750kV Μετασχηματιστής Επιτόπια PD και Δοκιμή Αντοχής Παραγωγής: Σπουδή Περίπτωσης και Συστάσεις

I. Εισαγωγή

Το δείγμα εγκατάστασης μεταφοράς και υποσταθμίων 750kV Guanting–Lanzhou East στην Κίνα έγινε λειτουργικό επίσημα στις 26 Σεπτεμβρίου 2005. Αυτό το έργο περιλαμβάνει δύο υποσταθμίους – Lanzhou East και Guanting (καθένας εξοπλισμένος με τέσσερις μετατροπείς 750kV, τρεις από τους οποίους σχηματίζουν ένα τριφασικό σύνολο μετατροπέα σε λειτουργία, με έναν σε προσωρινή αναστολή) – και μία γραμμή μεταφοράς. Οι 750kV μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο έργο αναπτύχθηκαν και κατασκευάστηκαν ανεξάρτητα στην Κίνα. Κατά τις επιτόπιες δοκιμές λειτουργίας, ανακαλύφθηκε υπερβολική μερική εκκεντρική εκτύπωση (PD) στον κύριο μετατροπέα φάσης A στον υποσταθμό Lanzhou East. Συνολικά, έγιναν 12 δοκιμές PD πριν και μετά την επικύρωση. Αυτό το έγγραφο αναλύει τα πρότυπα αναφοράς, τις διαδικασίες, τα δεδομένα και τα θέματα που σχετίζονται με τις δοκιμές PD αυτού του μετατροπέα, και προτείνει πρακτικές μηχανικές συστάσεις για να υποστηρίξει μελλοντικές επιτόπιες δοκιμές 750kV και 1000kV μετατροπέων.

II. Βασικά Παραμέτρων Μετατροπέα

Ο κύριος μετατροπέας στον υποσταθμό Lanzhou East κατασκευάστηκε από την Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Κύριοι παράμετροι είναι όπως εξής:

• Μοντέλο: ODFPS-500000/750

• Νομιμοποιημένη Τάση: HV 750kV, MV (με ±2.5% tap changer) kV, LV 63kV

• Νομιμοποιημένη Δύναμη: 500/500/150 MVA

• Μέγιστη Λειτουργική Τάση: 800/363/72.5 kV

• Μέθοδος Ψύξης: Αναγκαστική κυκλοφορία λαδιού με αέρια ψύξη (OFAF)

• Βάρος Λαδιού: 84 τόνοι; Συνολικό Βάρος: 298 τόνοι

• Επίπεδο Μόνωσης Φίλης HV: Πλήρης κύμα αλματών 1950kV, κόψιμο κύματος 2100kV, βραχυχρόνια ενδεχόμενη αντοχή 1550kV, αντοχή συχνότητας λειτουργίας 860kV

III. Διαδικασία και Πρότυπα Δοκιμής

(A) Διαδικασία Δοκιμής

Σύμφωνα με το GB1094.3-2003, η διαδικασία δοκιμής μερικής εκκεντρικής εκτύπωσης (PD) για μετατροπείς αποτελείται από πέντε περίοδους - A, B, C, D, E - με καθορισμένες εφαρμοσμένες τάσεις για κάθε μία. Η προσωρινή τάση κατά την περίοδο C ορίζεται ως 1,7 μοναδική μονάδα (pu), όπου 1 pu = Um/√3 (Um όντας η μέγιστη συστημική τάση). Αυτή η τιμή είναι ελαφρώς χαμηλότερη από την Um που ορίζεται στο GB1094.3-1985. Για τον μετατροπέα Lanzhou East, Um = 800kV, άρα η προσωρινή τάση θα πρέπει να είναι 785kV.

(B) Απαιτήσεις Αντοχής Τάσης

• Η βραχυχρόνια ενδεχόμενη αντοχή για τον μετατροπέα Lanzhou East είναι 860kV. Σύμφωνα με τα "Πρότυπα Δοκιμής Επικύρωσης για 750kV UHV Ηλεκτρικό Εξοπλισμό" της State Grid Corporation of China, η επιτόπια δοκιμαστική τάση θα πρέπει να είναι 85% της εργοστασιακής τιμής δοκιμής, δηλαδή 731kV, η οποία είναι μικρότερη από την απαιτούμενη προσωρινή τάση 1,7 pu (785kV).

