Инженеры ошибаются при выборе технологии экранирования поверхности

Введение

Технология экранирования поверхности в распределительных устройствах с твердой изоляцией является одним из наиболее важных и наименее понятных элементов конструкции подстанций среднего напряжения. Это полупроводниковый или металлический заземленный экран, нанесенный на внешнюю поверхность эпоксидная смола¹ герметичная шина и коммутационный модуль, который управляет распределение электрического поля² на границе сплошной изоляции и обеспечивает безопасную для прикосновения внешнюю поверхность с нулевым напряжением, что принципиально отличает КРУЭ SIS от всех других технологий КРУЭ среднего напряжения с точки зрения безопасности персонала. Однако в проектных спецификациях, руководствах по выбору и оценках закупок, рассмотренных в сотнях проектов модернизации подстанций, постоянно встречается один и тот же набор инженерных заблуждений относительно поверхностного экранирования - заблуждений, которые приводят к неправильным спецификациям КРУЭ, неадекватным оценкам безопасности и полевым установкам, где система поверхностного экранирования была скомпрометирована из-за ошибок монтажа, которые устраняют преимущества безопасности и характеристик изоляции, которые должна была обеспечить данная технология. Что инженеры чаще всего делают неправильно в отношении экранирования поверхности КРУЭ, так это рассматривают заземленный внешний экран как пассивное механическое покрытие, а не как активную систему управления электрическим полем, целостность, непрерывность и правильное подключение заземления которой так же важны для диэлектрических характеристик КРУЭ и безопасности персонала, как и сама первичная изоляция. Для инженеров-проектировщиков подстанций, специалистов по электробезопасности и менеджеров по закупкам, ответственных за выбор и установку распределительных устройств SIS на высоковольтных подстанциях, это руководство исправляет пять наиболее серьезных заблуждений о технологии поверхностного экранирования с технической точностью, которую редко можно найти в литературе по выбору.

Оглавление

• Что такое технология поверхностного экранирования распределительных устройств SIS и как она контролирует распределение электрического поля?
• Каковы пять наиболее серьезных инженерных заблуждений относительно эффективности экранирования поверхности?
• Как правильно определить требования к экранированию поверхности в распределительных устройствах SIS для проектов высоковольтных подстанций?
• Какие ошибки при установке и обслуживании нарушают целостность поверхностного экранирования в процессе эксплуатации?

Что такое технология поверхностного экранирования распределительных устройств SIS и как она контролирует распределение электрического поля?

Экранирование поверхности в распределительных устройствах SIS - это система проводящих или полупроводящих слоев, нанесенных на внешнюю поверхность модулей с эпоксидной смолой, которая выполняет две одновременные и взаимозависимые функции: контролирует распределение электрического поля внутри твердой изоляции для предотвращения концентрации напряжения на границе эпоксидной смолы и воздуха и представляет собой постоянно заземленную внешнюю поверхность, которая устраняет емкостно-связанное напряжение, возникающее на внешней поверхности неэкранированного модуля твердой изоляции при высоком напряжении.

Проблема электрического поля, которую решает поверхностное экранирование

Без поверхностного экранирования внешняя поверхность модуля изоляции из твердой эпоксидной смолы при напряжении 24 кВ будет нести емкостное поверхностное напряжение, определяемое емкостным делителем напряжения, образованным между высоковольтным проводником и заземленным корпусом распределительного устройства:

$U_{поверхность} = U_{фаза} \times \frac{C_{проводник-поверхность}}{C_{проводник-поверхность} + C_{поверхность-земля}}$

Для эпоксидного модуля с фазовым напряжением 24 кВ (13,9 кВ) и типичной геометрией это емкостное поверхностное напряжение достигает 2-6 кВ - достаточно, чтобы вызвать опасный удар током у персонала, касающегося внешней поверхности, и достаточно, чтобы инициировать частичный разряд на неровностях поверхности, где локальное электрическое поле превышает напряжение зарождения частичного разряда в воздухе на поверхности эпоксидной смолы.

