750 kV-muuntajan paikkapäin PD- ja induktiivinen sähkövastustestaus: Tapauskuvailu ja suositukset

I. Johdanto

Guanting–Lanzhou Itä 750kV sähköntuotannon ja alijärjestelmän esimerkkiprojekti Kiinassa otettiin virallisesti käyttöön 26. syyskuuta 2005. Tämä projekti sisältää kaksi alijärjestelmää—Lanzhou Itä ja Guanting (jokainen varustettuna neljällä 750kV-muuntimella, joista kolme muodostavat käytössä olevan kolmivaiheisen muuntimipaketin, yksi varaalla)—ja yhden sähköjohto. Projektiin käytetyt 750kV-muuntimet kehitettiin ja valmistettiin itsenäisesti Kiinassa. Paikan päällä suoritettujen testien aikana havaittiin liian paljon osittaisen purkautumisen (PD) Lanzhou Itä-alijärjestelmän A-vaiheen päämuuntimessa. Yhteensä 12 PD-testiä tehtiin ennen ja jälkeen ottamisen käyttöön. Tässä artikkelissa analysoidaan tämän muuntimen PD-testeihin liittyviä viitearvoja, menettelytapoja, tietoja ja ongelmia, ja tarjotaan käytännöllisiä insinöörillisiä ehdotuksia tulevien 750kV- ja 1000kV-muuntimien paikan päällä suoritettaville testeille.

II. Muuntimen peruspärmeterit

Lanzhou Itä-alijärjestelmän päämuuntin valmistettiin Xi’an XD Transformer Co., Ltd:n toimesta. Tärkeät parametrit ovat seuraavat:

• Malli: ODFPS-500000/750

• Nominale jännite: HV 750kV, MV (±2.5% tap changer) kV, LV 63kV

• Nominale kapasiteetti: 500/500/150 MVA

• Maksimijännite: 800/363/72.5 kV

• Jäähdytystapa: Pakotettu öljykierros ilmanpuhdistuksen kanssa (OFAF)

• Öljyn paino: 84 tonnia; Kokonaispaino: 298 tonnia

• HV-kierroksen eristysaste: Täysi-aaltoinen impulssi 1950kV, katkotuinen impulssi 2100kV, lyhytaikainen induktiivinen kestovirta 1550kV, verkkotajuinen kestovirta 860kV

III. Testausmenettely ja standardit

(A) Testausmenettely

GB1094.3-2003 mukaan muuntimien osittaispurkautumistestausmenettely koostuu viidestä ajanjaksoista—A, B, C, D ja E—jokaiselle sovellettavilla jännitteillä. Esiasetuksen jännite C-ajanjakson aikana on määritelty 1.7 perusyksikkö (pu), jossa 1 pu = Um/√3 (Um osoittaa maksimijärjestelmän jännitteen). Tämä arvo on hieman pienempi kuin GB1094.3-1985 määrittämä Um. Lanzhou Itä-muuntimelle Um = 800kV, joten esiasetuksen jännitteeksi tulisi 785kV.

(B) Kestovirtavaatimukset

• Lanzhou Itä-muuntimen lyhytaikainen induktiivinen kestovirta on 860kV. Kiinan valtion sähköverkon yhtiön "750kV UHV-sähkölaitekomissionointitestausstandardit" mukaan paikan päällä suoritettavan testauksen jännitteeksi tulisi 85% tehtaiden testiarvosta, eli 731kV, mikä on vähemmän kuin vaadittu esiasetuksen jännite 1.7 pu (785kV).

• Esiasetuksen jännitteen ja komissionointikestovirran välisen ristiriidan ratkaisemiseksi asiaankuuluvat standardit määräävät, että jos esiasetuksen jännite ylittää 85% tehtaiden kestovirtajännitteen, todellinen esiasetuksen jännitteessä pitäisi sovitella käyttäjän ja valmistajan välillä. "750kV päämuuntimien tekninen spesifikaatio" määrittelee nimenomaan, että paikan päällä suoritettavan PD-testin esiasetuksen jännitteeksi tulee 85% tehtaiden kestovirtajännitteen. Tämän vuoksi Lanzhou Itä-muuntimen paikan päällä suoritettavan PD-testin esiasetuksen jännitteeksi asetettiin 731kV. PD-mittaus ja kestovirtatesti yhdistettiin, jossa kestovirtatekijä toimi PD-testin esiasetuksen vaiheena.

(C) Hyväksymisperusteet osittaiselle purkautumiselle

Testijännitteen ollessa 1.5 pu, muuntimen osittainen purkautumistaso on oltava alle 500 pC.

