Ensayo de PD in situ e inducido de transformadores de 750 kV: Estudio de caso y recomendaciones

I. Introducción

El proyecto de demostración de transmisión y subestación de 750 kV Guanting–Lanzhou Este en China se puso en operación oficialmente el 26 de septiembre de 2005. Este proyecto incluye dos subestaciones—Lanzhou Este y Guanting (cada una equipada con cuatro transformadores de 750 kV, tres de los cuales forman un banco de transformadores trifásico en operación, con uno en reserva)—y una línea de transmisión. Los transformadores de 750 kV utilizados en el proyecto fueron desarrollados e fabricados de manera independiente en China. Durante las pruebas de puesta en marcha in situ, se detectó una descarga parcial (DP) excesiva en el transformador principal de la Fase A de la Subestación Lanzhou Este. Se realizaron un total de 12 pruebas de DP antes y después de la puesta en marcha. Este artículo analiza los estándares de referencia, procedimientos, datos e problemas relacionados con las pruebas de DP de este transformador, y ofrece recomendaciones prácticas de ingeniería para apoyar futuras pruebas in situ de transformadores de 750 kV y 1000 kV.

II. Parámetros Básicos del Transformador

El transformador principal de la Subestación Lanzhou Este fue fabricado por Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Los parámetros clave son los siguientes:

• Modelo: ODFPS-500000/750

• Tensión Nominal: HV 750 kV, MV (con regulador de paso ±2.5%) kV, LV 63 kV

• Capacidad Nominal: 500/500/150 MVA

• Tensión Máxima de Operación: 800/363/72.5 kV

• Método de Refrigeración: Circulación forzada de aceite con refrigeración por aire (OFAF)

• Peso del Aceite: 84 toneladas; Peso Total: 298 toneladas

• Nivel de Aislamiento del Enrollamiento HV: Impulso de onda completa 1950 kV, impulso de onda cortada 2100 kV, tensión de resistencia inducida a corto plazo 1550 kV, tensión de resistencia de frecuencia de red 860 kV

III. Procedimiento y Estándares de Prueba

(A) Procedimiento de Prueba

Según GB1094.3-2003, el procedimiento de prueba de descargas parciales para transformadores consta de cinco períodos—A, B, C, D y E—con tensiones aplicadas especificadas para cada uno. La tensión de pre-esfuerzo durante el período C se define como 1.7 unidades per unit (pu), donde 1 pu = Um/√3 (Um siendo la tensión máxima del sistema). Este valor es ligeramente inferior al Um especificado en GB1094.3-1985. Para el transformador de Lanzhou Este, Um = 800 kV, por lo que la tensión de pre-esfuerzo debería ser 785 kV.

(B) Requisitos de Tensión de Resistencia

• La tensión de resistencia inducida a corto plazo para el transformador de Lanzhou Este es 860 kV. Según los "Estándares de Prueba de Puesta en Marcha para Equipos Eléctricos UHV de 750 kV" de la Corporación Estatal de Red Eléctrica de China, la tensión de prueba in situ debe ser el 85% del valor de prueba en fábrica, es decir, 731 kV, lo cual es menor que la tensión de pre-esfuerzo requerida de 1.7 pu (785 kV).

• Para resolver el conflicto entre la tensión de pre-esfuerzo y la tensión de resistencia de puesta en marcha, los estándares relevantes establecen que si la tensión de pre-esfuerzo supera el 85% de la tensión de resistencia en fábrica, la tensión de pre-esfuerzo real debe acordarse entre el usuario y el fabricante. La "Especificación Técnica para Transformadores Principales de 750 kV" especifica explícitamente que la tensión de pre-esfuerzo de la prueba de DP in situ equivale al 85% de la tensión de resistencia en fábrica. Como resultado, la tensión de pre-esfuerzo para la prueba de DP in situ del transformador de Lanzhou Este se fijó en 731 kV. La medición de DP y la prueba de resistencia se combinaron, con la fase de prueba de resistencia sirviendo como etapa de pre-esfuerzo de la prueba de DP.

(C) Criterios de Aceptación para Descargas Parciales

Bajo una tensión de prueba de 1.5 pu, el nivel de descarga parcial del transformador debe ser menor a 500 pC.

IV. Proceso de Prueba

Desde el 9 de agosto de 2005 hasta el 26 de abril de 2006, se realizaron un total de 12 pruebas de DP en el transformador principal de la Fase A de la Subestación Lanzhou Este. La información clave de las pruebas se resume a continuación:

En general, el nivel de PD del devanado de media tensión de la fase A del transformador principal antes de su puesta en marcha oscilaba entre 600 y 910 pC, superando el criterio de aceptación de 500 pC. Sin embargo, después de una nueva prueba realizada el 26 de abril de 2006, tras la puesta en marcha, el nivel de PD disminuyó a 280 pC, cumpliendo con el requisito.

