750kV-Transformator Orts-PD- und induktiver Standfestigkeitstest: Fallstudie und Empfehlungen

I. Einleitung

Das Demonstrationsprojekt für die 750kV-Übertragungsleitung und Umspannwerke Guanting–Lanzhou Ost in China wurde am 26. September 2005 offiziell in Betrieb genommen. Das Projekt umfasst zwei Umspannwerke, Lanzhou Ost und Guanting (jedes mit vier 750kV-Transformatorausführungen, wobei drei davon als Drehstromtransformatorbank im Einsatz sind und einer als Reserve dient), sowie eine Übertragungsleitung. Die 750kV-Transformatoren, die im Projekt verwendet wurden, wurden in China selbstständig entwickelt und hergestellt. Während der Inbetriebnahmetests wurde bei dem Phase-A-Haupttransformator im Umspannwerk Lanzhou Ost ein übermäßiger Teilentladungswert (PD) festgestellt. Insgesamt wurden vor und nach der Inbetriebnahme zwölf PD-Tests durchgeführt. Dieser Artikel analysiert die Referenznormen, Verfahren, Daten und Probleme, die mit den PD-Tests dieses Transformators verbunden sind, und bietet praktische ingenieurtechnische Empfehlungen, um zukünftige Vor-Ort-Tests von 750kV- und 1000kV-Transformatoren zu unterstützen.

II. Grundlegende Transformatorparameter

Der Haupttransformator im Umspannwerk Lanzhou Ost wurde von Xi’an XD Transformer Co., Ltd. hergestellt. Die wichtigsten Parameter lauten wie folgt:

• Modell: ODFPS-500000/750

• Nennspannung: HV 750kV, MV (mit ±2,5% Spannungsschalter) kV, NV 63kV

• Nennleistung: 500/500/150 MVA

• Höchstbetriebsspannung: 800/363/72,5 kV

• Kühlverfahren: Erzwungene Ölumwälzung mit Luftkühlung (OFAF)

• Ölgewicht: 84 Tonnen; Gesamtgewicht: 298 Tonnen

• Isolierstufe der HV-Wicklung: Vollwellenimpuls 1950kV, abgeschnittener Impuls 2100kV, Kurzzeitbelastbarkeit 1550kV, Wechselspannungsfestigkeit 860kV

III. Testverfahren und -normen

(A) Testverfahren

Gemäß GB1094.3-2003 besteht das Teilentladungstestverfahren für Transformatoren aus fünf Zeitperioden – A, B, C, D und E – mit spezifizierten Anwendungsspannungen für jede. Die Vorspannungsspannung während des C-Zeitraums beträgt 1,7 per unit (pu), wobei 1 pu = Um/√3 (Um sei die maximale Systemspannung). Dieser Wert ist leicht niedriger als die in GB1094.3-1985 spezifizierte Um. Für den Transformator Lanzhou Ost beträgt Um 800kV, so dass die Vorspannungsspannung 785kV betragen sollte.

(B) Festigkeitsspannungsanforderungen

• Die Kurzzeitbelastbarkeit für den Transformator Lanzhou Ost beträgt 860kV. Gemäß den "Inbetriebnahmeteststandards für 750kV-UHV-Elektrische Ausrüstung" der Staatsnetzgesellschaft Chinas sollte die Vor-Ort-Testspannung 85% des Fabriktestwertes betragen, also 731kV, was weniger als die erforderliche Vorspannungsspannung von 1,7 pu (785kV) ist.

• Um den Konflikt zwischen Vorspannungsspannung und Inbetriebnahmefestigkeitsspannung zu lösen, besagen relevante Normen, dass, wenn die Vorspannungsspannung 85% der Fabrikfestigkeitsspannung überschreitet, die tatsächliche Vorspannungsspannung zwischen Nutzer und Hersteller vereinbart werden sollte. Die "Technische Spezifikation für 750kV-Haupttransformatoren" legt explizit fest, dass die Vor-Ort-PD-Test-Vorspannungsspannung 85% der Fabrikfestigkeitsspannung entspricht. Daher wurde die Vorspannungsspannung für den Vor-Ort-PD-Test des Transformators Lanzhou Ost auf 731kV festgelegt. Die PD-Messung und der Festigkeitstest wurden kombiniert, wobei die Festigkeitstestphase als Vorspannungsphase des PD-Tests diente.