• Για την επίλυση του συγκρούσματος μεταξύ προσωρινής τάσης και αντοχής επικύρωσης, τα σχετικά πρότυπα αναφέρουν ότι αν η προσωρινή τάση υπερβαίνει το 85% της εργοστασιακής αντοχής, η πραγματική προσωρινή τάση θα πρέπει να συμφωνηθεί από τον χρήστη και τον κατασκευαστή. Το "Τεχνικό Πρότυπο για 750kV Κύριους Μετατροπείς" καθορίζει σαφώς ότι η επιτόπια δοκιμή PD προσωρινής τάσης ισούται με το 85% της εργοστασιακής αντοχής. Ως αποτέλεσμα, η προσωρινή τάση για την επιτόπια δοκιμή PD του μετατροπέα Lanzhou East ορίστηκε σε 731kV. Η μέτρηση PD και η δοκιμή αντοχής συνδυάστηκαν, με τη φάση δοκιμής αντοχής να λειτουργεί ως προσωρινή φάση της δοκιμής PD.

(C) Κριτήρια Αποδοχής Μερικής Εκκεντρικής Εκτύπωσης

Κάτω από δοκιμαστική τάση 1,5 pu, το επίπεδο μερικής εκκεντρικής εκτύπωσης του μετατροπέα πρέπει να είναι λιγότερο από 500 pC.

IV. Διαδικασία Δοκιμής

Από τις 9 Αυγούστου 2005 έως τις 26 Απριλίου 2006, έγιναν συνολικά 12 δοκιμές PD στον κύριο μετατροπέα φάσης A στον υποσταθμό Lanzhou East. Κύριες πληροφορίες δοκιμής είναι συνοψισμένες παρακάτω:

Συνολικά, το επίπεδο μερικής διαβολής (PD) του MV πλεξίματος της φάσης A του κύριου μετατροπέα πριν από την έναρξη λειτουργίας κινήθηκε μεταξύ 600 και 910 pC, υπερβαίνοντας το κριτήριο αποδοχής 500 pC. Ωστόσο, μετά την επανεξέταση στις 26 Απριλίου 2006, μετά την έναρξη λειτουργίας, το επίπεδο PD μειώθηκε σε 280 pC, συμμορφώνοντας με την απαίτηση.

V. Ανάλυση Δοκιμών

(A) Τάση Έναρξης Μερικής Διαβολής (PDIV) και Τάση Λήξης (PDEV)

• Ερωτήματα Ορισμού: Τα πρότυπα GB7354-2003 και DL417-1991 παρέχουν ακριβείς ορισμούς για την PDIV και PDEV. Για παράδειγμα, η "καθορισμένη τιμή" στον ορισμό δεν είναι σαφώς ορισμένη—παρ' όλα αυτά, συνήθως υποθέτεται 500pC, το οποίο οδηγεί σε σημαντικές αναστάτωσης στην πρακτική εφαρμογή. Επιπλέον, ο θόρυβος υποβάθρου κατά τις δοκιμές στο χώρο συνήθως φτάνει σε δεκάδες ή εκατοντάδες picocoulombs, κάνοντας δύσκολη την αναγνώριση μιας σαφούς έναρξης διαβολής.

• Παρατηρήσεις Περιπτώσεων: Στις 12 δοκιμές PD που πραγματοποιήθηκαν στον μετατροπέα της φάσης A της Ανατολικής Λάντζοου, το επίπεδο PD αυξήθηκε σταδιακά με την τάση, χωρίς σαφή άλμα (μέγιστη αλλαγή βήματος ~200pC), κάνοντας αδύνατη την προσδιορισμό μιας σαφούς PDIV. Σε μερικές δοκιμές, μετρήσιμη PD υπήρχε ήδη σε χαμηλές τάσεις, κάνοντας δύσκολη την εκτίμηση εάν η PDIV είχε μειωθεί. Επιπλέον, το πιο πρόσφατο εθνικό πρότυπο GB1094.3-2003 δεν αναφέρει PDIV ή PDEV, οδηγώντας σε αναστάτωση στην ερμηνεία και προσδιορισμό από τους επαγγελματίες.

