Ce greșesc inginerii cu privire la tehnologia de ecranare a suprafețelor

Introducere

Tehnologia de ecranare a suprafeței în comutatoarele cu izolație solidă este unul dintre cele mai importante și mai puțin înțelese elemente de proiectare în ingineria substațiilor de medie tensiune - un ecran semiconductor sau metalic împământat aplicat pe suprafața exterioară a rășină epoxidică¹ magistrală încapsulată și modul de comutare care controlează distribuția câmpului electric² la limita izolației solide și oferă o suprafață exterioară sigură la atingere, de tensiune zero, care face comutatoarele SIS fundamental diferite de orice altă tehnologie de comutatoare de medie tensiune în ceea ce privește siguranța personalului. Cu toate acestea, în specificațiile de proiect, ghidurile de selecție și evaluările achizițiilor analizate în cadrul a sute de proiecte de modernizare a substațiilor, apare în mod repetat același grup de concepții tehnice greșite cu privire la ecranarea de suprafață - concepții greșite care generează specificații incorecte ale aparatajului de comutație SIS, evaluări inadecvate ale siguranței și instalații pe teren în care sistemul de ecranare de suprafață a fost compromis de erori de instalare care elimină beneficiile de siguranță și de performanță a izolației pe care tehnologia a fost proiectată să le ofere. Ceea ce inginerii greșesc cel mai frecvent în ceea ce privește ecranarea suprafeței comutatoarelor SIS este tratarea ecranului exterior împământat ca o acoperire mecanică pasivă, mai degrabă decât ca un sistem activ de control al câmpului electric, a cărui integritate, continuitate și conectare corectă la pământ sunt la fel de critice pentru performanța dielectrică a comutatoarelor și siguranța personalului ca și izolația primară în sine. Pentru inginerii proiectanți de stații, ofițerii de siguranță electrică și managerii de achiziții responsabili pentru selectarea și instalarea comutatoarelor SIS în aplicații de stații de înaltă tensiune, acest ghid corectează cele mai consecvente cinci concepții greșite despre tehnologia de ecranare a suprafețelor cu precizia tehnică pe care literatura ghidului de selecție o oferă rar.

Tabla de conținut

• Ce este tehnologia de ecranare a suprafeței comutatoarelor SIS și cum controlează distribuția câmpului electric?
• Care sunt cele mai consecvente cinci concepții tehnice greșite despre performanța ecranării suprafețelor?
• Cum să specificați corect cerințele de ecranare de suprafață în comutatoarele SIS pentru proiectele de stații de înaltă tensiune?
• Ce erori de instalare și întreținere compromit integritatea ecranării suprafeței în timpul funcționării?

Ce este tehnologia de ecranare a suprafeței comutatoarelor SIS și cum controlează distribuția câmpului electric?

Ecranarea de suprafață în instalațiile de comutație SIS este sistemul de straturi conductoare sau semiconductoare aplicate pe suprafața exterioară a modulelor încapsulate în rășină epoxidică, care îndeplinește două funcții simultane și interdependente: controlează distribuția câmpului electric în izolația solidă pentru a preveni concentrarea tensiunilor la limita epoxidică-aer și prezintă o suprafață exterioară împământată continuu care elimină tensiunea cuplată capacitiv care ar apărea altfel pe suprafața exterioară a unui modul cu izolație solidă neecranată la tensiune înaltă.

Problema câmpului electric pe care o rezolvă ecranarea de suprafață

Fără ecranare de suprafață, suprafața exterioară a unui modul de izolație din rășină epoxidică solidă la 24 kV ar purta o tensiune de suprafață cuplată capacitiv, determinată de divizorul de tensiune capacitiv format între conductorul de înaltă tensiune și carcasa instalației de comutație împământată:

$U_{suprafață} = U_{fază} \times \frac{C_{conductor-surface}}{C_{conductor-surface} + C_{suprafață-pământ}}$

Pentru un modul epoxidic cu o tensiune de fază de 24 kV (13,9 kV) cu o geometrie tipică, această tensiune de suprafață cuplată capacitiv atinge 2-6 kV - suficient pentru a produce un șoc electric periculos pentru personalul care atinge suprafața exterioară și suficient pentru a iniția o descărcare parțială la neregularitățile suprafeței unde câmpul electric local depășește tensiunea de inițiere a descărcării parțiale a aerului la suprafața epoxidică.

