Защо неправилното зареждане унищожава вътрешните сензори

Въведение

В електроразпределителните системи изолационните части от газ SF6 са проектирани да работят в продължение на десетилетия с минимална намеса. Но когато се задейства аларма за налягането на газа и екипът по поддръжката започне презареждане с SF6, една на пръв поглед рутинна процедура може безшумно да унищожи най-прецизните критични компоненти в оборудването: вътрешните сензори. Скоковете на налягането, проникването на влага и замърсените газови потоци по време на неправилно презареждане не просто влошават точността на сензорите - те причиняват необратима повреда на мониторите за плътност, сензорите за частичен разряд и температурните преобразуватели, вградени в газовото отделение.

Директният отговор е следният: неправилното пълнене с SF6 води до преходни процеси на свръхналягане, замърсяване с влага и химически странични продукти, които физически разрушават вътрешните сензори - и повредите често са невидими, докато следващата повреда не разкрие, че оборудването е работило на сляпо.

За инженерите по разпределение на електроенергия и екипите по поддръжка, отговорни за изолационните части на газовете SF6 в главните блокове, разпределителните табла и разпределителните подстанции, това е реалност за отстраняване на проблеми, която рядко се среща в ръководствата за оборудване. Разбирането на механизмите на повреда, правилното функционална безопасност¹ и как да се изберат изолационни части за газ SF6 със защитен дизайн на сензора е от съществено значение за дългосрочната надеждност и безопасност на системата.

Съдържание

• Какви вътрешни сензори са вградени в частите за изолация с газ SF6 и какво правят те?
• Как неправилното пълнене с SF6 унищожава физически вътрешните сензори?
• Как да изберем газови изолационни части SF6 със сензорно-защитен дизайн за електроразпределение?
• Кои са най-често срещаните грешки при пълнене и как да отстраним повредата на сензора?
• Често задавани въпроси относно пълненето с SF6 и защитата на вътрешния сензор

Какви вътрешни сензори са вградени в частите за изолация с газ SF6 и какво правят те?

Съвременните газови изолационни части SF6, използвани в електроразпределителните системи за средно напрежение, не са пасивни изолационни съдове - те са комплекти с измервателни уреди. Множество видове сензори са интегрирани директно в газовото отделение или са монтирани на границата на газа, като всеки от тях изпълнява критична функция за мониторинг, която е в основата на надеждността на цялата разпределителна верига.

Основните типове вътрешни сензори, които се срещат в изолационните части на газовете SF6, включват:

• Монитори за плътност на газа (GDM): Сензори с компенсация на налягането и температурата, които измерват плътност на газа SF6, а не абсолютно налягане², което осигурява точно състояние на изолацията независимо от промяната на околната температура

• Сензори за частичен разряд (PD): Свръхвисокочестотни (UHF) сензори или сензори за акустична емисия, които откриват ранна фаза на деградация на изолацията в газовото отделение.

• Температурни датчици: Терморезистори PT100 или NTC за следене на температурата на проводника и корпуса за защита от термично претоварване

• Сензори за откриване на светкавична дъга: Сензори, базирани на оптични влакна или фотодиоди, които откриват вътрешни дъгови възпламенявания за бързо задействане на защитното реле

• Сензори за влажност/суша: Капацитивни сензори за следене на съдържанието на влага в газа SF6 спрямо границите по IEC 60480

Ключови технически параметри за вътрешни сензорни системи:

• GDM Работен обхват: Абсолютно налягане 0-1,0 MPa; температурна компенсация -40°C до +70°C
• GDM Клас на точност: ±1,5% пълна скала по IEC 62271-203
• PD Праг на откриване на сензора: ≤5 pC (пикокуломи) по IEC 60270³
• Лимит на сензора за влага: ≤15 ppmv (обем) по IEC 60480⁴ при номинално налягане на пълнене
• Приложими стандарти: IEC 62271-203, IEC 60270, IEC 60480, IEC 61869
• Защита на корпуса на сензора: Минимум IP67 за външни корпуси на сензори; газонепроницаем кабелен възел по IEC 62271-203

Тези сензори заедно формират гръбнака на надеждността на газовите изолационни части SF6 в приложенията за разпределение на енергия. Когато те се повредят безшумно - както се случва след неправилно зареждане - оборудването продължава да работи, докато системата за наблюдение, която би открила следващата повреда, вече е унищожена.

Как неправилното пълнене с SF6 унищожава физически вътрешните сензори?