(B) Τοποθέτηση Διαβολής

• Οριακότητες Κοινών Μεθόδων: Η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος τοποθέτησης μερικής διαβολής με υπερήχη ανιχνεύει τη διαφορά χρόνου των υπερηχών κυμάτων που παράγονται από τη διάβολη και φτάνουν σε αισθητήρες στο τοίχωμα. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος αντιμετωπίζει προκλήσεις όπως η ανεπάρκεια της τεχνολογίας, η απαίτηση για αρκετά μεγάλη ενέργεια διάβολης (εντός της ευαισθησίας των αισθητήρων) και η ακρίβεια τοποθέτησης λόγω πολλαπλών ανακλάσεων και διαστροφών των υπερηχών κυμάτων από τα εσωτερικά πλεξίματα.

• Αποτελέσματα Περιπτώσεων: Κατά τις προ-εναρξιακές δοκιμές, το εξοπλισμός τοποθέτησης PD παρείχε μόνο προσεγγιστική εκτίμηση της τοποθεσίας της διάβολης. Το σύστημα παρακολούθησης του διαμεσολαβητή δεν ανίχνευσε μεταβολές του PD με την τάση, περιορίζοντας τη χρησιμότητα των αποτελεσμάτων. Οι μεταγενέστερες εγκαταστάσεις συστημάτων online παρακολούθησης δεν ανίχνευσαν σχετικές αλλαγές κατά τη δοκιμή στις 26 Απριλίου 2006. Συνεπώς, τα αποτελέσματα τοποθέτησης υπερήχου πρέπει να εκτιμούνται με προσοχή όταν το επίπεδο PD είναι χαμηλό.

(C) Σοβαρότητα Διάβολης

Αν και το πρότυπο καθορίζει ένα όριο 500pC στο 1.5 pu, στην πράξη, δεν υπάρχει σημαντική διαφορά μεταξύ 500pC και 700pC—ανήκουν στην ίδια τάξη μεγέθους. Επιπλέον, όταν το PD είναι κάτω από 1000pC, συνήθως δεν υπάρχει ορατή ίχνος διάβολης μέσα στον μετατροπέα, και οι επιθεωρήσεις στο χώρο με αποστολή λάδου σπάνια αποκαλύπτουν ανωμαλίες. Η επιστροφή ενός 750kV μετατροπέα (μεγάλο και βαρύ) στο εργοστάσιο για επισκευή περιλαμβάνει υψηλά προσωπικά και οικονομικά προσκόμματα.

VI. Προτάσεις

(A) Αύξηση Επιπέδου Επενδύσεως

Η επενδυτική τάση του μετατροπέα της Ανατολικής Λάντζοου είναι σχετικά χαμηλή. Λαμβάνοντας υπόψη τη σύντομη ιστορία και την περιορισμένη εμπειρία στην κατασκευή εγχώριων 750kV μετατροπέων, καθώς και την ανάγκη δοκιμών PD στο χώρο, προτείνεται να έχουν οι μελλοντικοί 750kV κύριοι μετατροπείς επενδυτική τάση τουλάχιστον 900kV.

(B) Χαλάρωση Κριτηρίων Δοκιμών PD Στο Χώρο

Στο εξωτερικό, οι δοκιμές PD εκτελούνται αυστηρά μόνο στο εργοστάσιο, χωρίς επανάληψη στο χώρο. Στην Κίνα, ωστόσο, οι δοκιμές PD στο χώρο είναι υποχρεωτικό στοιχείο εναρξίας. Προτείνεται να χαλαρώσει το κριτήριο αποδοχής για τις δοκιμές PD στο χώρο 750kV μετατροπέων σε λιγότερο από 1000pC, για τους ακόλουθους λόγους:

• Μετατροπέας με επίπεδο PD μεταξύ 500–1000pC συνήθως δείχνουν μείωση του PD μετά από περίοδο αποθήκευσης ή λειτουργίας (π.χ., μετατροπέας της φάσης A της Ανατολικής Λάντζοου).