Arhitectura sistemului de ecranare a suprafeței

Ecranarea de suprafață a comutatoarelor SIS este implementată în două configurații principale:

• Acoperire semiconductoare³ scut: Un strat epoxidic sau siliconic încărcat cu carbon aplicat pe suprafața exterioară a modulului încapsulat - rezistivitate de suprafață 10³-10⁶ Ω/pătrat; asigură o cuplare capacitivă continuă la pământ prin stratul semiconductor; rentabil pentru aplicații de 12-24 kV
• Ecran metalic de protecție: O folie continuă de cupru sau aluminiu sau un ecran cu ochiuri încastrate sau aplicate pe suprafața exterioară a modulului epoxidic și conectate la bara de împământare a comutatorului - asigură o împământare cu impedanță zero a suprafeței exterioare; necesar pentru 40,5 kV și peste, în cazul în care tensiunea de suprafață cuplată capacitiv pe o acoperire semiconductoare depășește limitele de tensiune de atingere sigură

Parametrii tehnici cheie ai sistemelor de ecranare de suprafață

Parametru	Acoperire semiconductoare	Ecran metalic
Rezistivitatea suprafeței	10³-10⁶ Ω/pătrat	< 0,1 Ω/pătrat pătrat
Conexiune la pământ	Capacitiv (distribuit)	Direct (în garanție)
Tensiunea de atingere la tensiunea nominală	< 50 V AC (IEC 61140)	< 1 V AC
Adecvarea la clasa de tensiune	12-24 kV	12-40,5 kV
Sensibilitatea daunelor	Abraziune - îndepărtarea stratului de acoperire	Mecanic - discontinuitate a ecranului
Conformitate IEC 62271-200	Tip testat cu acoperire intactă	Tip testat cu ecran lipit

Standardul de siguranță în vigoare

IEC 61140⁴ - Protecția împotriva șocurilor electrice - definește limita tensiunii de atingere de 50 V CA pe care sistemul de ecranare a suprafeței trebuie să o mențină pe suprafața exterioară a modulelor de comutație SIS în toate condițiile normale de funcționare. Sistemul de ecranare a suprafeței este controlul tehnic care asigură conformitatea IEC 61140 pentru comutatoarele cu izolație solidă - fără acesta, suprafețele exterioare ale comutatoarelor SIS nu sunt sigure la atingere la tensiuni nominale medii.

Care sunt cele mai consecvente cinci concepții tehnice greșite despre performanța ecranării suprafețelor?

Aceste cinci concepții greșite apar în specificațiile de proiect, procedurile de instalare și înregistrările de întreținere în cadrul proiectelor de substații din toate zonele geografice - fiecare producând un mod de defecțiune specific și previzibil pe care înțelegerea corectă a tehnologiei de ecranare a suprafețelor l-ar fi prevenit.

Concepția greșită 1 - “Scutul de suprafață este doar un strat de vopsea”

Cea mai răspândită concepție greșită tratează ecranarea suprafeței semiconductoare sau metalice ca un strat cosmetic sau mecanic de protecție - echivalent cu vopseaua de pe carcasa unui panou de distribuție - mai degrabă decât ca o componentă electrică funcțională a cărei integritate este la fel de critică ca izolația primară.

