Případová studie a doporučení pro místní PD a zkoušku odolnosti proti indukovanému napětí 750 kV transformátoru

I. Úvod

Demonstrační projekt přenosu a transformace 750 kV mezi Guantingem a Východním Lanzhou v Číně byl oficiálně zprovozněn 26. září 2005. Tento projekt zahrnuje dvě transformační stanice – Východní Lanzhou a Guanting (každá vybavená čtyřmi transformátory 750 kV, z nichž tři tvoří banku třífázových transformátorů v provozu a jeden je ve staničním režimu) – a jednu přenosovou linku. Transformátory 750 kV použité v projektu byly nezávisle vyvinuty a vyráběny v Číně. Během komisačních zkoušek na místě bylo zjištěno nadměrné částečné výboje (PD) v fázi A hlavního transformátoru v transformační stanici Východní Lanzhou. Celkem bylo provedeno 12 PD zkoušek před a po komisaci. Tento článek analyzuje referenční normy, postupy, data a problémy související s PD zkouškami tohoto transformátoru a nabízí praktické inženýrské doporučení pro podporu budoucích místních zkoušek transformátorů 750 kV a 1000 kV.

II. Základní parametry transformátoru

Hlavní transformátor v transformační stanici Východní Lanzhou byl vyroben společností Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Klíčové parametry jsou následující:

• Model: ODFPS-500000/750

• Nominální napětí: VH 750 kV, SM (s odstupňovačem ±2,5%) kV, NV 63 kV

• Nominální výkon: 500/500/150 MVA

• Maximální pracovní napětí: 800/363/72,5 kV

• Chladicí metoda: Přinutitelná olejová cirkulace s vzdušným chlazením (OFAF)

• Hmotnost oleje: 84 tun; Celková hmotnost: 298 tun

• Úroveň izolace vinutí VH: Plná vlna impulsního napětí 1950 kV, ořezaná vlna impulsního napětí 2100 kV, krátkodobé indukované zdržovací napětí 1550 kV, síťové frekvence zdržovací napětí 860 kV

III. Testovací postup a normy

(A) Testovací postup

Podle GB1094.3-2003 se testovací postup částečných výbojů u transformátorů skládá ze pěti časových období – A, B, C, D a E – s určenými aplikovanými napětím pro každé. Přednapětí během období C je definováno jako 1,7 per unit (pu), kde 1 pu = Um/√3 (Um je maximální systémové napětí). Tato hodnota je mírně nižší než Um specifikované v GB1094.3-1985. Pro transformátor Východní Lanzhou platí, že Um = 800 kV, takže přednapětí by mělo být 785 kV.

(B) Požadavky na zdržovací napětí

• Krátodobé indukované zdržovací napětí pro transformátor Východní Lanzhou je 860 kV. Podle "Komisačních testovacích standardů pro 750 kV UHV elektrické zařízení" Státní sítě Číny by mělo být místní testovací napětí 85 % hodnoty závodního testu, tj. 731 kV, což je méně než požadované přednapětí 1,7 pu (785 kV).

• Pro řešení konfliktu mezi přednapětím a komisačním zdržovacím napětím stanoví relevantní normy, že pokud přednapětí přesahuje 85 % závodního zdržovacího napětí, skutečné přednapětí by mělo být dohodnuto mezi uživatelem a výrobcem. "Technická specifikace pro hlavní transformátory 750 kV" explicitně stanovuje, že místní PD testovací přednapětí je rovno 85 % závodního zdržovacího napětí. Jako výsledek bylo přednapětí pro místní PD test transformátoru Východní Lanzhou nastaveno na 731 kV. Měření PD a zdržovací test byly kombinovány, s fází zdržovacího testu sloužící jako přednapěťová fáze PD testu.

(C) Kritéria přijetí částečných výbojů

Při testovacím napětí 1,5 pu musí být úroveň částečných výbojů transformátoru menší než 500 pC.

IV. Průběh testu

Od 9. srpna 2005 do 26. dubna 2006 bylo na fázi A hlavního transformátoru v transformační stanici Východní Lanzhou provedeno celkem 12 PD testů. Klíčové informace o testech jsou shrnuty níže:

Celkově se úroveň částečných výbojků (PD) středního napětí fáze A hlavní transformátory před uvedením do provozu pohybovala mezi 600 a 910 pC, což překračuje akceptační kriterium 500 pC. Po opětovném testu 26. dubna 2006, po uvedení do provozu, však tato úroveň klesla na 280 pC, což splňuje požadavek.