V. Análisis de las pruebas

(A) Tensión de Inicio de Descarga Parcial (PDIV) y Tensión de Extinción (PDEV)

• Problemas de Definición: GB7354-2003 y DL417-1991 proporcionan definiciones imprecisas de PDIV y PDEV. Por ejemplo, el "valor especificado" en la definición no está claramente definido, aunque se asume comúnmente 500pC, lo que lleva a inconsistencias significativas en la aplicación práctica. Además, el ruido de fondo durante las pruebas in situ a menudo alcanza decenas a cientos de picocoulombs, dificultando la identificación de un claro inicio de descarga.

• Observaciones de Caso: En las 12 pruebas de PD realizadas en el transformador de la Fase A de Lanzhou Este, el nivel de PD aumentó gradualmente con la tensión, sin un salto distinto (cambio máximo de paso ~200pC), lo que hace imposible determinar un PDIV claro. En algunas pruebas, ya se presentaba PD medible a bajas tensiones, dificultando evaluar si el PDIV había disminuido. Además, la última norma nacional GB1094.3-2003 no menciona PDIV o PDEV, lo que lleva a interpretaciones e interpretaciones inconsistentes entre los profesionales.

(B) Localización de la Descarga

• Limitaciones de los Métodos Comunes: El método de localización de PD ultrasonoro ampliamente utilizado detecta la diferencia de tiempo de las ondas ultrasónicas generadas por las descargas al llegar a los sensores en la pared del tanque. Sin embargo, este método enfrenta desafíos como tecnología inmadura, requerimiento de energía de descarga suficientemente grande (dentro del rango de sensibilidad del sensor) e inexactitud en la localización debido a múltiples reflexiones y refracciones de las ondas ultrasónicas desde los devanados internos.

• Resultados de Caso: Durante las pruebas previas a la puesta en marcha, el equipo de localización de PD proporcionó solo una estimación aproximada de la ubicación de la descarga. El sistema de monitoreo de la sala de control no pudo detectar variaciones de PD con la tensión, limitando la utilidad de los resultados. Los sistemas de monitoreo en línea instalados posteriormente tampoco detectaron cambios relevantes durante la prueba del 26 de abril de 2006. Por lo tanto, los resultados de localización ultrasónica deben tratarse con precaución cuando los niveles de PD son bajos.

(C) Gravedad de la Descarga

Aunque la norma especifica un límite de 500pC a 1.5 pu, en la práctica, no hay una diferencia significativa entre 500pC y 700pC, ya que pertenecen a la misma magnitud de orden. Además, cuando el PD está por debajo de 1000pC, generalmente no hay trazas visibles de descarga dentro del transformador, y las inspecciones de drenaje de aceite in situ rara vez revelan anomalías. Devolver un transformador de 750kV (grande y pesado) a la fábrica para reparación conlleva altos riesgos.

VI. Recomendaciones

(A) Aumentar el Nivel de Aislamiento

La tensión de soporte inducida del transformador de Lanzhou Este es relativamente baja. Considerando la corta historia y la limitada experiencia en la fabricación de transformadores de 750kV en China, junto con la necesidad de pruebas de PD in situ, se recomienda que los futuros transformadores principales de 750kV tengan una tensión de soporte inducida de no menos de 900kV.

(B) Relajar los Criterios de Prueba de PD In Situ para la Puesta en Marcha

En el extranjero, las pruebas de PD se realizan estrictamente solo en la fábrica, no se repiten in situ. Sin embargo, en China, las pruebas de PD in situ son un elemento obligatorio de puesta en marcha. Se recomienda relajar el criterio de aceptación para las pruebas de PD in situ de los transformadores de 750kV a menos de 1000pC, por las siguientes razones:

• Los transformadores con niveles de PD entre 500–1000pC a menudo muestran una reducción de PD al repetir las pruebas después de un período de almacenamiento o operación (por ejemplo, el transformador de la Fase A de Lanzhou Este).

• Cuando el PD está por debajo de 1000pC, generalmente no se encuentran trazas visibles de descarga, las inspecciones in situ rara vez detectan problemas, y la devolución a la fábrica conlleva altos riesgos.