Consecința: Personalul de întreținere șlefuiește, abradează sau aplică vopsea de retuș neconductoare pe zonele deteriorate ale acoperirii semiconductoare în timpul întreținerii de rutină - creând pete neblindate pe suprafața epoxidică unde câmpul electric revine la distribuția necontrolată, tensiunea câmpului local depășește descărcare parțială⁵ tensiunea de inițiere, iar activitatea PD se inițiază la limita plăcii. Un patch neblindat de 50 mm² pe suprafața unui modul SIS de 24 kV produce o tensiune locală a câmpului electric de 4-8 kV/mm la marginea patch-ului - cu mult peste pragul de inițiere a PD de 1-2 kV/mm pentru aer la suprafața epoxidică.

Concepția greșită 2 - “Punerea la pământ cu ecranare de suprafață este opțională pentru clasele de joasă tensiune”

Unii ingineri specifică aparatajul SIS la 12 kV fără a solicita ca conexiunea de pământ de ecranare a suprafeței să fie făcută la bara de pământ a aparatajului - motivând că clasa de tensiune mai mică produce o tensiune de suprafață cuplată capacitiv mai mică care este “probabil suficient de sigură”.”

Consecința: IEC 61140 nu prevede o excepție de clasă de tensiune pentru limitele tensiunii de atingere - 50 V CA este limita indiferent de tensiunea sistemului. Un modul SIS de 12 kV cu un ecran de acoperire semiconductor neconectat are o tensiune de suprafață de 0,8-2,5 kV în condiții normale de funcționare - 16-50× limita de tensiune la atingere din IEC 61140. Evaluarea “probabil suficient de sigur” nu este un calcul tehnic; este o presupunere care elimină funcția principală de siguranță a personalului a sistemului de ecranare a suprafeței.

Concepția greșită 3 - “Un ecran metalic discontinuu oferă în continuare o ecranare adecvată”

Inginerii care specifică comutatoarele SIS cu ecran metalic la 40,5 kV acceptă uneori lacune de continuitate a ecranului - la îmbinările modulelor, la punctele de intrare a cablurilor sau la locațiile deteriorărilor mecanice - pe baza faptului că ecranul acoperă “cea mai mare parte” a suprafeței și oferă “cea mai mare parte” a beneficiului de ecranare.

Consecința: Ecranarea câmpului electric nu este o funcție proporțională a acoperirii ecranului - un decalaj de 10 mm într-un ecran metalic continuu concentrează întregul câmp electric neecranat la locul decalajului. Tensiunea câmpului la un gol de ecran într-un modul SIS de 40,5 kV atinge 15-25 kV/mm - suficient pentru a iniția o descărcare parțială în aer la gol care erodează suprafața epoxidică și progresează spre o defecțiune de urmărire în 500-2 000 de ore de funcționare.

Cazul unui client: Un inginer proiectant de stații electrice de la un contractor EPC din Jiangsu, China, a contactat Bepto după ce un panou de comutație SIS de 35 kV a dezvoltat o urmă vizibilă pe suprafața modulului de bare încapsulate la 8 luni de la punerea în funcțiune. Inspecția post-faliment a identificat un decalaj de continuitate a ecranului de 15 mm la îmbinarea dintre două secțiuni de bare capsulate - decalajul fusese creat în timpul instalării, când banda de lipire a ecranului la îmbinarea modulelor a fost omisă de echipa de instalare. Canalul de urmărire a progresat 35 mm de la marginea golului spre terminația cablului. Echipa tehnică Bepto a specificat procedura corectă de lipire a continuității ecranului și a furnizat bandă de lipire de înlocuire și adeziv conductiv pentru reparație. Instalația reparată a funcționat fără probleme timp de 30 de luni.

Concepția greșită 4 - “Ecranarea de suprafață elimină necesitatea testării descărcărilor parțiale”

Unele specificații de achiziție pentru comutatoarele SIS omit testul de punere în funcțiune a descărcării parțiale pe baza faptului că sistemul de ecranare a suprafeței “previne DP” - confundând funcția de ecranare a suprafeței (controlul distribuției câmpului extern) cu funcția de izolare primară (prevenirea DP interne în cadrul turnării epoxidice).