V. Analýza testů

(A) Napětí zahájení částečných výbojků (PDIV) a napětí ukončení částečných výbojků (PDEV)

• Problémy s definicemi: GB7354-2003 a DL417-1991 poskytují nepřesné definice PDIV a PDEV. Například "specifikovaná hodnota" v definici není jasně definována - i když se obvykle předpokládá 500 pC, toto vedlo k významným nesrovnalostem v praktickém použití. Kromě toho, pozadí šumu během místních testů často dosahuje desítek až stovek pikokulombů, což komplikuje identifikaci jasného začátku výbojku.

• Pozorování případů: V 12 PD testech provedených na transformátoru Lanzhou East fáze A se úroveň PD postupně zvyšovala s napětím, bez výrazného skoku (největší změna kroku ~200 pC), což znemožňuje určit jasné PDIV. V některých testech byl již na nízkých napěťích měřitelný PD, což komplikuje hodnocení, zda se PDIV snížil. Kromě toho, nejnovější národní standard GB1094.3-2003 neuvádí PDIV ani PDEV, což vede k nejednotnému výkladu a určování mezi odborníky.

(B) Lokalizace výbojku

• Omezení běžných metod: Široce používaná ultrazvuková metoda pro lokalizaci částečných výbojků detekuje časovou diferenci ultrazvukových vln vygenerovaných výbojkem, které dorazí k senzorům na stěně nádrže. Tato metoda však čelí problémům jako je nedospělá technologie, požadavek na dostatečně velkou energii výbojku (v rozsahu citlivosti senzoru) a nepřesná lokalizace z důvodu více reflektací a lomů ultrazvukových vln od vnitřních cívek.

• Výsledky případů: Během předkomisačních testů poskytl lokalizační systém PD pouze hrubou odhad polohy výbojku. Systém sledování v ovládacím centru nedetekoval změny PD s napětím, což omezilo užitečnost výsledků. Později instalované online monitorovací systémy také nedetekovaly relevantní změny během testu 26. dubna 2006. Proto by měly být ultrazvukové výsledky lokalizace brány s opatrností, když jsou úrovně PD nízké.

(C) Závažnost výbojku

I když standard specifikuje limit 500 pC při 1,5 pu, v praxi není mezi 500 pC a 700 pC žádný významný rozdíl - patří do stejného řádu velikosti. Kromě toho, když je PD nižší než 1000 pC, obvykle neexistuje viditelný stopa výbojku uvnitř transformátoru a místní kontroly oleje zřídka odhalí nepravidelnosti. Návrat 750kV transformátoru (velkého a těžkého) do továrny pro opravu nese vysoké riziko.

VI. Doporučení

(A) Zvýšení úrovně izolace

Indukované výdržové napětí transformátoru Lanzhou East je relativně nízké. Vzhledem k krátké historii a omezené zkušenosti s výrobou domácích 750kV transformátorů a nutnosti místních PD testů, doporučuje se, aby budoucí 750kV hlavní transformátory měly indukované výdržové napětí nejméně 900kV.

(B) Uvolnění kritérií místních komisačních PD testů

Za hranicemi se PD testy provádějí striktně pouze ve továrně, neopakovány místně. V Číně však místní PD testování je povinnou komisační položkou. Doporučuje se uvolnit akceptační kriterium pro místní PD testy 750kV transformátorů na méně než 1000 pC, a to z následujících důvodů:

• Transformátory s úrovní PD mezi 500–1000 pC často ukazují snížení PD po opětovném testu po období skladování nebo provozu (např. transformátor Lanzhou East fáze A).

• Když je PD nižší než 1000 pC, obvykle nejsou nalezeny viditelné stopy výbojku, místní kontroly zřídka odhalí problémy a návrat do továrny nese vysoké riziko.

• Místní PD testy pro 750kV a 1000kV transformátory jsou efektivně "kvazi-výdržovými testy":

• Malý rezervní rozsah napětí: Pro transformátor Lanzhou East je napětí PD testu při 1,5 pu (693kV, ±3% měřicí nejistota: 672–714kV) velmi blízko komisačnímu výdržovému napětí 731kV, což zanechává pouze rezervu 2,4%. I když budoucí 750kV transformátory budou mít indukované výdržové napětí zvýšeno na 900kV, komisační test při 765kV stále zanechává omezenou rezervu. Podobně pro 1000kV transformátory, napětí PD testu (1,4 pu = 889kV) je velmi blízko 935kV výdržové hranici.