Разрушаването на вътрешните сензори при неправилно зареждане с SF6 се извършва по предвидими физически механизми. Всеки механизъм съответства на конкретна процедурна грешка, която е тревожно често срещана в практиката на полевата поддръжка в електроразпределителните мрежи.

Четирите основни механизма за разрушаване на сензори са:

1. Преходни повреди от свръхналягане - Бързото отваряне на клапана по време на пълнене генерира скокове на налягането от 1,5-2 пъти номиналното налягане на пълнене в рамките на милисекунди, което надхвърля механичната якост на мембраните GDM и мембраните на сензора PD
2. Замърсяване с влага - пълненето с бутилки SF6, които не са били предварително проверени за съдържание на влага, внася водни пари, които кондензират върху капацитивните сензори за влага, причинявайки необратимо отклонение при калибриране или повреда на късо съединение.
3. Влизане на страничен продукт от разлагането на SF6 - свързване на оборудването за пълнене с отделение, съдържащо остатъчни странични продукти от SOF₂ или HF⁵ без предварителна рекуперация на газ позволява мигриране на корозивни съединения в корпусите на сензорите
4. Електростатичен разряд (ESD) по време на газовия поток - високоскоростният поток SF6 през незаземени маркучи за пълнене генерира статичен заряд, който се разрязва през електрониката на сензора PD, разрушавайки чувствителните UHF детекторни вериги.

Сравнение на режимите на неизправност на сензора според типа на грешката при пълнене

Грешка при пълнене	Засегнат сензор	Механизъм на отказ	Въздействие върху надеждността
Бързо отваряне на клапана	Монитор за плътност на газа	Разкъсване на мембраната от скок на налягането	Няма аларма за налягането на газа - работа на сляпо
Използван мокър цилиндър SF6	Сензор за влага	Късо съединение на капацитивен елемент	Алармата за влажност е деактивирана - нарушение на IEC 60480
Без възстановяване на газа преди зареждане	Сензор PD	Атака на корозивни странични продукти върху UHF елемента	Неоткрит частичен разряд - риск от повреда на изолацията
Незаземен маркуч за пълнене	Сензор PD / Сензор за светкавица от дъга	Разрушаване на веригата за откриване от ESD	Неоткрито събитие на волтова дъга - отказ на защитата
Препълване над номиналното налягане	Преобразувател на температурата	Уплътнителна екструзия при кабелния възел на сензора - проникване на газ	Загубено наблюдение на температурата - риск от термично претоварване

Случай на клиент - 24 kV пръстеновиден магистрален блок, индустриално електроразпределение, Близък изток:
Изпълнител на електроразпределителни услуги се обръща към Bepto Electric след като получава катастрофална повреда на шина в 24 kV пръстеновиден магистрален блок, който е бил презареден шест месеца по-рано. Разследването след повредата разкрива, че мониторът за плътност на газа е бил унищожен по време на процедурата за зареждане - екипът по поддръжката е отворил напълно клапана за зареждане без уредба за зареждане с регулиране на налягането, генерирайки приблизителен скок на налягането от 0,9 МРа при номинално налягане на запълване от 0,5 МРа. Диафрагмата на GDM се е скъсала, което е оставило оборудването да работи без наблюдение на налягането на газа в продължение на шест месеца. Когато SF6 бавно изтече през деградирало уплътнение с О-пръстен, не е имало аларма - и последвалата повреда на изолацията е предизвикала трифазна дъгова вълна, която е унищожила целия главен блок на пръстена. Изпълнителят ми каза: “Презареждането отне десет минути. Ремонтът отне четири месеца и ни струваше целия график на проекта.” След преминаването към газови изолационни части SF6 с вентили за пълнене с регулиране на налягането и интегрирани функции за самотестване на GDM, изпълнителят е въвел протокол за пълнене с нулева толерантност във всички обекти за дистрибуция.

Как да изберем газови изолационни части SF6 със сензорно-защитен дизайн за електроразпределение?

Изборът на изолационни части за газ SF6, които защитават вътрешните сензори по време на операции по зареждане, изисква оценка на конструктивните характеристики, които надхвърлят стандартните номинални стойности на напрежението и тока. При приложения за разпределение на енергия, където екипите за поддръжка не винаги следват идеалните процедури, дизайнът за защита на сензорите е мултипликатор на надеждността.