Consecința: Ecranarea de suprafață controlează câmpul electric la limita dintre epoxid și aer - nu împiedică descărcarea parțială în goluri, delaminări sau incluziuni din interiorul epoxidului turnat. Descărcarea parțială internă în comutatoarele SIS nu poate fi detectată prin inspecție vizuală și nu este împiedicată de integritatea ecranării de suprafață - pentru a fi detectată, este necesară măsurarea descărcării parțiale la 1,5× U0 conform IEC 60270. Omiterea testelor de punere în funcțiune a DP pe baza prezenței ecranării de suprafață lasă nedetectate defectele interne de turnare.

Concepția greșită 5 - “Toate sistemele de ecranare a suprafeței comutatoarelor SIS sunt echivalente”

Inginerii care aleg între produsele de comutație SIS de la diferiți producători tratează uneori ecranarea suprafeței ca o caracteristică standardizată - presupunând că orice produs etichetat “SIS” cu “ecranare de suprafață” oferă performanțe echivalente de control al câmpului electric și de siguranță la atingere.

Consecința: Proiectarea sistemului de ecranare a suprafeței, specificația materialului și verificarea testelor de tip IEC variază semnificativ între producători - un strat semiconductor cu o rezistivitate a suprafeței de 10⁷ Ω/pătrat (limita superioară a intervalului acceptabil) oferă un control al câmpului mult mai redus decât un strat de 10³ Ω/pătrat, iar un ecran metalic cu lipire discontinuă la îmbinările modulelor oferă o protecție mult mai redusă decât un ecran cu lipire continuă. Fără a solicita producătorului să furnizeze raportul de încercare de tip IEC 62271-200 care include măsurarea tensiunii de suprafață cu sistemul de ecranare instalat, specificația nu poate verifica dacă produsul asigură conformitatea cu tensiunea la atingere IEC 61140.

Cum să specificați corect cerințele de ecranare de suprafață în comutatoarele SIS pentru proiectele de stații de înaltă tensiune?

Pasul 1: Definirea cerințelor electrice și de siguranță

Stabilirea parametrilor specificațiilor de ecranare a suprafeței pe baza cerințelor electrice și de siguranță ale proiectului:

• Tensiunea sistemului: Determină tipul minim de ecranare - acoperire semiconductoare acceptabilă la 12-24 kV; ecran metalic necesar la 40,5 kV
• Limita de tensiune la atingere: Specificați conformitatea cu IEC 61140 - maximum 50 V CA pe orice suprafață exterioară accesibilă la tensiunea de funcționare nominală
• Frecvența accesului personalului: Accesul personalului de înaltă frecvență (rute de inspecție zilnică adiacente modulelor SIS active) necesită ecranare metalică la toate clasele de tensiune - conexiunea la pământ cu impedanță mai mică oferă o marjă de siguranță mai mare decât acoperirea semiconductoare

Pasul 2: Luați în considerare condițiile de mediu ale substației

• Substație interioară cu climă controlată: Acoperire semiconductoare ecranare acceptabilă - temperatura și umiditatea stabile previn degradarea acoperirii
• Substație în aer liber sau în mediu necontrolat: Ecran metalic de protecție specificat - radiațiile UV, ciclurile termice și umiditatea degradează straturile semiconductoare mai rapid decât ecranele metalice
• Substație cu poluare ridicată (SPS clasa III/IV): Ecran metalic cu îmbinări sigilate ale modulelor - împiedică poluarea conductivă să acopere golurile ecranului la interfețele modulelor

Pasul 3: Potrivirea standardelor și a certificărilor

Cereți următoarele verificări pentru fiecare produs SIS de comutație prezentat pentru evaluare:

Cerința de certificare	Clauza de specificație	Document de verificare
Test de tip IEC 62271-200	Încercare de tip completă, inclusiv măsurarea tensiunii de suprafață	Raport de testare original - nu certificat sumar
Conformitatea cu tensiunea de atingere IEC 61140	Tensiune de suprafață ≤ 50 V AC la tensiunea nominală	Date de măsurare în raportul de încercare de tip
Rezistivitatea acoperirii semiconductoare	10³-10⁶ Ω/pătrat	Certificat de testare a materialului producătorului
Continuitatea ecranului metalic	Discontinuitate zero la îmbinările modulelor	Înregistrarea inspecției în fabrică
Test de descărcare parțială	< 10 pC la 1,5× U0	Raport de testare IEC 60270

Scenarii de subaplicare

• Substație de distribuție urbană: Ecran metalic SIS - frecvență ridicată de acces a personalului; amprenta compactă este critică; siguranța la atingere nu este negociabilă în instalațiile publice adiacente
• Substație instalație industrială: Acoperire semiconductoare SIS la 12-24 kV - acces controlat; mediu interior stabil; costuri optimizate pentru un număr mare de panouri
• Substație colectoare de energie regenerabilă: Ecran metalic SIS la 35 kV - instalare în exterior sau semi-exterior; intervale lungi de întreținere; durabilitatea ecranului pe o durată de viață de 25 de ani
• Substație de mare altitudine (> 1.000 m): Ecran metalic SIS - densitatea redusă a aerului crește riscul de PD la suprafață la discontinuitățile de acoperire; ecranul metalic elimină inițierea PD la suprafață

Ce erori de instalare și întreținere compromit integritatea ecranării suprafeței în timpul funcționării?

Etape de instalare și întreținere

1. Inspecția integrității ecranării înainte de instalare: Inspectați toate suprafețele modulelor încapsulate pentru a depista deteriorări ale stratului de acoperire sau discontinuități ale ecranului înainte de instalare - respingeți orice modul cu o abraziune vizibilă a stratului de acoperire > 25 mm² sau cu o discontinuitate a ecranului > 5 mm; documentați rezultatele inspecției cu fotografii
2. Lipire prin ecranare la îmbinările modulelor: Aplicați banda de lipire conductivă specificată de producător la toate îmbinările modul-modul - verificați suprapunerea benzii ≥ 50 mm pe fiecare parte a îmbinării; măsurați rezistența îmbinării < 1 Ω cu un ohmmetru calibrat cu rezistență redusă înainte de asamblarea panoului
3. Verificarea conexiunii la pământ: Confirmați că conexiunea la pământ de ecranare a suprafeței la bara de pământ a aparatului de comutație este realizată cu conductorul specificat de producător și este strânsă la valoarea specificată - măsurați rezistența conexiunii la pământ < 0,5 Ω; înregistrați în registrul de punere în funcțiune a instalației
4. Măsurarea tensiunii la atingere la punerea în funcțiune: Măsurați tensiunea de suprafață pe toate suprafețele încapsulate accesibile ale modulului cu un voltmetru de înaltă impedanță la tensiunea nominală de funcționare - confirmați < 50 V CA pe toate suprafețele; orice suprafață care depășește 50 V CA necesită investigarea imediată a continuității ecranării și a conexiunii la pământ înainte de a permite accesul personalului

Erori comune de eliminat

• Eroarea 1 - Repararea acoperirii semiconductoare deteriorate cu vopsea neconductoare sau umplutură epoxidică: Orice material de reparație aplicat pe o zonă de acoperire deteriorată trebuie să aibă o rezistivitate a suprafeței în intervalul de specificație 10³-10⁶ Ω/pătrat pătrat - utilizați numai compusul de reparație conductiv furnizat de producător; reparația neconductivă creează o zonă neecranată care inițiază PD
• Eroarea 2 - Omiterea benzii de lipire a ecranului la îmbinările modulelor în timpul instalării: Banda de lipire a îmbinărilor modulului nu este un echipament opțional - este elementul de continuitate care previne modul de defectare a PD cu spațiu între ecrane; omiterea acesteia este cea mai frecventă eroare de instalare care produce defecțiuni de urmărire a suprafeței aparatajului SIS la începutul vieții
• Eroare 3 - Efectuarea măsurării tensiunii de atingere cu un multimetru standard: Multimetrele standard au o impedanță de intrare de 10 MΩ - insuficientă pentru a măsura cu precizie tensiunea de suprafață cuplată capacitiv pe un ecran de acoperire semiconductor; utilizați un voltmetru electrostatic cu impedanță ridicată (impedanță de intrare > 1 GΩ) pentru măsurarea tensiunii de atingere pe modulele ecranate cu acoperire semiconductoare

