Estudi de cas i recomanacions del test de PD in situ i de resistència induïda a 750kV

I. Introducció

El projecte de transmissió i subestació de 750kV Guanting–Lanzhou East a Xina va entrar en funcionament oficialment el 26 de setembre de 2005. Aquest projecte inclou dues subestacions, Lanzhou East i Guanting (cada una equipada amb quatre transformadors de 750kV, tres dels quals formen un banc de transformadors trifàsic en funcionament, amb un de reserva) i una línia de transmissió. Els transformadors de 750kV utilitzats en el projecte van ser desenvolupats i fabricats de manera independent a Xina. Durant les proves de comissionament in situ, es va detectar una descàrrega parcial (DP) excessiva en el transformador principal de la fase A de la Subestació Lanzhou East. Es van realitzar un total de 12 proves de DP abans i després del comissionament. Aquest article analitza els estàndards de referència, procediments, dades i problemes relacionats amb les proves de DP d'aquest transformador, i ofereix recomanacions pràctiques d'enginyeria per a suportar futures proves in situ de transformadors de 750kV i 1000kV.

II. Paràmetres bàsics del transformador

El transformador principal de la Subestació Lanzhou East va ser fabricat per Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Els paràmetres clau són els següents:

• Model: ODFPS-500000/750

• Tensió nominal: AT 750kV, MT (amb reductor de ±2,5%) kV, BT 63kV

• Capacitat nominal: 500/500/150 MVA

• Tensió màxima d’operació: 800/363/72,5 kV

• Mètode de refrigeració: Circulació forçada d'oli amb refredament per aire (OFAF)

• Pes de l'oli: 84 tones; Pes total: 298 tones

• Nivell d'aislament de la bobina AT: Impuls complet d'ona 1950kV, impuls de meia ona 2100kV, tensió soportada induïda a curt termini 1550kV, tensió soportada de freqüència industrial 860kV

III. Procediment i estàndards de prova

(A) Procediment de prova

Segons GB1094.3-2003, el procediment de prova de descàrregues parcials per a transformadors consta de cinc períodes de temps—A, B, C, D i E—amb tensions aplicades especificades per a cadascun. La tensió de pre-estrès durant el període C es defineix com 1,7 unitats per unitat (pu), on 1 pu = Um/√3 (Um sent la tensió màxima del sistema). Aquest valor és lleugerament inferior a l'Um especificat en GB1094.3-1985. Per al transformador de Lanzhou East, Um = 800kV, per tant, la tensió de pre-estrès hauria de ser 785kV.

(B) Requisits de tensió de soport

• La tensió soportada induïda a curt termini per al transformador de Lanzhou East és 860kV. Segons els "Estàndards de prova de comissionament per a equips elèctrics UHV de 750kV" de la Corporació d'Electricitat Estatal de Xina, la tensió de prova in situ hauria de ser el 85% del valor de prova de fàbrica, és a dir, 731kV, que és inferior a la tensió de pre-estrès requerida de 1,7 pu (785kV).

• Per resoldre el conflicte entre la tensió de pre-estrès i la tensió de soport de comissionament, els estàndards rellevants estableixen que si la tensió de pre-estrès supera el 85% de la tensió de soport de fàbrica, la tensió de pre-estrès real hauria de ser acordada pel usuari i el fabricant. La "Especificació tècnica per a transformadors principals de 750kV" especifica explícitament que la tensió de pre-estrès de la prova de DP in situ és igual al 85% de la tensió de soport de fàbrica. Com a resultat, la tensió de pre-estrès per a la prova de DP in situ del transformador de Lanzhou East es va establir a 731kV. La mesura de DP i la prova de soport van ser combinades, amb la fase de prova de soport servint com a etapa de pre-estrès de la prova de DP.

(C) Criteris d'acceptació per a descàrregues parcials

Sota una tensió de prova de 1,5 pu, el nivell de descàrrega parcial del transformador ha de ser inferior a 500 pC.

IV. Processos de prova

Del 9 d'agost de 2005 al 26 d'abril de 2006, es van realitzar un total de 12 proves de DP al transformador principal de la fase A de la Subestació Lanzhou East. La informació clau de les proves es resumeix a continuació:

En general, el nivell de PD del voltatge mitjà (MV) de la bobina de la fase A del transformador principal abans de la posada en marxa oscil·lava entre 600 i 910 pC, superant el criteri d'acceptació de 500 pC. Tanmateix, després de la nova prova realitzada el 26 d'abril de 2006, posterior a la posada en marxa, el nivell de PD va disminuir a 280 pC, complint així el requisit.