• Όταν το PD είναι κάτω από 1000pC, συνήθως δεν υπάρχουν ορατές ίχνεις διάβολης, οι επιθεωρήσεις στο χώρο σπάνια ανιχνεύουν προβλήματα, και η επιστροφή στο εργοστάσιο περιλαμβάνει υψηλά προσκόμματα.

• Οι δοκιμές PD στο χώρο για 750kV και 1000kV μετατροπέας είναι αποτελεσματικά "προσεγγιστικές δοκιμές αντοχής":

• Μικρό περιθώριο τάσης: Για τον μετατροπέα της Ανατολικής Λάντζοου, η τάση δοκιμής PD στο 1.5 pu (693kV, ±3% αβεβαιότητα μέτρησης: 672–714kV) είναι πολύ κοντά στην τάση αντοχής εναρξίας 731kV, αφήνοντας μόνο 2.4% περιθώριο. Ακόμα και αν οι μελλοντικοί 750kV μετατροπέας έχουν επενδυτική τάση 900kV, η δοκιμή εναρξίας στο 765kV αφήνει περιορισμένο περιθώριο. Ομοίως, για 1000kV μετατροπέας, η τάση δοκιμής PD (1.4 pu = 889kV) είναι πολύ κοντά στο επίπεδο αντοχής 935kV.

• Μεγάλη διάρκεια: Ενώ η απαιτούμενη διάρκεια αντοχής είναι μόνο περίπου 56 δευτερόλεπτα (σε συχνότητα δοκιμής 108Hz), η πλήρης δοκιμή PD εφαρμόζει 1.5 pu για μέχρι 65 λεπτά. Η επαναλαμβανόμενη δοκιμή μπορεί να προκαλέσει συσσωρευτική ζημία στην επένδυση, επηρεάζοντας τη διάρκεια ζωής του μετατροπέα.

• Υπάρχουν λίγες περιπτώσεις όπου οι επαναλαμβανόμενες δοκιμές στο χώρο μειώνουν το υπερβολικό PD σε αποδεκτά επίπεδα· αντίθετα, τα επίπεδα PD μπορεί να αυξηθούν (π.χ., μετατροπέας της φάσης A της Ανατολικής Λάντζοου: 700pC στις 10 Αυγούστου 2005, αυξήθηκε σε 910pC μέχρι τις 23 Σεπτεμβρίου).

(C) Νέος Ορισμός των Τάσεων Έναρξης και Λήξης Μερικής Διαβολής

Τα υφιστάμενα πρότυπα δεν παρέχουν σαφείς ορισμούς για τη PDIV και PDEV, οι οποίες μπορούν να παραπλανήσουν την ερμηνεία των δοκιμών (όπως είδαμε στην περίπτωση της Ανατολικής Λάντζοου). Προτείνεται να επανοριστούν αυτοί οι όροι με σαφείς αριθμητικές κριτήρια και να περιληφθούν οδηγίες για περιπτώσεις όπου η PDIV και PDEV δεν είναι σαφώς παρατηρήσιμες.

(D) Ενίσχυση Ερευνών σε Πρακτικές Τεχνικές Στο Χώρο

• Συλλογή πραγματικών μοτίβων ΠΑ σε τρανσφόρες: Τα πιο δημοφιλή μοτίβα ΠΑ στη βιβλιογραφία προέρχονται από εργαστηριακές σιμουλάσεις, που διαφέρουν από την πραγματική συμπεριφορά των τρανσφόρων. Οι εξηγηματικές διαγραμματισμοί είναι ανεπαρκείς για την καθοδήγηση της εργασίας στο πεδίο. Είναι απολύτως απαραίτητο να συλλέγονται και να αναλύονται πραγματικά μοτίβα ΠΑ και να συγκεντρώνονται σε εγχειρίδια αναφοράς για ποιοτική ανάλυση και τοποθέτηση.