Архитектура системы экранирования поверхности

Экранирование поверхности распределительных устройств SIS осуществляется в двух основных конфигурациях:

• Полупроводниковое покрытие³ щит: Нагруженное углеродом эпоксидное или силиконовое покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность герметичного модуля - поверхностное сопротивление 10³-10⁶ Ω/квадрат; обеспечивает непрерывную емкостную связь с землей через полупроводниковый слой; экономически эффективен для приложений 12-24 кВ
• Металлический экран: Сплошной экран из медной или алюминиевой фольги или сетки, встроенный в наружную поверхность эпоксидного модуля или нанесенный на нее и соединенный с шиной заземления распределительного устройства - обеспечивает заземление наружной поверхности с нулевым импедансом; требуется для 40,5 кВ и выше, когда емкостное напряжение на поверхности полупроводникового покрытия превышает пределы безопасного напряжения прикосновения

Основные технические параметры систем экранирования поверхности

Параметр	Полупроводниковое покрытие	Металлический экран
Поверхностное удельное сопротивление	10³-10⁶ Ω/квадрат	< 0,1 Ω/квадрат
Заземление	Емкостные (распределенные)	Прямые (облигационные)
Напряжение прикосновения при номинальном напряжении	< 50 В ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (IEC 61140)	< 1 В ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Соответствие классу напряжения	12-24 кВ	12-40,5 кВ
Чувствительность к повреждениям	Абразия - удаление покрытия	Механические - разрыв экрана
Соответствие стандарту IEC 62271-200	Тип испытан с неповрежденным покрытием	Тип испытан с приклеенным экраном

Регулирующий стандарт безопасности

IEC 61140⁴ - Защита от поражения электрическим током - определяет предельное напряжение прикосновения 50 В переменного тока, которое система экранирования поверхности должна поддерживать на внешней поверхности модулей КРУ SIS при всех нормальных условиях эксплуатации. Система экранирования поверхности - это инженерный элемент, обеспечивающий соответствие стандарту IEC 61140 для распределительных устройств с твердой изоляцией - без нее внешние поверхности распределительных устройств SIS не защищены от прикосновения при средних номинальных напряжениях.

Каковы пять наиболее серьезных инженерных заблуждений относительно эффективности экранирования поверхности?

Эти пять заблуждений встречаются в проектных спецификациях, процедурах установки и записях технического обслуживания на подстанциях в любой географии - каждое из них приводит к определенному, предсказуемому отказу, который можно было бы предотвратить при правильном понимании технологии поверхностного экранирования.

Заблуждение 1 - “Поверхностный щит - это просто лакокрасочное покрытие”

Наиболее распространенное заблуждение рассматривает полупроводниковый или металлический поверхностный экран как косметическое или механическое защитное покрытие - эквивалент краски на корпусе распределительного устройства - а не как функциональный электрический компонент, целостность которого так же важна, как и первичная изоляция.

Последствия: Технический персонал шлифует, истирает или наносит непроводящую краску на поврежденные участки полупроводящего покрытия во время планового обслуживания - образуются неэкранированные участки на эпоксидной поверхности, где электрическое поле возвращается к неконтролируемому распределению, локальная напряженность поля превышает частичная разрядка⁵ напряжение зарождения, и активность ЧР начинается на границе заплаты. Неэкранированный патч площадью 50 мм² на поверхности модуля SIS 24 кВ создает локальную напряженность электрического поля 4-8 кВ/мм на границе патча - намного выше порога возникновения ЧР 1-2 кВ/мм для воздуха на поверхности эпоксидной смолы.

Заблуждение 2 - “Поверхностное экранирующее заземление необязательно для низковольтных классов”

Некоторые инженеры устанавливают распределительные устройства SIS на 12 кВ, не требуя соединения поверхностного экранирующего заземления с шиной заземления распределительного устройства, полагая, что более низкий класс напряжения создает более низкое емкостное напряжение на поверхности, которое “вероятно, достаточно безопасно”.”

Последствия: В стандарте IEC 61140 нет исключения по классу напряжения для предельного напряжения прикосновения - 50 В переменного тока является предельным значением независимо от напряжения в системе. Модуль SIS 12 кВ с неподключенным экраном с полупроводящим покрытием имеет напряжение на поверхности 0,8-2,5 кВ при нормальных условиях эксплуатации - 16-50× предельное напряжение прикосновения по IEC 61140. Оценка “вероятно, достаточно безопасно” не является инженерным расчетом; это предположение, которое исключает основную функцию защиты персонала, выполняемую системой экранирования поверхности.

Заблуждение 3 - “Непрерывный металлический экран все равно обеспечивает адекватное экранирование”

Инженеры, разрабатывающие распределительные устройства SIS с металлическим экраном на напряжение 40,5 кВ, иногда допускают нарушения целостности экрана - в местах соединения модулей, ввода кабелей или механических повреждений - на том основании, что экран покрывает “большую” часть поверхности и обеспечивает “большую” часть преимущества экранирования.