V. Anàlisi de les Proves

(A) Voltatge d'inici de descàrrega parcial (PDIV) i voltatge d'extinció (PDEV)

• Problemes de Definició: GB7354-2003 i DL417-1991 proporcionen definicions imprecises dels PDIV i PDEV. Per exemple, el "valor especificat" en la definició no està clarament definit—encara que sovint es pren com a 500pC, això porta a inconsistències significatives en l'aplicació pràctica. A més, el soroll de fons durant les proves in situ sovint arriba a dezenes o centenars de picocoulombs, dificultant l'identificació d'un clar inici de descàrrega.

• Observacions del Cas: En les 12 proves de PD realitzades al transformador de la Fase A de Lanzhou Est, el nivell de PD va augmentar gradualment amb el voltatge, sense un salt distintiu (canvi màxim d'aproximadament 200pC), fent impossible determinar un PDIV clar. En algunes proves, ja hi havia una PD mesurable a baixos voltatges, dificultant avaluar si el PDIV havia disminuït. A més, l'estàndard nacional més recent, GB1094.3-2003, no menciona PDIV o PDEV, portant a interpretacions i determinacions inconsistent entre els professionals.

(B) Localització de la Descàrrega

• Limitacions dels Mètodes Comuns: El mètode d'ultrasons per a la localització de PD ampliament utilitzat detecta la diferència de temps dels ultrasons generats per les descàrregues que arriben als sensors a la paret del dipòsit. No obstant això, aquest mètode enfronta reptes com la tecnologia immatura, la necessitat d'una energia de descàrrega suficientment gran (dins de la sensibilitat del sensor) i la localització inexacta deguda a múltiples reflexions i refraccions dels ultrasons des de les bobines interiors.

• Resultats del Cas: Durant les proves pre-comissionament, l'equip de localització de PD només va proporcionar una estimació aproximada de la ubicació de la descàrrega. El sistema de monitorització de la sala de control no va detectar variacions de PD amb el voltatge, limitant la utilitat dels resultats. Els sistemes de monitorització en línia instal·lats posteriorment tampoc van detectar canvis rellevants durant la prova del 26 d'abril de 2006. Per tant, els resultats de localització d'ultrasons haurien de ser tractats amb precaució quan els nivells de PD són baixos.

(C) Gravetat de la Descàrrega

Encara que l'estàndard especifica un límit de 500pC a 1,5 pu, en la pràctica, no hi ha cap diferència significativa entre 500pC i 700pC—ambdós pertanyen a la mateixa magnitud. A més, quan la PD és inferior a 1000pC, típicament no hi ha trasses visibles de descàrrega dins del transformador, i les inspeccions in situ rarament revelen anormalitats. Retornar un transformador de 750kV (gran i pesant) a la fàbrica per a reparació comporta riscos elevats.

VI. Recomanacions

(A) Augmentar el Nivell d'Aïllament

El voltatge de resistència induït del transformador de Lanzhou Est és relativament baix. Considerant la història curta i l'experiència limitada en la fabricació de transformadors de 750kV a nivell domèstic, juntament amb la necessitat de proves de PD in situ, es recomana que els futurs transformadors principals de 750kV tinguin un voltatge de resistència induït no inferior a 900kV.

(B) Relaxar els Criteris de Prova de PD Inicial en Situ

A l'estranger, les proves de PD només es realitzen estrictament a la fàbrica, no es repeteixen in situ. A la Xina, no obstant això, les proves de PD in situ són un element obligatori de comissionament. Es recomana relaxar el criteri d'acceptació per a les proves de PD in situ de transformadors de 750kV a menys de 1000pC, per les següents raons:

• Els transformadors amb nivells de PD entre 500–1000pC sovint mostren una reducció de PD en retests després d'un període d'emmagatzematge o operació (per exemple, el transformador de la Fase A de Lanzhou Est).

• Quan la PD és inferior a 1000pC, no es troben habitualment trasses visibles de descàrrega, les inspeccions in situ rarament detecten problemes, i el retorn a la fàbrica comporta riscos elevats.