• Las pruebas de PD in situ para transformadores de 750kV y 1000kV son efectivamente "pruebas de resistencia cuasi":

• Margen de tensión pequeño: Para el transformador de Lanzhou Este, la tensión de prueba de PD a 1.5 pu (693kV, ±3% de incertidumbre de medición: 672–714kV) está muy cerca de la tensión de soporte de puesta en marcha de 731kV, dejando solo un margen del 2.4%. Incluso si los futuros transformadores de 750kV tienen una tensión de soporte inducida elevada a 900kV, la prueba de puesta en marcha a 765kV aún deja un margen limitado. De manera similar, para los transformadores de 1000kV, la tensión de prueba de PD (1.4 pu = 889kV) está muy cerca del nivel de soporte de 935kV.

• Duración prolongada: Aunque la duración de soporte estándar es solo de unos 56 segundos (a una frecuencia de prueba de 108Hz), la prueba completa de PD aplica 1.5 pu durante hasta 65 minutos. Las pruebas repetidas pueden causar daños acumulativos en el aislamiento, afectando la vida útil del transformador.

• Hay pocos casos donde las pruebas in situ repetidas reducen el PD excesivo a niveles aceptables; en cambio, los niveles de PD pueden aumentar (por ejemplo, el transformador de la Fase A de Lanzhou Este: 700pC el 10 de agosto de 2005, aumentó a 910pC para el 23 de septiembre).

(C) Redefinir las Tensiones de Inicio y Extinción de PD

Las normas existentes carecen de definiciones claras para PDIV y PDEV, lo que puede llevar a malas interpretaciones de las pruebas (como se vio en el caso de Lanzhou Este). Se recomienda redefinir estos términos con criterios numéricos explícitos e incluir orientación para casos en los que PDIV y PDEV no sean claramente observables.

(D) Fortalecer la Investigación sobre Técnicas Prácticas In Situ

• Recopilar patrones reales de PD en transformadores: La mayoría de los patrones de PD típicos en la literatura provienen de simulaciones de laboratorio, que difieren del comportamiento real de los transformadores. Los diagramas ilustrativos son insuficientes para guiar el trabajo de campo. Es esencial recopilar y analizar patrones de PD del mundo real y compilarlos en manuales de referencia para análisis cualitativo y localización.

• Avanzar en la investigación anti-interferencia: La interferencia externa es un desafío importante en las pruebas de PD en el sitio. Los sistemas de medición actuales no pueden distinguir entre descargas genuinas e interferencia, dependiendo en gran medida de la experiencia del operador. Se necesita más investigación sobre fuentes de interferencia y métodos de supresión.

(E) Requerir certificación para el personal de pruebas

La medición de PD es la prueba de alta tensión rutinaria en el sitio más técnica y impredecible. Sin embargo, los errores de juicio son comunes. El personal debe someterse a una formación sistemática en principios fundamentales, cableado de equipos, emparejamiento de componentes, eliminación de interferencias y localización de PD, y debe obtener una certificación antes de poder realizar pruebas.

(F) Calibración regular de instrumentos de prueba

GB7354-2003 establece claramente que los instrumentos de medición de PD deben calibrarse al menos dos veces al año o después de reparaciones importantes. En la práctica, esto a menudo no se sigue estrictamente, con algunos instrumentos utilizados durante años sin calibración, registrándose errores tan altos como decenas de veces. Se recomienda un estricto cumplimiento de la calibración según las normas nacionales para garantizar la precisión de las mediciones.

(G) Usar monitoreo en línea cuando sea necesario

La tecnología de monitoreo en línea ha mejorado significativamente. Para transformadores de 750kV con niveles de PD que exceden los límites pero no son críticamente altos, un monitoreo en línea mejorado es un enfoque razonable. Además de PD, se deben monitorear parámetros como la temperatura, la corriente de tierra del núcleo y la abrazadera, y la cromatografía de aceite para evaluar integralmente la salud del transformador.

VII. Conclusión y perspectiva

• Conclusión: Las normas existentes proporcionan definiciones inadecuadas para los voltajes de inicio y extinción de PD, limitando su utilidad para guiar las pruebas en el sitio. El nivel de aislamiento del transformador de 750kV de Lanzhou Este es relativamente bajo, lo que hace que su prueba de PD sea esencialmente una prueba de "quasi-resistencia". Las 12 pruebas de PD en el sitio en el transformador de fase A probablemente causaron algún estrés acumulado de aislamiento. Los futuros transformadores de 750kV deberían tener un nivel de aislamiento de al menos 900kV.

• Perspectiva: La investigación y planificación para la transmisión de ultra-alta tensión AC de 1000kV en China se han completado, y los proyectos de demostración están en construcción. Dado el margen de aislamiento aún menor de los transformadores de 1000kV, la investigación sobre pruebas de puesta en servicio en el sitio debería iniciarse temprano para proporcionar apoyo técnico para aplicaciones prácticas.