Последствия: Экранирование электрического поля не является пропорциональной функцией покрытия экрана - 10-миллиметровый зазор в непрерывном металлическом экране концентрирует все неэкранированное электрическое поле в месте зазора. Напряженность поля в зазоре экрана в модуле SIS на 40,5 кВ достигает 15-25 кВ/мм - этого достаточно для возникновения частичного разряда в воздухе в зазоре, который разъедает поверхность эпоксидной смолы и приводит к разрушению трекинга в течение 500-2000 часов работы.

Случай с клиентом: Инженер-проектировщик подстанции из подрядной организации EPC в Цзянсу, Китай, обратился в компанию Bepto после того, как на панели распределительного устройства SIS 35 кВ через 8 месяцев после ввода в эксплуатацию на поверхности модуля сборных шин появился видимый след. Осмотр после отказа выявил 15-миллиметровый разрыв целостности экрана на стыке двух секций герметизированной шины - разрыв образовался во время монтажа, когда монтажная бригада пропустила ленту для склеивания экрана на стыке модулей. Канал слежения продвинулся на 35 мм от края зазора в сторону кабельной заделки. Техническая команда Bepto указала правильную процедуру склеивания экрана, а также предоставила запасную ленту и токопроводящий клей для ремонта. Отремонтированная установка проработала без рецидивов в течение 30 месяцев.

Заблуждение 4 - “Экранирование поверхности устраняет необходимость в испытаниях на частичный разряд”

В некоторых спецификациях на закупку распределительных устройств SIS не проводится испытание на ввод в эксплуатацию частичного разряда на том основании, что система экранирования поверхности “предотвращает ЧР” - при этом функция экранирования поверхности (контроль распределения внешнего поля) смешивается с функцией первичной изоляции (предотвращение внутреннего ЧР внутри эпоксидной заливки).

Последствия: Поверхностное экранирование контролирует электрическое поле на границе эпоксидной смолы и воздуха - оно не предотвращает частичный разряд в пустотах, расслоениях или включениях внутри эпоксидной заливки. Внутренний ЧР в распределительных устройствах SIS не обнаруживается при визуальном осмотре и не предотвращается целостностью поверхностного экрана - для его обнаружения требуется измерение частичного разряда по IEC 60270 при 1,5× U0. Отказ от пусконаладочных испытаний на наличие ЧР на основании наличия поверхностной защиты оставляет внутренние дефекты литья необнаруженными.

Заблуждение 5 - “Все системы поверхностного экранирования распределительных устройств SIS эквивалентны”

Инженеры, выбирающие между распределительными устройствами SIS разных производителей, иногда рассматривают экранирование поверхности как стандартную характеристику, полагая, что любой продукт с маркировкой “SIS” и “экранированием поверхности” обеспечивает эквивалентный контроль электрического поля и безопасность прикосновения.

Последствия: Конструкция системы экранирования поверхности, спецификация материалов и проверка типовых испытаний IEC значительно отличаются у разных производителей - полупроводниковое покрытие с поверхностным сопротивлением 10⁷ Ω/квадрат (верхняя граница допустимого диапазона) обеспечивает значительно меньший контроль поля, чем покрытие с сопротивлением 10³ Ω/квадрат, а металлический экран с прерывистым соединением на стыках модулей обеспечивает значительно меньшую защиту, чем экран с непрерывным соединением. Не требуя от производителя предоставления отчета о типовых испытаниях IEC 62271-200, включающего измерение поверхностного напряжения при установленной системе экранирования, спецификация не может подтвердить соответствие продукта требованиям IEC 61140 к напряжению прикосновения.

Как правильно определить требования к экранированию поверхности в распределительных устройствах SIS для проектов высоковольтных подстанций?