• Les proves de PD in situ per a transformadors de 750kV i 1000kV són efectivament "proves quasi de resistència":

• Marge de voltatge petit: Per al transformador de Lanzhou Est, el voltatge de prova de PD a 1,5 pu (693kV, incertesa de mesura ±3%: 672–714kV) és molt proper al voltatge de resistència de comissionament de 731kV, deixant només un marge del 2,4%. Encara que els futurs transformadors de 750kV tinguin un voltatge de resistència induït augmentat a 900kV, la prova de comissionament a 765kV encara deixa un marge limitat. De manera similar, per als transformadors de 1000kV, el voltatge de prova de PD (1,4 pu = 889kV) és molt proper al nivell de resistència de 935kV.

• Durada llarga: Si bé la durada estàndard de resistència és només d'uns 56 segons (a una freqüència de prova de 108Hz), la prova completa de PD aplica 1,5 pu durant fins a 65 minuts. Les proves repetides poden causar danys acumulatius a l'aïllament, afectant la vida útil del transformador.

• Hi ha poques ocasions en què les proves repetides in situ redueixin una PD excessiva a nivells acceptables; en lloc d'això, els nivells de PD poden augmentar (per exemple, el transformador de la Fase A de Lanzhou Est: 700pC el 10 d'agost de 2005, augmentat a 910pC el 23 de setembre).

(C) Redefinir els Voltatges d'Inici i Extinció de la Descàrrega Parcial

Els estàndards existents manquen de definicions clares per a PDIV i PDEV, el que pot confondre l'interpretació de les proves (com s'ha vist en el cas de Lanzhou Est). Es recomana redefinir aquests termes amb criteris numèrics explícits i incloure orientacions per als casos on PDIV i PDEV no són clarament observables.

(D) Fortaleix la Recerca de Tècniques Pràctiques In Situ

• Recull de patrons reals de PD en transformadors: Els patrons més típics de PD en la literatura provenen de simulacions de laboratori, que difereixen del comportament real dels transformadors. Les diagrames il·lustratives són insuficients per orientar el treball de camp. És essencial recollir i analitzar patrons reals de PD i compilar-los en manuals de referència per a l'anàlisi qualitativa i la localització.

• Avançar en la recerca antiinterferència: La interferència externa és un gran repte en les proves de PD in situ. Els sistemes de mesura actuals no poden distingir entre descàrregues genuïnes i interferències, depenent en gran mesura de l'experiència de l'operador. Cal més recerca sobre les fonts d'interferència i els mètodes de supressió.

(E) Requeriment de certificació per al personal de prova

La mesura de PD és la prova de rutina d'alta tensió in situ més tècnicament exigent i imprevisible. No obstant això, els errors de jutjament són habituals. El personal hauria de rebre una formació sistemàtica en els principis fonamentals, la connexió de l'equipament, la compatibilitat dels components, la eliminació d'interferències i la localització de PD, i ha de obtenir una certificació abans de poder realitzar proves.

(F) Calibració regular dels instruments de prova

El GB7354-2003 estipula clarament que els instruments de mesura de PD han de ser calibrats com a mínim dues vegades any o després de reparacions importants. En la pràctica, això sovint no es segueix estrictament, amb alguns instruments utilitzats durant anys sense calibrar, amb errors registrats fins a deu vegades superiors. Es recomana l'aplicació estricta de la calibració segons les normes nacionals per assegurar la precisió de les mesures.

(G) Utilitzar la monitorització en línia quan sigui necessari

La tecnologia de monitorització en línia ha millorat significativament. Per als transformadors de 750kV amb nivells de PD que superen els límits però no són críticament alts, la monitorització en línia reforçada és un enfocament raonable. A més de la PD, s'haurien de monitoritzar paràmetres com la temperatura, la corrent de terra del nucli i de la presa, i la cromatografia de l'oli per avaluar de manera integral la salut del transformador.

VII. Conclusió i perspectiva

• Conclusió: Les normes existents proporcionen definicions insuficients per a les tensions d'inici i extinció de PD, limitant la seva utilitat per orientar les proves in situ. El nivell d'aïllament del transformador de 750kV de Lanzhou East és relativament baix, fent que la prova de PD sigui essencialment una prova de "quasi-resistència". Les 12 proves de PD in situ realitzades en el transformador de fase A probablement van causar algun estrès acumulatiu en l'aïllament. Els futurs transformadors de 750kV haurien de tenir un nivell d'aïllament d'almenys 900kV.

• Perspectiva: La recerca i planificació per a la transmissió ultra-alta tensió AC de 1000kV a Xina s'han completat, i els projectes demostratius estan en construcció. Atès el marge d'aïllament encara més petit dels transformadors de 1000kV, la recerca sobre les proves de posada en servei in situ hauria de començar aviat per proporcionar suport tècnic per a les aplicacions pràctiques.