероятно е достатъчно безопасно”.”

Последиците: IEC 61140 не предвижда изключение за класа на напрежението за границите на напрежението на докосване - 50 V AC е границата независимо от напрежението на системата.³. Модул SIS 12 kV с несвързан щит с полупроводниково покритие носи повърхностно напрежение от 0,8-2,5 kV при нормални условия на работа - 16-50 пъти повече от граничното напрежение на допир по IEC 61140. Оценката “вероятно достатъчно безопасно” не е инженерно изчисление; това е предположение, което елиминира основната функция за безопасност на персонала на системата за повърхностно екраниране.

Заблуда 3 - “Прекъснат метален екран все още осигурява адекватна защита”

Инженерите, които специфицират разпределителни устройства SIS с метален екран при 40,5 kV, понякога приемат пропуски в непрекъснатостта на екрана - в съединенията на модулите, точките на влизане на кабелите или местата на механични повреди - въз основа на това, че екранът покрива “по-голямата част” от повърхността и осигурява “по-голямата част” от ползата от екранирането.

Последиците: Екранирането на електрическото поле не е пропорционална функция на покритието на екрана - 10 mm пролука в непрекъснат метален екран концентрира цялото неекранирано електрическо поле в мястото на пролуката. Напрежението на полето в пролуката на екрана в модул SIS 40,5 kV достига 15-25 kV/mm - достатъчно, за да инициира частичен разряд във въздуха в пролуката, който ерозира епоксидната повърхност и преминава в повреда на проследяването в рамките на 500-2 000 часа експлоатация.

Случай на клиент: Инженер-проектант на подстанция от изпълнител на EPC в Дзянсу, Китай, се свързва с Bepto, след като в рамките на 8 месеца след пускането в експлоатация на 35 kV SIS разпределителен панел се появява видима следа от проследяване върху повърхността на капсулования модул на шината. Проверката след повредата установи 15-милиметрова пролука в целостта на екрана в съединението между две капсуловани секции на шината - пролуката е била създадена по време на монтажа, когато монтажен екип е пропуснал лентата за свързване на екрана в съединението на модула. Каналът за проследяване е напреднал с 35 mm от ръба на пролуката към кабелния терминал. Техническият екип на Bepto определи правилната процедура за свързване на целостта на екрана и достави резервна свързваща лента и проводящо лепило за ремонта. Ремонтираната инсталация функционира без повторение в продължение на 30 месеца.

Заблуда 4 - “Повърхностното екраниране премахва необходимостта от изпитване за частичен разряд”

В някои спецификации за възлагане на обществени поръчки за разпределителни уредби SIS не се извършва изпитване за въвеждане в експлоатация на частичен разряд на основание, че системата за повърхностно екраниране “предотвратява PD”, като се смесва функцията на повърхностното екраниране (контрол на разпределението на външното поле) с функцията на основната изолация (предотвратяване на вътрешния PD в епоксидната отливка).

Последиците: Повърхностното екраниране контролира електрическото поле на границата между епоксидната смола и въздуха - то не предотвратява частичните разряди в кухини, разслоявания или включвания вътре в епоксидната отливка. Вътрешното ПП в разпределителните устройства SIS не може да се открие чрез визуална проверка и не се предотвратява от целостта на повърхностната защита - то изисква Измерване на частичен разряд по IEC 60270 при 1,5× U0⁴ за откриване. Пропускането на изпитването за пускане в експлоатация на PD въз основа на наличието на екраниране на повърхността оставя вътрешните дефекти на отливката неоткрити.

Заблуда 5 - “Всички системи за повърхностна защита на разпределителните устройства SIS са еквивалентни”

Инженерите, които избират между продукти за SIS разпределителни устройства от различни производители, понякога разглеждат повърхностното екраниране като стандартизирана характеристика - приемайки, че всеки продукт с етикет “SIS” и “повърхностно екраниране” осигурява еквивалентен контрол на електрическото поле и безопасност при допир.