Un al doilea caz de client: Un director de achiziții de la un operator regional de rețele electrice din Shandong, China, a contactat Bepto pentru a evalua două propuneri concurente de comutatoare SIS pentru modernizarea unei substații de distribuție urbană de 10 kV - ambele produse au fost etichetate ca “SIS ecranat la suprafață” în materialele de marketing ale producătorului. Evaluarea Bepto a solicitat rapoartele de testare de tip IEC 62271-200 pentru ambele produse și a constatat că raportul unui producător includea date de măsurare a tensiunii de suprafață care confirmau 38 V AC la tensiunea nominală - conform IEC 61140. Raportul celui de-al doilea producător nu conținea date de măsurare a tensiunii de suprafață - testul de tip fusese efectuat fără ca conexiunea la pământ de ecranare a suprafeței să fie realizată, făcând ca performanța de siguranță la atingere să nu fie verificată. Bepto a recomandat produsul certificat; operatorul de rețea a adoptat cerința de măsurare a tensiunii de suprafață IEC 61140 ca o clauză obligatorie a specificațiilor de achiziție pentru toate achizițiile viitoare de aparataj SIS.

Concluzie

Tehnologia de ecranare a suprafeței în comutatoarele SIS nu este un strat pasiv - este un sistem activ de control al câmpului electric a cărui integritate, continuitate și conectare corectă la pământ determină atât fiabilitatea dielectrică a izolației solide, cât și siguranța la atingere a comutatorului pentru fiecare persoană care lucrează în substație. Cele cinci concepții greșite corectate în acest ghid - tratarea ecranării ca fiind cosmetică, omiterea legării la pământ la clasele de tensiune inferioare, acceptarea discontinuităților ecranului, înlocuirea ecranării cu testarea PD și presupunerea că toate sistemele de ecranare SIS sunt echivalente - produc fiecare defecțiuni specifice, care pot fi prevenite, pe care specificațiile corecte și disciplina de instalare le elimină. Solicitați rapoarte de încercare de tip IEC 62271-200 cu date de măsurare a tensiunii de suprafață care să confirme conformitatea cu IEC 61140, specificați ecranarea metalică pentru aplicații de 40,5 kV și de înaltă frecvență de acces, impuneți instalarea benzii de legare a ecranului la fiecare îmbinare a modulelor, verificați rezistența conexiunii la pământ la punerea în funcțiune și măsurați tensiunea de atingere pe fiecare suprafață accesibilă înainte de a permite accesul personalului - deoarece sistemul de ecranare a suprafeței care este specificat corect, instalat complet și verificat la punerea în funcțiune este sistemul care asigură performanța de siguranță a stației de înaltă tensiune pentru care a fost proiectat comutatorul SIS.

Întrebări frecvente despre tehnologia de ecranare de suprafață a comutatoarelor SIS

1. Înțelegerea caracteristicilor dielectrice și mecanice ale rășinii turnate utilizate în modulele SIS. ↩

2. Aflați cum scuturile de împământare controlează concentrația de tensiuni electrice la limita izolației. ↩

3. Explorați cerințele de rezistență electrică pentru controlul eficient al câmpului în aplicații de medie tensiune. ↩

4. Accesați standardul internațional de siguranță pentru protecția împotriva șocurilor electrice în instalațiile electrice. ↩

5. Cercetați nivelurile de tensiune la care începe defectarea electrică localizată în medii gazoase. ↩