(C) Annahmekriterien für Teilentladungen

Bei einer Prüfspannung von 1,5 pu muss der Teilentladungswert des Transformators weniger als 500 pC betragen.

IV. Testablauf

Vom 9. August 2005 bis zum 26. April 2006 wurden insgesamt 12 PD-Tests am Phase-A-Haupttransformator im Umspannwerk Lanzhou Ost durchgeführt. Wichtige Testinformationen sind wie folgt zusammengefasst:

Insgesamt lag die PD-Ebene der MV-Wicklung des Phase A Haupttransformators vor der Inbetriebnahme zwischen 600 und 910 pC, was den Akzeptanzkriterien von 500 pC überstieg. Nach einer erneuten Prüfung am 26. April 2006 sank die PD-Ebene jedoch auf 280 pC und entsprach somit den Anforderungen.

V. Prüfanalyse

(A) Spannung zur Entstehung der partiellen Entladung (PDIV) und zum Verschwinden der partiellen Entladung (PDEV)

• Definitionsschwierigkeiten: GB7354-2003 und DL417-1991 geben ungenaue Definitionen für PDIV und PDEV. Zum Beispiel ist der "festgelegte Wert" in der Definition nicht klar definiert – obwohl 500 pC allgemein angenommen wird, führt dies zu erheblichen Inkonsistenzen in der praktischen Anwendung. Darüber hinaus erreichen Hintergrundgeräusche bei Vor-Ort-Prüfungen oft mehrere zehn bis hunderte Picocoulombs, was eine klare Identifizierung des Beginns der Entladung erschwert.

• Fallbeobachtungen: In den 12 PD-Prüfungen, die am Lanzhou East Phase A Transformator durchgeführt wurden, stieg die PD-Ebene mit der Spannung langsam an, ohne einen deutlichen Sprung (maximaler Schrittwechsel ~200 pC), wodurch es unmöglich war, eine klare PDIV festzustellen. In einigen Prüfungen war bereits bei niedrigen Spannungen messbare PD vorhanden, was es schwierig machte, zu beurteilen, ob die PDIV gesunken war. Darüber hinaus erwähnt der neueste nationale Standard GB1094.3-2003 weder PDIV noch PDEV, was zu uneinheitlicher Interpretation und Bestimmung unter den Praktikern führt.

(B) Lokalisierung der Entladung

• Einschränkungen gängiger Methoden: Die weit verbreitete ultrasonische PD-Lokalisierungsmethode erfasst die Zeitdifferenz der durch Entladungen erzeugten Ultraschallwellen, die an Sensoren an der Behälterwand ankommen. Diese Methode steht jedoch vor Herausforderungen wie unzureichender Technologie, Notwendigkeit ausreichend großer Entladeenergie (im Empfindlichkeitsbereich des Sensors) und ungenauer Lokalisierung aufgrund vielfacher Reflexionen und Brechungen der Ultraschallwellen an den inneren Wicklungen.

• Fallergebnisse: Während der Vor-Ort-Prüfungen vor der Inbetriebnahme lieferte die PD-Lokalisierungsausrüstung nur eine grobe Schätzung des Entladungsstandorts. Das Überwachungssystem im Kontrollraum konnte keine PD-Veränderungen in Abhängigkeit von der Spannung erkennen, was die Nützlichkeit der Ergebnisse einschränkte. Auch spätere online installierte Überwachungssysteme konnten während der Prüfung am 26. April 2006 keine relevanten Veränderungen feststellen. Daher sollten ultrasonische Lokalisierungsergebnisse bei niedriger PD vorsichtig behandelt werden.