Последиците: Дизайнът на системата за повърхностна защита, спецификацията на материала и проверката на типа по IEC се различават значително при различните производители - полупроводниково покритие с повърхностно съпротивление от 10⁷ Ω/квадрат (горна граница на приемливия диапазон) осигурява значително по-малък контрол на полето, отколкото покритие с 10³ Ω/квадрат, а метален екран с прекъснато свързване в съединенията на модулите осигурява значително по-малка защита, отколкото екран с непрекъснато свързване. Без да се изисква от производителя да предостави протокол от изпитване на типа по IEC 62271-200, който включва измерване на повърхностното напрежение при налична система за екраниране, спецификацията не може да провери дали продуктът осигурява съответствие с IEC 61140 за напрежение на допир.

Как правилно да определим изискванията за повърхностно екраниране в SIS разпределителни устройства за проекти за подстанции за високо напрежение?

Стъпка 1: Определяне на изискванията за електричество и безопасност

Определете параметрите на спецификацията на повърхностното екраниране въз основа на електрическите изисквания и изискванията за безопасност на проекта:

• Системно напрежение: Определя минималния тип на екраниране - полупроводниково покритие, допустимо при 12-24 kV; метален екран, необходим при 40,5 kV
• Ограничение на напрежението при докосване: Посочете съответствие с IEC 61140 - максимум 50 V AC върху всяка достъпна външна повърхност при номинално работно напрежение
• Честота на достъп на персонала: Високочестотният достъп на персонала (маршрути за ежедневна инспекция в близост до модули на ШИС под напрежение) изисква метален екран при всички класове напрежение - заземителната връзка с по-нисък импеданс осигурява по-голям запас от безопасност в сравнение с полупроводниковото покритие.

Стъпка 2: Разглеждане на условията на околната среда в подстанцията

• Подстанция с контролиран климат на закрито: Екраниране на полупроводниковото покритие е приемливо - стабилната температура и влажност предотвратяват разграждането на покритието
• Подстанция на открито или в неконтролирана среда: Определено е екраниране на метални екрани - ултравиолетовата радиация, термичните цикли и влагата разрушават полупроводниковите покрития по-бързо от металните екрани
• Подстанция с високо замърсяване (SPS клас III/IV): Метален екран с уплътнени съединения на модулите - предотвратява проводящото замърсяване от премостване на пролуките на екрана при интерфейсите на модулите

Стъпка 3: Съвпадение на стандартите и сертификатите

Изисквайте следните проверки за всеки продукт за разпределителна уредба SIS, представен за оценка:

Изискване за сертифициране	Клауза за спецификация	Документ за проверка
Изпитване на типа IEC 62271-200	Пълно изпитване на типа, включително измерване на повърхностното напрежение	Оригинален протокол от изпитване - не обобщен сертификат
Съответствие с IEC 61140 за напрежение на допир	Повърхностно напрежение ≤ 50 V AC при номинално напрежение	Данни от измерванията в доклада от изпитването на типа
Съпротивление на полупроводниковото покритие	10³-10⁶ Ω/квадрат	Сертификат за изпитване на материала на производителя
Метална непрекъснатост на екрана	Нулева прекъснатост при съединенията на модулите	Запис от фабрична проверка
Тест за частично разреждане	< 10 pC при 1,5× U0	Доклад от изпитване IEC 60270

Сценарии на подприложение

• Градска разпределителна подстанция: ШИС с метален екран - висока честота на достъп на персонала; компактният отпечатък е от решаващо значение; безопасността при допир не подлежи на обсъждане в инсталации, разположени на обществени места
• Подстанция на промишлена инсталация: Полупроводниково покритие SIS при 12-24 kV - контролиран достъп; стабилна вътрешна среда; оптимизирани разходи за голям брой панели
• Колекторна подстанция за възобновяема енергия: ШИС с метален екран при 35 kV - монтаж на открито или полуоткрито; дълги интервали за поддръжка; издръжливост на екрана за 25-годишен експлоатационен период
• Подстанция на голяма надморска височина (> 1 000 м): Метален екран SIS - намалената плътност на въздуха увеличава риска от PD на повърхността при прекъсвания на покритието; метален екран елиминира инициирането на PD на повърхността чрез въздушна междина

Какви грешки при инсталирането и поддръжката нарушават целостта на повърхностното екраниране при експлоатация?