Шаг 1: Определите требования к электрооборудованию и безопасности

Определите параметры спецификации экранирования поверхности, исходя из требований к электрооборудованию и безопасности проекта:

• Напряжение системы: Определяет минимальный тип экранирования - полупроводниковое покрытие допустимо при напряжении 12-24 кВ; металлический экран требуется при напряжении 40,5 кВ
• Ограничение напряжения прикосновения: Укажите соответствие стандарту IEC 61140 - не более 50 В переменного тока на любой доступной внешней поверхности при номинальном рабочем напряжении
• Частота доступа персонала: Высокочастотный доступ персонала (ежедневные инспекционные маршруты, проходящие рядом с модулями SIS под напряжением) требует металлического экранирования при всех классах напряжения - заземление с более низким сопротивлением обеспечивает больший запас прочности, чем полупроводниковое покрытие

Шаг 2: Рассмотрите условия окружающей среды на подстанции

• Крытая подстанция с регулируемым климатом: Экранирование полупроводникового покрытия приемлемо - стабильная температура и влажность предотвращают разрушение покрытия
• Подстанция на открытом воздухе или в неконтролируемой среде: Указано экранирование металлическим экраном - УФ-излучение, термоциклирование и влага разрушают полупроводниковые покрытия быстрее, чем металлические экраны
• Подстанция с высоким уровнем загрязнения (класс SPS III/IV): Металлический экран с герметичными стыками модулей - предотвращает загрязнение проводящими веществами через зазоры между модулями

Шаг 3: Соответствие стандартам и сертификатам

Требуйте проведения следующих проверок для каждого изделия распределительного устройства SIS, представленного для оценки:

Требования к сертификации	Положение о спецификации	Верификационный документ
Испытание типа IEC 62271-200	Полное типовое испытание, включая измерение напряжения на поверхности	Оригинальный протокол испытаний - не сводный сертификат
Соответствие стандарту IEC 61140 по напряжению прикосновения	Напряжение на поверхности ≤ 50 В переменного тока при номинальном напряжении	Данные измерений в протоколе типовых испытаний
Удельное сопротивление полупроводникового покрытия	10³-10⁶ Ω/квадрат	Сертификат испытаний материалов производителя
Непрерывность металлического экрана	Нулевая прерывистость на стыках модулей	Протокол заводской проверки
Испытание на частичный разряд	< 10 pC при 1,5× U0	Протокол испытаний IEC 60270

Сценарии применения

• Городская распределительная подстанция: SIS с металлическим экраном - высокая частота доступа персонала; компактная площадь имеет решающее значение; сенсорная безопасность не является обязательным условием при установке в общественных местах
• Подстанция промышленного предприятия: Полупроводниковое покрытие SIS на 12-24 кВ - контролируемый доступ; стабильная внутренняя среда; оптимальная стоимость при большом количестве панелей
• Коллекторная подстанция для возобновляемых источников энергии: Металлический экран SIS на 35 кВ - наружная или полунаружная установка; длительные интервалы между техническими обслуживаниями; долговечность экрана в течение 25-летнего срока службы
• Высотная подстанция (> 1 000 м): Металлический экран SIS - снижение плотности воздуха увеличивает риск возникновения ЧР на поверхности в местах разрывов покрытия; металлический экран исключает возникновение ЧР в воздушном зазоре на поверхности

Какие ошибки при установке и обслуживании нарушают целостность поверхностного экранирования в процессе эксплуатации?

Этапы установки и обслуживания

1. Проверка целостности экранирования перед установкой: Перед установкой проверьте все изолированные поверхности модулей на наличие повреждений покрытия или разрывов экрана - отбракуйте любой модуль с видимым истиранием покрытия > 25 мм² или разрывом экрана > 5 мм; задокументируйте результаты проверки с помощью фотографий
2. Склеивание экрана на стыках модулей: Нанесите указанную производителем токопроводящую ленту на все стыки между модулями - проверьте нахлест ленты ≥ 50 мм с каждой стороны стыка; измерьте сопротивление стыка < 1 Ом с помощью калиброванного низкоомного омметра перед сборкой панели
3. Проверка заземления: Убедитесь, что соединение поверхностного экранирующего заземления с шиной заземления распределительного устройства выполнено с помощью указанного производителем проводника и затянуто до указанного значения - измерьте сопротивление заземления < 0,5 Ом; запишите в протокол ввода установки в эксплуатацию
4. Измерение напряжения прикосновения при вводе в эксплуатацию: Измерьте поверхностное напряжение на всех доступных изолированных поверхностях модуля с помощью высокоомного вольтметра при номинальном рабочем напряжении - подтвердите, что на всех поверхностях напряжение < 50 В переменного тока; любая поверхность, превышающая 50 В переменного тока, требует немедленного исследования целостности экранирования и заземления до разрешения доступа персонала

