750kV Transformer På Stedet PD- og Induceret Udholdenhedstest: Casestudie og Anbefalinger

I. Introduktion

Guanting–Lanzhou Øst 750kV overførsel og understation demonstration projekt i Kina blev officielt taget i brug den 26. september 2005. Dette projekt omfatter to understationer - Lanzhou Øst og Guanting (hver udstyret med fire 750kV-transformatorer, hvoraf tre danner en trefasstransformatorbank i drift, med én til rådighed) - samt en overførselslinje. De 750kV-transformatorer, der anvendes i projektet, blev uafhængigt udviklet og produceret i Kina. Under de påstediske kommissioneeringsprøver blev der registreret for høj partiel udladning (PU) i fase A-hovedtransformatoren ved Lanzhou Øst-understation. I alt blev 12 PU-prøver gennemført før og efter kommissivering. Denne artikel analyserer referencestandarderne, procedurerne, dataene og problemstillingerne relateret til PU-prøverne for denne transformator, og yder praktiske ingeniørforanstaltninger til støtte for fremtidige påstediske prøver af 750kV- og 1000kV-transformatorer.

II. Grundlæggende Transformatorparametre

Hovedtransformatoren ved Lanzhou Øst-understation blev produceret af Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Nøgleparametre er som følger:

• Model: ODFPS-500000/750

• Nominel spænding: HV 750kV, MV (med ±2,5% tapchanger) kV, LV 63kV

• Nominel effekt: 500/500/150 MVA

• Maksimal driftsspænding: 800/363/72,5 kV

• Kølemåde: Tvinget oljecirkulation med luftkøling (OFAF)

• Oljevægt: 84 tons; Total vægt: 298 tons

• HV-vindingsisolering niveau: Fuldbølgeimpuls 1950kV, kortbølgeimpuls 2100kV, kortvarig indusledd standfasthedsspanning 1550kV, netfrekvens standfasthedsspanning 860kV

III. Prøveprocedure og Standarder

(A) Prøveprocedure

Ifølge GB1094.3-2003 består proceduren for partielle udladningsprøver for transformatorer af fem tidsperioder – A, B, C, D og E – med angivne anvendte spændinger for hver. Forudspændingen under periode C er defineret som 1,7 per enhed (pu), hvor 1 pu = Um/√3 (Um er maksimal systemspænding). Dette tal er let lavere end Um angivet i GB1094.3-1985. For Lanzhou Øst-transformator er Um = 800kV, så forudspændingen bør være 785kV.

(B) Standfasthedskrav

• Den kortvarige indusledd standfasthedsspanning for Lanzhou Øst-transformator er 860kV. Ifølge "Kommissisoneringsprøvestandarder for 750kV UHV elektrisk udstyr" fra State Grid Corporation of China, bør påstedisk prøvespænding være 85% af fabrikprøven, dvs. 731kV, hvilket er mindre end den påkrævede forudspænding på 1,7 pu (785kV).

• For at løse konflikten mellem forudspænding og kommissioneringsstandfasthed, fastsætter relevante standarder, at hvis forudspændingen overstiger 85% af fabriksstandfasthed, bør den faktiske forudspænding blive aftalt mellem bruger og producent. "Tekniske specifikationer for 750kV hovedtransformatorer" specificerer tydeligt, at påstedisk PU-prøve forudspændingen er lig 85% af fabriksstandfasthed. Som resultat blev forudspændingen for påstedisk PU-prøve for Lanzhou Øst-transformator sat til 731kV. PU-målingen og standfasthedsprøven blev kombineret, med standfasthedsfasen som forudspændingsfasen for PU-prøven.

(C) Acceptkriterier for Partielle Udladninger

Under en prøvespænding på 1,5 pu, skal transformatorens partielle udladningsniveau være mindre end 500 pC.

IV. Prøveprocess

Fra den 9. august 2005 til den 26. april 2006 blev i alt 12 PU-prøver gennemført på fase A-hovedtransformatoren ved Lanzhou Øst-understation. Nøgleprøveinformation er summeret nedenfor:

I alt var PD-niveauet for MV-viklingen i fase A af hovedtransformatoren før indkørsel mellem 600 og 910 pC, hvilket oversteg det 500 pC accepterede kriterium. Efter gentest den 26. april 2006, efter indkørsel, faldt PD-niveauet til 280 pC, hvilket opfyldte kravet.