Стъпки за инсталиране и поддръжка

1. Проверка на целостта на екранирането преди монтажа: Проверете всички повърхности на капсулираните модули за повреди на покритието или прекъсвания на екрана преди монтажа - отхвърлете всеки модул с видимо износване на покритието > 25 mm² или прекъсване на екрана > 5 mm; документирайте резултатите от проверката със снимки.
2. Залепване на екрана при връзките на модулите: Нанесете специфицираната от производителя проводима свързваща лента на всички връзки между модулите - проверете дали застъпването на лентата е ≥ 50 mm от всяка страна на връзката; преди монтажа на панела измерете съпротивлението на връзката < 1 Ω с калибриран омметър с ниско съпротивление.
3. Проверка на земната връзка: Потвърдете, че заземяването на повърхностния щит към заземителната шина на разпределителното устройство е направено с посочения от производителя проводник и е затегнато до определената стойност - измерете съпротивлението на заземяването < 0,5 Ω; запишете в протокола за въвеждане в експлоатация на инсталацията
4. Измерване на напрежението при допир при пускане в експлоатация: Измерване на напрежението на повърхността на всички достъпни капсуловани повърхности на модула с високоомен волтметър при номинално работно напрежение - потвърдете < 50 V AC на всички повърхности; всяка повърхност, надвишаваща 50 V AC, изисква незабавно изследване на непрекъснатостта на екранирането и заземяването, преди да бъде разрешен достъпът на персонала.

Често срещани грешки за отстраняване

• Грешка 1 - Възстановяване на повреденото полупроводниково покритие с непроводяща боя или епоксиден пълнител: Всеки ремонтен материал, приложен върху повреденото покритие, трябва да има повърхностно съпротивление в рамките на спецификационния диапазон 10³-10⁶ Ω/квадрат - използвайте само предоставената от производителя проводима ремонтна смес; непроводящият ремонт създава неекранирано петно, което инициира PD
• Грешка 2 - Пропускане на лентата за залепване на екрана при съединенията на модулите по време на монтажа: Лентата за залепване на съединенията на модулите не е допълнителен хардуер - тя е елементът на непрекъснатост, който предотвратява начина на повреда PD; нейният пропуск е най-често срещаната грешка при монтажа, която води до повреди в началото на експлоатацията на повърхностното проследяване на разпределителните устройства SIS.
• Грешка 3 - Извършване на измерване на напрежението при допир със стандартен мултиметър: Стандартните мултиметри имат входно съпротивление от 10 MΩ - недостатъчно за точно измерване на капацитивно свързаното повърхностно напрежение върху щита на полупроводниково покритие; използвайте електростатичен волтметър с висок импеданс (> 1 GΩ входно съпротивление)⁵ за измерване на напрежението при допир на екранирани модули с полупроводниково покритие

Втори случай на клиент: Ръководител на обществените поръчки в регионален оператор на електропреносна мрежа в Шандун, Китай, се свърза с Bepto, за да оцени две конкурентни предложения за SIS разпределителни устройства за модернизация на градска разпределителна подстанция 10 kV - и двата продукта бяха обозначени като “повърхностно екранирани SIS” в маркетинговите материали на производителя. При оценката Bepto поиска докладите за изпитване на типа по IEC 62271-200 за двата продукта и установи, че докладът на единия производител включва данни от измерване на повърхностното напрежение, потвърждаващи 38 V AC при номинално напрежение - в съответствие с IEC 61140. Докладът на втория производител не съдържа данни за измерване на повърхностното напрежение - изпитването на типа е извършено без да е направена заземителна връзка на повърхностния екран, което прави непроверени показателите за безопасност при допир. Bepto препоръча сертифицирания продукт; мрежовият оператор прие изискването за измерване на повърхностното напрежение по IEC 61140 като задължителна клауза от спецификацията на обществената поръчка за всички бъдещи покупки на SIS разпределителни устройства.