Стъпка 1: Определяне на изискванията към системата за електроразпределение

• Номинално напрежение: 12 kV / 24 kV за газови изолационни части от клас SF6 за разпределение
• Номинален нормален ток и ток на късо съединение
• Брой на газовите отделения и точките за интегриране на сензорите съгласно IEC 62271-203

Стъпка 2: Оценка на дизайна на клапана за пълнене с газ

• Посочете самозатварящи се клапани за пълнене тип Schrader с интегрирана функция за ограничаване на налягането
• Максимално допустима скорост на пълнене: ≤0,1 MPa/минута, за да се предотврати повреда на мембраните на GDM при преходно налягане
• Задължително: уредба за пълнене с регулиране на налягането с калибриран манометър за изход по IEC 62271-203, приложение Е

Стъпка 3: Определяне на функциите за защита на сензора

• GDM: Посочете устройствата с мембрана от неръждаема стомана, оценена на 2× максималното налягане на пълнене като защита от разрушаване.
• Сензори PD: Посочете устройства с вградени вериги за защита от електростатичен разряд и заземени коаксиални кабелни връзки
• Сензори за влага: Определете фабрично калибрирани единици със запечатан референтен елемент; избягвайте сменяеми на място конструкции в тежки условия.
• Кабелни втулки: Посочете двойно уплътняващи газонепроницаеми кабелни втулки, предназначени за пълното тестово налягане в отделението

Стъпка 4: Проверка на стандартите и сертификацията на IEC

• Изпитване на типа по IEC 62271-203, включително изпитване за циклично изменение на налягането върху интерфейсите на сензорите
• Изпитване на типа IEC 60270 за прага на откриване на сензора PD
• Сертификат за съответствие с IEC 60480 за чистотата на газа SF6 при фабрично пълнене
• Доклад за фабричен тест за приемане (FAT), потвърждаващ калибрирането на всички сензори преди изпращане

Стъпка 5: Създаване на документация за протокола за зареждане

• Изискване към доставчика да предостави писмена процедура за пълнене със спецификация на максималната скорост на пълнене
• Потвърдете наличието на уредба за пълнене с регулиране на налягането, съвместима с типа на клапана за пълнене на оборудването
• Определяне на задължителни стъпки преди презареждане: възстановяване на газа, проверка на влажността на заместващата бутилка SF6, ESD заземяване на цялото оборудване за презареждане.

Сценарии на приложение за електроразпределение

• Градска разпределителна подстанция: Компактни части за изолация на газ SF6 с непрекъснат GDM изход към SCADA; задължителна функция за самотестване на сензора
• Индустриален разпределителен панел: Определете мониторинг на PD с алармен релеен изход; от решаващо значение за ранно откриване на неизправности в промишлени вериги с високо натоварване
• Свързване на мрежата за възобновяема енергия: Дистанционно наблюдение на плътността на газа е от съществено значение, когато достъпът за поддръжка е рядък
• Подземно разпределение на кабели: Задължителни сензори за откриване на волтова дъга; последиците от авария в затворено пространство са тежки

Кои са най-често срещаните грешки при пълнене и как да отстраним повредата на сензора?

Когато има съмнение за повреда на сензора в резултат на неправилно зареждане, от съществено значение е прилагането на структуриран подход за отстраняване на неизправности, за да се определи кои сензори са се повредили, дали оборудването е безопасно за повторно включване и какви коригиращи действия са необходими, преди да се върне в експлоатация частта за изолация на газ SF6 в електроразпределителната мрежа.

Правилна процедура за пълнене на SF6

1. Заземете цялото оборудване за пълнене преди свързване към вентила за пълнене - елиминира риска от ESD за PD и сензорите за дъгова светкавица
2. Проверка на съдържанието на влага в цилиндъра SF6 с помощта на измервател на точката на оросяване преди свързване - отхвърлете всяка бутилка с точка на оросяване над -40°C (еквивалентно на ~15 ppmv при налягане на пълнене)
3. Свързване на уредба за пълнене с регулиране на налягането - задайте изходното налягане на номиналното налягане на пълнене ±0,02 MPa; никога не използвайте нерегулирано налягане в цилиндъра
4. Отворете бавно клапана за пълнене - максимална скорост на пълнене 0,1 МРа/минута; непрекъснато следене на показанията на GDM по време на пълнене
5. Проверка на окончателното отчитане на GDM срещу температурно компенсирано целево налягане преди изключване
6. Извършване на проверка за течове след повторно пълнене с калибриран детектор SF6 на всички фланцови съединения и кабелни втулки на сензора

Контролен списък за отстраняване на неизправности при повреда на сензора след презареждане