• Πρόοδος στην έρευνα αντι-επεμβάτη: Η εξωτερική επέμβαση είναι ένα μεγάλο πρόβλημα στην επιτόπια δοκιμή ΠΑ. Τα τρέχοντα συστήματα μέτρησης δεν μπορούν να διακρίνουν μεταξύ πραγματικών εκπομπών και επεμβάτη, εξαρτώνται σημαντικά από την εμπειρία του χειριστή. Απαιτείται περισσότερη έρευνα στις πηγές επεμβάτη και τις μεθόδους καταστολής.

(E) Απαιτούμενη πιστοποίηση για το προσωπικό δοκιμών

Η μέτρηση ΠΑ είναι η πιο τεχνικά απαιτητική και αναπόφητη από τις συνηθισμένες επιτόπιες δοκιμές υψηλής τάσης. Ωστόσο, οι λάθοις είναι συνηθισμένοι. Το προσωπικό πρέπει να υποστεί συστηματική εκπαίδευση στα βασικά αρχή, τη σύνδεση των εξοπλισμών, τη συμφωνία των συστατικών, την εξάλειψη της επεμβάτης και την τοποθέτηση ΠΑ, και πρέπει να αποκτήσει πιστοποίηση πριν επιτραπεί να διεξάγει δοκιμές.

(F) Συνεχής προσαρμογή των εργαλείων δοκιμής

Το GB7354-2003 δηλώνει σαφώς ότι τα εργαλεία μέτρησης ΠΑ πρέπει να προσαρμόζονται τουλάχιστον δύο φορές τον χρόνο ή μετά από μεγάλες επισκευές. Στην πράξη, αυτό συχνά δεν ακολουθείται αυστηρά, με κάποια εργαλεία να χρησιμοποιούνται ετών χωρίς προσαρμογή—έχουν καταγραφεί λάθη της τάξης δεκάδων. Συνιστάται η αυστηρή εφαρμογή της προσαρμογής σύμφωνα με τα εθνικά πρότυπα για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια των μετρήσεων.

(G) Χρήση επιτόπιας εποπτείας όταν απαιτείται

Η τεχνολογία επιτόπιας εποπτείας έχει βελτιωθεί σημαντικά. Για τρανσφόρες 750kV με επίπεδα ΠΑ που υπερβαίνουν τα όρια αλλά δεν είναι κριτικά υψηλά, η ενισχυμένη επιτόπια εποπτεία είναι μια λογική προσέγγιση. Εκτός από το ΠΑ, πρέπει να εποπτεύονται παράμετροι όπως η θερμοκρασία, ο ρευστός καταδίκης και κατάθεσης, και η χρωματογραφία λάδιου για ολοκληρωμένη αξιολόγηση της υγείας του τρανσφόρου.

VII. Συμπέρασμα και Προοπτικές

• Συμπέρασμα: Τα υπάρχοντα πρότυπα παρέχουν ανεπαρκείς ορισμούς για την τάση έναρξης και λήξης ΠΑ, περιορίζοντας τη χρησιμότητά τους στην καθοδήγηση επιτόπιων δοκιμών. Το επίπεδο μόνωσης του τρανσφόρου 750kV της Ανατολικής Λανζού είναι σχετικά χαμηλό, κάνοντας τη δοκιμή ΠΑ σε αυτόν ουσιαστικά μια "κατά προσέγγιση" δοκιμή αντοχής. Οι 12 επιτόπιες δοκιμές ΠΑ στον τρανσφόρο φάσης A πιθανώς προκάλεσαν κάποια συσσωρευτική τάση μόνωσης. Οι μελλοντικοί τρανσφόροι 750kV πρέπει να έχουν επίπεδο μόνωσης τουλάχιστον 900kV.

• Προοπτικές: Οι έρευνες και οι προγραμματισμοί για την 1000kV AC υπερυψηλής τάσης μεταφοράς στην Κίνα έχουν ολοκληρωθεί, και οι δείκτες πρότυπα είναι υπό κατασκευή. Λόγω της ακόμη μικρότερης περιθωρίου μόνωσης των τρανσφόρων 1000kV, η έρευνα για τις επιτόπιες δοκιμές πρέπει να ξεκινήσει νωρίς για να παρέχει τεχνική υποστήριξη στις πρακτικές εφαρμογές.