• Dlouhá doba trvání: Zatímco standardní výdržová doba je pouze asi 56 sekund (při testovací frekvenci 108Hz), celý PD test aplikuje 1,5 pu až po 65 minut. Opakované testování může způsobit kumulativní poškození izolace, což ovlivní životnost transformátoru.

• Existuje jen málo případů, kdy opakované místní testy sníží nadměrné PD na přijatelné úrovně; místo toho mohou úrovně PD vzrůst (např. transformátor Lanzhou East fáze A: 700 pC 10. srpna 2005, zvýšilo se na 910 pC do 23. září).

(C) Redefinice PDIV a PDEV

Stávající normy neobsahují jasné definice PDIV a PDEV, což může vést k nesprávnému výkladu testů (jak bylo vidět v případě Lanzhou East). Doporučuje se tedy tyto termíny redefinovat s explicitními číselnými kritérii a zahrnout pokyny pro případy, kdy PDIV a PDEV nejsou jasně pozorovatelné.

(D) Posílení výzkumu praktických místních metod

• Shromáždění skutečných vzorů částečných výbojů v transformátorech: Nejtypičtější vzory částečných výbojů v literatuře pocházejí z laboratorních simulací, které se liší od skutečného chování transformátorů. Ilustrativní diagramy jsou nedostatečné pro vedení práce na místě. Je nezbytné shromažďovat a analyzovat reálné vzory částečných výbojů a sestavit je do referenčních manuálů pro kvalitativní analýzu a lokalizaci.

• Pokročilý výzkum proti rušivým vlivům: Externí rušivé vlivy představují hlavní výzvu při testování částečných výbojů na místě. Současné měřicí systémy nemohou rozlišit mezi skutečnými výboji a rušivými vlivy, což znamená velkou závislost na zkušenostech opeřátora. Je třeba provést více výzkumu ohledně zdrojů rušení a metod jejich potlačení.

(E) Požadavek na certifikaci odborníků provádějících testy

Měření částečných výbojů je technicky náročnější a nejpředvídatelnější ze standardních vysokonapěťových testů prováděných na místě. Nicméně, chybné posouzení je běžné. Odborníci by měli podstoupit systematické školení v základních principech, zapojení zařízení, vybavení, eliminaci rušení a lokalizaci částečných výbojů a musí získat certifikaci, než jim bude dovoleno provádět testy.

(F) Pravidelná kalibrace měřicích přístrojů

GB7354-2003 jasně stanoví, že měřicí přístroje pro částečné výboje musí být kalibrovány alespoň dvakrát ročně nebo po významných opravách. V praxi se toto často nezachovává, některé přístroje se používají roky bez kalibrace—byly zaznamenány chyby až několik desítekkrát. Doporučuje se striktní dodržování kalibrace podle národních standardů, aby byla zajistena přesnost měření.

(G) Použití online monitoringu v případě potřeby

Technologie online monitoringu se výrazně zlepšila. Pro 750kV transformátory s hladinami částečných výbojů nad povolenými limity, ale nekriticky vysokými, je posílený online monitoring rozumným přístupem. Kromě částečných výbojů by měly být sledovány parametry jako teplota, proudy uvnitř jádra a kleští, a olejová chromatografie, aby bylo možné komplexně hodnotit stav transformátoru.

VII. Závěr a perspektivy

• Závěr: Stávající normy poskytují nedostatečné definice pro napětí vzniku a zániku částečných výbojů, což omezuje jejich užitečnost při vedení testů na místě. Isoleční stupeň 750kV transformátoru v Lanzhou Východ je relativně nízký, což znamená, že jeho test částečných výbojů je v podstatě "kvazi-výdržový" test. 12 testů částečných výbojů provedených na fázi A transformátoru pravděpodobně způsobilo nějaké kumulativní izolační stres. Budoucí 750kV transformátory by měly mít izolační stupeň alespoň 900kV.

• Perspektivy: Výzkum a plánování pro 1000kV AC ultra vysokého napětí v Číně byl dokončen a demonstrační projekty jsou ve výstavbě. S ohledem na ještě menší izolační rezervu 1000kV transformátorů by měl být výzkum on-site komisačních testů zahájen brzy, aby bylo možné poskytnout technickou podporu pro praktické aplikace.