Заключение

Технологията за повърхностно екраниране в разпределителните устройства SIS не е пасивно покритие - тя е активна система за контрол на електрическото поле, чиято цялост, непрекъснатост и правилно заземяване определят както диелектричната надеждност на твърдата изолация, така и безопасността на допир на разпределителното устройство за всеки работещ в подстанцията. Петте погрешни схващания, коригирани в това ръководство - третиране на екранирането като козметично средство, пропускане на заземяването при по-ниски класове напрежение, приемане на прекъсвания на екрана, заместване на екранирането с изпитване на PD и приемане, че всички системи за екраниране на СИС са еквивалентни - всяко от тях води до специфични, предотвратими повреди, които правилната спецификация и дисциплина на монтажа елиминират. Изисквайте протоколи от изпитвания от типа IEC 62271-200 с данни от измервания на повърхностното напрежение, потвърждаващи съответствието с IEC 61140, специфицирайте метални екрани за приложения с напрежение 40,5 kV и висока честота на достъп, изисквайте инсталиране на лента за свързване на екрана при всяко съединение на модула, проверете съпротивлението на заземяване при пускане в експлоатация и измерете напрежението на допир на всяка достъпна повърхност, преди да бъде разрешен достъпът на персонала - защото системата за екраниране на повърхността, която е специфицирана правилно, инсталирана напълно и проверена при пускане в експлоатация, е системата, която осигурява безопасността на подстанциите с високо напрежение, за която е проектирана разпределителната уредба SIS.

Често задавани въпроси за технологията за повърхностно екраниране на разпределителни устройства SIS

1. “Електрически свойства на полупроводникови покрития за комутационни апарати с твърда изолация”, https://ieeexplore.ieee.org/document/8343187. Изследване на параметрите на проводимостта на защитния слой от IEEE. Роля на доказателството: статистическо; Тип на източника: изследване. Поддържа: повърхностно съпротивление 10³-10⁶ Ω/квадрат. ↩

2. “Механизми за възникване на частичен разряд на границата между епоксидна смола и въздух”, https://ieeexplore.ieee.org/document/7988352. Технически документ с подробна информация за границите на електрическо разрушаване при интерфейси твърдо вещество-газ. Роля на доказателството: статистическо; Тип източник: научно изследване. Подкрепа: Праг на възникване на PD от 1-2 kV/mm за въздух на епоксидната повърхност. ↩

3. “IEC 61140:2016 Защита от поражение от електрически ток - Общи аспекти за инсталацията и оборудването”, https://webstore.iec.ch/publication/26027. Международен стандарт, определящ границите на безопасното напрежение при допир. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Поддържа: IEC 61140 няма изключение за класа на напрежението за границите на напрежението на допир - 50 V AC е границата, независимо от напрежението на системата. ↩

4. “IEC 60270:2000 Техники за изпитване с високо напрежение - Измервания на частични разряди”, https://webstore.iec.ch/publication/1213. Стандарт, определящ процедурите за изпитване за откриване на частични разряди. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: IEC 60270 измерване на частичен разряд при 1,5× U0. ↩

5. “Техники за измерване на електростатично напрежение за повърхности с висока импеданс”, https://ieeexplore.ieee.org/document/10398321. Инженерно ръководство за оценка на капацитивно свързани повърхностни напрежения. Evidence role: general_support; Source type: research. Подкрепя: електростатичен волтметър с висок импеданс (> 1 GΩ входен импеданс). ↩