• GDM отчита нулеви стойности или високи стойности след презареждане → Подозирате разкъсване на мембраната от скок на налягането; отстранете GDM и го изпитайте спрямо калибриран еталон; заменете го, ако реакцията е нелинейна.
• Алармата GDM не се задейства при известно ниско налягане → Подозирате повреда на алармения контакт от свръхналягане; извършете тест за непрекъснатост на контакта при зададено номинално алармено налягане
• Повишаване на долната граница на шума на изходното ниво на PD след презареждане → Съществува съмнение за ESD повреда на UHF детекторната верига; сравнете PD спектъра преди и след презареждане; заменете сензора, ако долната граница на шума надвишава 10 pC
• Алармата за влажност е активна веднага след зареждане → Подозирате, че е използвана влажна бутилка SF6; вземете проба от газа съгласно IEC 60480; ако влажността е >15 ppmv, възстановете газа, изсушете отделението и напълнете отново със сертифициран сух SF6.
• Изместване на показанията на температурния датчик >±2°C → Подозирате повреда на уплътнението на кабелния възел по време на свръхналягане; проверете възела за изтичане на SF6; заменете възела и калибрирайте отново датчика

Често срещани грешки при презареждане, които трябва да се избягват

• Използване на един и същ маркуч за пълнене за няколко типа оборудване без прочистване - кръстосаното замърсяване с вторични продукти на SF6 между отделенията унищожава сензорите за влага
• Презареждане без предварителна проверка за история на вътрешни дъги - ако анализът на газовете покаже, че SOF₂ >10 ppmv по IEC 60480, отделението трябва да бъде напълно обеззаразено, преди да се напълни отново.
• Пропускане на проверката на сензора след презареждане - всички сензори трябва да бъдат функционално тествани след всяка операция по пълнене, преди да се включат отново.

Заключение

Неправилното пълнене с SF6 е една от най-предотвратимите причини за повреда на вътрешния сензор в газовите изолационни части SF6 на електроразпределението - и една от най-сериозните. Унищоженият монитор за плътност на газа, дезактивираният сензор за частичен разряд или повреденият детектор за влага не спират работата на оборудването; те лишават от надеждност и контрол на безопасността, които правят технологията за SF6 изолация надеждна. Чрез специфициране на части за газова изолация SF6 с конструктивни характеристики за защита на сензорите, прилагане на протоколи за зареждане с регулирано налягане и следване на структуриран контролен списък за отстраняване на неизправности след зареждане, инженерите по електроразпределение могат да елиминират напълно този начин на повреда. Десетте минути, спестени от пропускането на правилната процедура за зареждане, могат да струват четири месеца непланирани прекъсвания - математиката не е сложна.

Често задавани въпроси относно пълненето с SF6 и защитата на вътрешния сензор

1. “IEC 61508”, https://en.wikipedia.org/wiki/IEC_61508. Преглед на международния стандарт за функционална безопасност на електрически и електронни системи. Evidence role: general_support; Source type: standard. Поддържа: функционална безопасност. ↩

2. “Измерване на плътността на газ SF6”, https://www.wika.com/en-en/knowledge/basics/sf6_gas_density.html. Обяснение на температурно-компенсираните монитори за плътност в приложенията за разпределителни устройства. Роля на доказателството: механизъм; Вид на източника: индустрия. Подкрепя: 1: Плътност на газа SF6, а не абсолютно налягане. ↩

3. “IEC 60270:2000 Техники за изпитване с високо напрежение - Измервания на частични разряди”, https://webstore.iec.ch/publication/1212. Стандарт за определяне на прага на откриване на пикокулони за оборудване за частични разряди. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: ≤5 pC (пикокулома) по IEC 60270. ↩

4. “IEC 60480:2019 Спецификации за повторна употреба на серен хексафлуорид (SF6)”, https://webstore.iec.ch/publication/64516. Стандарт, в който подробно са описани максимално допустимите граници на съдържанието на влага в газовите отделения на SF6. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Поддържа: ≤15 ppmv (обем) по IEC 60480. ↩

5. “Анализ на SF6 за оценка на състоянието на AIS, GIS и MTS”, https://e-cigre.org/publication/730-sf6-analysis-for-ais-gis-and-mts-condition-assessment. Техническа брошура, в която подробно се описва корозионното въздействие на страничните продукти от разлагането на SF6 като SOF2 и HF върху вътрешните компоненти. Роля на доказателството: механизъм; Вид на източника: изследване. Подкрепя: остатъчни странични продукти от SOF₂ или HF. ↩