V. Testanalyse

(A) Indledende spænding for partielt udladning (PDIV) og udslukningsspænding (PDEV)

• Definationsproblemer: GB7354-2003 og DL417-1991 giver upræcise definitioner af PDIV og PDEV. For eksempel er "specifikke værdier" i definitionerne ikke klart defineret – selvom 500 pC ofte antages, fører dette til betydelige inkonsistenser i praktisk anvendelse. Desuden når baggrundstøj under stedlige tester tit flere tiere til hundrede picocoulombs, hvilket gør det svært at identificere en klar begyndelse på udladning.

• Tilfælsobservationer: I de 12 PD-tester, der blev udført på transformator i østlig Lanzhou fase A, steg PD-niveauet gradvist med spændingen, uden et tydeligt spring (maksimal trinændring ~200 pC), hvilket gjorde det umuligt at fastlægge en klar PDIV. I nogle tester var mængden af PD allerede målelig ved lave spændinger, hvilket gør det svært at vurdere, om PDIV var sunket. Desuden nævner den nyeste nationale standard GB1094.3-2003 ikke PDIV eller PDEV, hvilket fører til inkonsistent fortolkning og fastlæggelse blandt praksisfolk.

(B) Lokalisering af udladning

• Begrænsninger af almindelige metoder: Den bredt anvendte ultralyd PD lokalisering metode registrerer tidsforskellen for ultralyd bølger, der genereres af udladninger, når de ankommer sensorer på tankvæggen. Imidlertid står denne metode over for udfordringer som umodent teknologi, krav om tilstrækkelig stor udladningsenergi (inden for sensorernes sensitivitetsområde) og upræcis lokalisering på grund af flere refleksioner og brydninger af ultralydbølger fra indre viklinger.

• Tilfælsresultater: Under prøver før indkørsel kunne PD lokalisering udstyr kun give en grov skønsmæssig placering af udladningen. Overvågningsanlægget i kontrolrummet kunne ikke registrere variationer i PD med spændingen, hvilket begrænsede brugerværdien af resultaterne. Senere installeret online overvågningsanlæg kunne heller ikke registrere relevante ændringer under testen den 26. april 2006. Derfor bør ultralyd lokalisering resultater behandles med forsigtighed, når PD-niveauer er lave.

(C) Alvorlighed af udladning

Selvom standarden specificerer en grænse på 500 pC ved 1,5 pu, er der i praksis ingen betydelig forskel mellem 500 pC og 700 pC – de hører til samme størrelsesorden. Desuden, når PD er under 1000 pC, findes der typisk ingen synlige udladningsspore i transformatoreren, og stedlige olieafledningsundersøgelser afslører sjældent anomalier. At returnere en 750 kV transformator (stor og tung) til fabrikken til reparation indebærer store risici.

VI. Anbefalinger

(A) Øg isolationsniveauet

Den inducerede holdbarhedsspænding for transformator i østlig Lanzhou er relativt lav. Med hensyn til den korte historie og begrænsede erfaring inden for produktion af domestiske 750 kV transformatorer, samt nødvendigheden af stedlige PD-tester, anbefales det, at fremtidige 750 kV hovedtransformatorer har en induceret holdbarhedsspænding på mindst 900 kV.

(B) Afslappet PD-testkriterier for stedlig indkørsel

Udlandet udføres PD-tester strikt kun på fabrikken, ikke gentaget stedligt. I Kina er stedlige PD-tester dog en obligatorisk indkørselspost. Det anbefales, at acceptkriterierne for stedlige PD-tester af 750 kV transformatorer afslappes til under 1000 pC, af følgende grunde:

• Transformatorer med PD-niveauer mellem 500–1000 pC viser ofte reduceret PD ved gentest efter en periode af lagring eller drift (f.eks. transformator i østlig Lanzhou fase A).

• Når PD er under 1000 pC, findes der typisk ingen synlige udladningsspore, stedlige undersøgelser afslører sjældent problemer, og fabriksretur indebærer store risici.

• Stedlige PD-tester for 750 kV og 1000 kV transformatorer er effektivt "quasi-holdbarhedstester":

• Lille spændingsmargin: For transformator i østlig Lanzhou er PD-testspændingen ved 1,5 pu (693 kV, ±3% måling usikkerhed: 672–714 kV) meget tæt på indkørselsholdbarhedsspændingen på 731 kV, hvilket kun efterlader en margin på 2,4%. Selv hvis fremtidige 750 kV transformatorer har en induceret holdbarhedsspænding, der er hævet til 900 kV, efterlader indkørselstesten ved 765 kV en begrænset margin. På samme måde for 1000 kV transformatorer, er PD-testspændingen (1,4 pu = 889 kV) meget tæt på 935 kV holdbarhedsniveauet.