Распространенные ошибки, которые необходимо устранить

• Ошибка 1 - восстановление поврежденного полупроводящего покрытия с помощью непроводящей краски или эпоксидной шпатлевки: Любой ремонтный материал, наносимый на поврежденный участок покрытия, должен иметь удельное сопротивление поверхности в пределах 10³-10⁶ Ω/квадрат - используйте только поставляемый производителем токопроводящий ремонтный состав; непроводящий ремонт создает неэкранированную заплату, которая инициирует PD
• Ошибка 2 - отсутствие ленты для склеивания экранов на стыках модулей при монтаже: Лента для склеивания стыков модулей не является дополнительным оборудованием - это элемент непрерывности, который предотвращает отказ PD с зазором в экране; ее отсутствие является самой распространенной ошибкой при монтаже, которая приводит к отказу поверхностного слежения в распределительных устройствах SIS на ранних стадиях эксплуатации
• Ошибка 3 - Выполнение измерения напряжения прикосновения с помощью стандартного мультиметра: Стандартные мультиметры имеют входной импеданс 10 MΩ - недостаточно для точного измерения емкостного поверхностного напряжения на полупроводниковом покрытии экрана; используйте высокоомный электростатический вольтметр (входной импеданс > 1 GΩ) для измерения напряжения прикосновения на модулях с полупроводниковым покрытием экрана

Второй случай с клиентом: Менеджер по закупкам регионального оператора электросетей в Шаньдуне (Китай) обратился в компанию Bepto для оценки двух конкурирующих предложений по распределительным устройствам SIS для модернизации городской распределительной подстанции 10 кВ - оба продукта были обозначены как “поверхностные экранированные SIS” в маркетинговых материалах производителя. В ходе оценки Bepto запросила отчеты о типовых испытаниях IEC 62271-200 для обоих продуктов и обнаружила, что отчет одного производителя содержит данные измерений поверхностного напряжения, подтверждающие 38 В переменного тока при номинальном напряжении - в соответствии с IEC 61140. Второй отчет производителя не содержал данных измерения напряжения на поверхности - типовые испытания были проведены без заземления экранирующей поверхности, что не позволило подтвердить безопасность прикосновения. Компания Bepto рекомендовала сертифицированный продукт; сетевая компания приняла требование измерения поверхностного напряжения по IEC 61140 в качестве обязательного пункта спецификации для всех будущих закупок распределительных устройств SIS.

Заключение

Технология экранирования поверхности в распределительных устройствах SIS - это не пассивное покрытие, а активная система управления электрическим полем, целостность, непрерывность и правильное подключение заземления которой определяют как диэлектрическую надежность твердой изоляции, так и безопасность прикосновения к распределительному устройству для каждого человека, работающего на подстанции. Пять заблуждений, исправленных в данном руководстве - рассмотрение экранирования как косметического, отказ от заземления на низких классах напряжения, принятие разрывов экрана, замена экранирования испытаниями на ЧР и предположение, что все системы экранирования SIS эквивалентны - каждое из них приводит к конкретным, предотвратимым отказам, которые устраняются правильной спецификацией и дисциплиной установки. Требуйте протоколы типовых испытаний IEC 62271-200 с данными измерений поверхностного напряжения, подтверждающими соответствие IEC 61140, указывайте металлические экраны для 40,5 кВ и высокочастотных приложений, обеспечивайте установку экранирующей ленты на каждом стыке модулей, проверяйте сопротивление заземления при вводе в эксплуатацию и измеряйте напряжение прикосновения на каждой доступной поверхности до разрешения доступа персонала - потому что правильно указанная, полностью установленная и проверенная при вводе в эксплуатацию система экранирования поверхности - это система, обеспечивающая безопасность высоковольтной подстанции, для которой было разработано распределительное устройство SIS.

Вопросы и ответы о технологии поверхностного экранирования коммутационных аппаратов SIS

1. Понять диэлектрические и механические характеристики литой смолы, используемой в модулях SIS. ↩

2. Узнайте, как заземляющие экраны контролируют концентрацию электрических напряжений на границе изоляции. ↩

3. Изучите требования к электрическому сопротивлению для эффективного управления полем в системах среднего напряжения. ↩

4. Получите доступ к международному стандарту безопасности для защиты от поражения электрическим током в электроустановках. ↩

5. Исследуйте уровни напряжения, при которых начинается локальный электрический пробой в газовой среде. ↩