(C) Schweregrad der Entladung

Obwohl der Standard einen Grenzwert von 500 pC bei 1,5 pu festlegt, gibt es in der Praxis keinen signifikanten Unterschied zwischen 500 pC und 700 pC – sie gehören zur gleichen Größenordnung. Darüber hinaus ist bei PD unter 1000 pC in der Regel keine sichtbare Entladungsspuren im Transformator vorhanden, und Ortsbesichtigungen bei Ölentnahme zeigen selten Abnormitäten. Die Rückführung eines 750 kV-Transformators (groß und schwer) zur Reparatur in der Fabrik birgt hohe Risiken.

VI. Empfehlungen

(A) Erhöhung des Isolationsgrades

Die induzierte Ausdauer-Spannung des Lanzhou East-Transformators ist relativ gering. Angesichts der kurzen Geschichte und begrenzten Erfahrung in der Herstellung von 750 kV-Transformatoren in China sowie der Notwendigkeit von Vor-Ort-PD-Prüfungen wird empfohlen, dass zukünftige 750 kV-Haupttransformatoren eine induzierte Ausdauer-Spannung von mindestens 900 kV haben sollten.

(B) Lockerung der Kriterien für Vor-Ort-Inbetriebnahmepd-Prüfungen

Im Ausland werden PD-Prüfungen ausschließlich in der Fabrik durchgeführt und nicht wiederholt vor Ort. In China sind jedoch Vor-Ort-PD-Prüfungen ein obligatorischer Inbetriebnahmepunkt. Es wird empfohlen, die Akzeptanzkriterien für Vor-Ort-PD-Prüfungen von 750 kV-Transformatoren auf weniger als 1000 pC zu lockern, aus folgenden Gründen:

• Transformatoren mit PD-Ebenen zwischen 500–1000 pC zeigen oft eine Verringerung der PD nach einer Wiederholungsprüfung nach einer gewissen Lager- oder Betriebsdauer (z.B. Lanzhou East Phase A-Transformator).

• Bei PD unter 1000 pC werden in der Regel keine sichtbaren Entladungsspuren gefunden, Ortsbesichtigungen zeigen selten Probleme, und die Rücksendung zur Fabrik birgt hohe Risiken.

• Vor-Ort-PD-Prüfungen für 750 kV- und 1000 kV-Transformatoren sind effektiv "quasi-Ausdauerprüfungen":

• Kleiner Spannungsspielraum: Für den Lanzhou East-Transformator liegt die PD-Prüfspannung bei 1,5 pu (693 kV, ±3% Messunsicherheit: 672–714 kV) sehr nahe an der Inbetriebnahme-Ausdauer-Spannung von 731 kV, was nur einen Spielraum von 2,4% lässt. Selbst wenn zukünftige 750 kV-Transformatoren eine induzierte Ausdauer-Spannung von 900 kV haben, bleibt bei der Inbetriebnahme-Prüfung bei 765 kV ein begrenzter Spielraum. Ähnlich bei 1000 kV-Transformatoren, liegt die PD-Prüfspannung (1,4 pu = 889 kV) sehr nahe an dem 935 kV-Ausdauer-Level.

• Lange Dauer: Während die standardmäßige Ausdauerzeit nur etwa 56 Sekunden (bei 108 Hz Prüffrequenz) beträgt, wird bei der vollständigen PD-Prüfung 1,5 pu für bis zu 65 Minuten angewendet. Wiederholte Prüfungen können zu kumulativen Isolierschäden führen und die Lebensdauer des Transformators beeinträchtigen.

• Es gibt wenige Fälle, in denen wiederholte Vor-Ort-Prüfungen übermäßige PD auf akzeptable Werte reduzieren; stattdessen kann die PD-Ebene zunehmen (z.B. Lanzhou East Phase A-Transformator: 700 pC am 10. August 2005, stieg bis zum 23. September auf 910 pC).

(C) Neubestimmung der Spannung zur Entstehung und zum Verschwinden der partiellen Entladung

Bestehende Standards bieten keine klaren Definitionen für PDIV und PDEV, was zu Fehlinterpretationen der Prüfergebnisse führen kann (wie im Fall Lanzhou East). Es wird empfohlen, diese Begriffe mit expliziten numerischen Kriterien neu zu definieren und Leitlinien für Fälle zu erstellen, in denen PDIV und PDEV nicht klar beobachtbar sind.