• Lang varighed: Mens standardholdbarhedsvarigheden kun er omkring 56 sekunder (ved 108Hz testfrekvens), anvendes 1,5 pu i op til 65 minutter under fuld PD-test. Gentagne tester kan forårsage akkumuleret isolationsbeskadigelse, hvilket påvirker transformatorens levetid.

• Der er få tilfælde, hvor gentagne stedlige tester reducerer for høje PD til acceptable niveauer; i stedet kan PD-niveauer stige (f.eks. transformator i østlig Lanzhou fase A: 700 pC den 10. august 2005, steg til 910 pC den 23. september).

(C) Redefiner PD-indlednings- og udsluknings-spændinger

Eksisterende standarder mangler klare definitioner for PDIV og PDEV, hvilket kan mislede testfortolkning (som set i tilfældet i østlig Lanzhou). Det anbefales, at disse termer omdannes med eksplisitte numeriske kriterier og inkludere vejledning for tilfælde, hvor PDIV og PDEV ikke er tydeligt observerbare.

(D) Styrk forskning i praktiske stedlige teknikker

• Indsamling af reelle transformator PD-mønstre: De mest typiske PD-mønstre i litteraturen kommer fra laboratorie-simulationer, hvilket adskiller sig fra det reelle transformatoradfærd. Illustrative diagrammer er utilstrækkelige til at guide feltarbejde. Det er afgørende at indsamle og analysere reelle PD-mønstre og kompilere dem til referencehåndbøger for kvalitativ analyse og lokalisation.

• Fremme af anti-støjforskning: Ekstern støj er en stor udfordring ved påsted PD-test. Nuværende målesystemer kan ikke skelne mellem ægte udslip og støj, og er derfor meget afhængige af operatørserfaring. Der er behov for mere forskning i støjkilder og undertrykkelsesmetoder.

(E) Krav om certificering af testpersonale

PD-måling er den teknisk mest krævende og uforudsigelige af de rutinemæssige påsted højspændings-tester. Imidlertid er fejlbedømmelser almindelige. Personale bør gennemgå systematisk uddannelse i grundlæggende principper, udstyrsoptagelse, komponentmatchning, støjelimination og PD-lokalisation, og skal erhverve certificering før de tillades at udføre tester.

(F) Regelmæssig kalibrering af testinstrumenter

GB7354-2003 fastsætter klart, at PD-målingsinstrumenter skal kalibreres mindst to gange årligt eller efter større reparationer. I praksis følges dette ofte ikke strengt, og nogle instrumenter bruges i åratal uden kalibrering—fejl så store som titusindvis er registreret. Det anbefales, at der strengt følges nationalstandarder for kalibrering for at sikre målnøjagtighed.

(G) Brug online overvågning, når det er nødvendigt

Online overvågnings-teknologi har væsentligt forbedret. For 750kV-transformatorer med PD-niveauer, der overstiger grænser, men ikke er kritisk høje, er forbedret online overvågning en rimelig tilgang. Udover PD bør parametre som temperatur, kerne- og klampe-jordstrøm, samt olie-kromatografi overvåges for at vurdere transformatorens sundhed på en omfattende måde.

VII. Konklusion og udsyn

• Konklusion: Eksisterende standarder giver utilstrækkelige definitioner for PD-opståelses- og udsluknings-spændinger, hvilket begrænser deres anvendelighed til at vejlede påsted-tester. Isolationsniveauet for Lanzhou Øst 750kV-transformator er relativt lavt, hvilket gør dens PD-test i virkeligheden til en "kvasi-holdbarheds" test. De 12 påsted PD-tester på fase A-transformatoren har sandsynligvis forårsaget nogen kumulativ isolationsstress. Fremtidige 750kV-transformatorer bør have et isolationsniveau på mindst 900kV.

• Udsyn: Forskning og planlægning for Kinas 1000kV AC ultra-højspænding-overførsel er fuldført, og demonstreringsprojekter er under konstruktion. Med endnu mindre isolationsmargin for 1000kV-transformatorer, bør forskning i påsted kommissionerings-tester initieres tidligt for at give teknisk støtte til praktiske anvendelser.