(D) Stärkung der Forschung zu praktischen Vor-Ort-Techniken

• Echte Transformatoren-PD-Muster sammeln: Die meisten typischen PD-Muster in der Literatur stammen aus Labor-Simulationen, die sich vom Verhalten realer Transformatoren unterscheiden. Illustrative Diagramme reichen nicht aus, um Feldarbeiten zu leiten. Es ist entscheidend, echte PD-Muster aus der Praxis zu sammeln und zu analysieren und diese in Referenzhandbücher für qualitative Analysen und Lokalisierungen zu kompilieren.

• Forschung zur Störungsunterdrückung vorantreiben: Externe Störungen sind eine große Herausforderung bei PD-Tests vor Ort. Aktuelle Messsysteme können keine Unterscheidung zwischen echten Entladungen und Störungen vornehmen und verlassen sich stark auf die Erfahrung des Bedieners. Weitere Forschung zu Störfaktoren und Unterdrückungsmethoden ist erforderlich.

(E) Zertifizierung von Testpersonal vorsehen

PD-Messungen sind die technisch anspruchsvollsten und unvorhersehbarsten der routinemäßigen Hochspannungstests vor Ort. Fehlbeurteilungen sind jedoch häufig. Das Personal sollte ein systematisches Schulungsprogramm in grundlegenden Prinzipien, Anschlussverkabelung, Komponentenabstimmung, Störungsunterdrückung und PD-Lokalisierung durchlaufen und eine Zertifizierung erwerben, bevor es Tests durchführen darf.

(F) Regelmäßige Kalibrierung der Testinstrumente

GB7354-2003 legt klar fest, dass PD-Messgeräte mindestens zweimal jährlich oder nach größeren Reparaturen kalibriert werden müssen. In der Praxis wird dies oft nicht strikt eingehalten, wobei einige Geräte jahrelang ohne Kalibrierung verwendet werden – Fehler bis zu mehrere Größenordnungen wurden dokumentiert. Es wird empfohlen, die Kalibrierung gemäß den nationalen Standards streng durchzuführen, um die Messgenauigkeit sicherzustellen.

(G) Online-Überwachung bei Bedarf anwenden

Die Technologie der Online-Überwachung hat sich erheblich verbessert. Für 750kV-Transformatoren mit PD-Werten, die die Grenzwerte überschreiten, aber nicht kritisch hoch sind, ist eine verstärkte Online-Überwachung ein vernünftiger Ansatz. Neben PD sollten auch Parameter wie Temperatur, Kern- und Klemmengrundstrom sowie Ölchromatographie überwacht werden, um die Gesundheit des Transformers umfassend zu bewerten.

VII. Schlussfolgerung und Ausblick

• Schlussfolgerung: Bestehende Normen liefern unzureichende Definitionen für PD-Anfangs- und -Endspannungen, was ihre Nützlichkeit zur Leitung von Feldtests einschränkt. Der Isolationsgrad des 750kV-Transformators in Lanzhou Ost ist relativ niedrig, wodurch sein PD-Test im Wesentlichen ein "quasi-Haltbarkeitstest" ist. Die 12 Feld-PD-Tests am Phase A-Transformer haben wahrscheinlich einen gewissen kumulativen Isolationsstress verursacht. Zukünftige 750kV-Transformatoren sollten einen Isolationsgrad von mindestens 900kV aufweisen.

• Ausblick: Die Forschung und Planung für Chinas 1000kV AC-Ultra-Hochspannungsübertragung wurde abgeschlossen, und Demonstrationsprojekte sind im Bau. Angesichts des noch geringeren Isolationsabstands von 1000kV-Transformatoren sollten Forschungen zu Feldkommissionierungsprüfungen frühzeitig begonnen werden, um technische Unterstützung für praktische Anwendungen bereitzustellen.