IV. Testausprosessi

9. elokuuta 2005 - 26. huhtikuuta 2006 Lanzhou Itä-alijärjestelmän A-vaiheen päämuuntimelle tehtiin yhteensä 12 PD-testiä. Tärkeät testitiedot yhteenvetona:

Yleisesti ottaen A-faasin päämuuntajan MV-kierroksen PD-taso ennen käyttöönottoa oli välillä 600 ja 910 pC, ylittäen 500 pC:n hyväksyntäkriteerin. Kuitenkin uudelleen testattuna 26. huhtikuuta 2006 käyttöönoton jälkeen PD-taso laski 280 pC:ksi, täyttäen vaatimuksen.

V. Testianalyysi

(A) Osittaisen sähköjännitteen syntyjännite (PDIV) ja katoamisjännite (PDEV)

• Määritelmäongelmat: GB7354-2003 ja DL417-1991 tarjoavat epätarkkoja määritelmiä PDIV:lle ja PDEV:lle. Esimerkiksi "määritetty arvo" määritelmässä ei ole selkeästi määriteltyä—vaikka 500 pC on yleinen oletus, tämä johtaa merkittäviin ristiriitoihin käytännön soveltamisessa. Lisäksi paikan päällä tehdyn testauksen taustameluuseen usein sisältyy satoja tai tuhansia pikokulombeja, mikä tekee sähköjännitteen syntymisen selväksi tunnistamisesta vaikeaa.

• Tapausnäkemykset: Lanzhou East -A-faasin muuntajassa suoritetuissa 12 PD-testissä PD-taso kasvoi asteittain jännitteen mukana ilman selkeää hypyä (suurin askelmuutos noin 200 pC), mikä teki PDIV:n selvän määrittämisen mahdottomaksi. Jotkut testit osoittivat mitattavissa olevaa PD:ta jo alhaisilla jännitteillä, mikä teki PDIV:n laskun arvioinnista vaikeaksi. Lisäksi uusin kansallinen standardi GB1094.3-2003 ei mainitse PDIV:ää tai PDEV:iä, mikä johtaa epäselvyyksiin tulkinta- ja määrittelyssä ammattilaispiirissä.

(B) Sähköjännitteen paikannus

• Yleisten menetelmien rajoitukset: Laajalti käytetty ultraviolettisähköjännitteen paikannusmenetelmä havaitsee sähköjännitteen aiheuttaman ultraviolettiaiden aikeroon sensorien saapumisessa säiliön seinään. Tämä menetelmä kohtaa kuitenkin haasteita, kuten puutteellinen teknologia, riittävän suuren sähköjännitteen energian vaatimus (sensorin herkkyyden rajoissa) ja epätarkkuus paikannuksessa monien heijastusten ja sirontojen vuoksi sisäisestä kierroksesta.

• Tapauksen tulokset: Käyttöönottoon liittyvissä testeissä PD-paikannuslaitteisto antoi vain karkean arvion sähköjännitteen sijainnista. Konttorihuoneen valvontajärjestelmä ei onnistunut havaitsemaan PD-muutoksia jännitteen mukana, rajoittaen tulosten hyödyllisyyttä. Myöhemmin asennettu online-valvontajärjestelmä ei myöskään onnistunut havaitsemaan merkittäviä muutoksia 26. huhtikuuta 2006 suoritetussa testissä. Siksi ultraviolettisähköjännitteen paikannustulokset pitäisi käsitellä varovaisesti, kun PD-taso on alhainen.

(C) Sähköjännitteen vakavuus

Vaikka standardi määrittelee 500 pC:n rajan 1.5 puissa, käytännössä ei ole merkittävää eroa 500 pC:n ja 700 pC:n välillä—ne kuuluvat samaan suuruusluokkaan. Lisäksi, kun PD on alle 1000 pC, muuntimessa ei yleensä näy näkyvää sähköjännitteen jälkeä, ja paikan päällä suoritetut öljynpoistoinspektion harvoin paljastavat poikkeamia. 750 kV muuntajan (iso ja raskas) palauttaminen tehtaalle korjaukseen tuo mukanaan suuria riskejä.

VI. Suositukset

(A) Paranna eristyksen tasoa

Lanzhou East -muuntajan indusoitu kestävyysjännite on suhteellisen alhainen. Ottaen huomioon lyhyen historian ja rajallisen kokemuksen kotimaisten 750 kV muuntajien valmistuksessa sekä paikan päällä suoritettujen PD-testien tarvetta, suositellaan, että tulevaisuuden 750 kV päämuuntajien indusoitu kestävyysjännite olisi vähintään 900 kV.

(B) Lepenna paikan päällä suoritettujen käyttöönotto-PD-testien hyväksyntäkriteerejä

Ulkomailla PD-testit suoritetaan tiukasti vain tehtaalla, eivätkä niitä toisteta paikan päällä. Kiinassa kuitenkin paikan päällä suoritettu PD-testaus on pakollinen käyttöönottoitempi. Suositellaan, että paikan päällä suoritettujen 750 kV muuntajien PD-testien hyväksyntäkriteeri lepennetään alle 1000 pC:ksi seuraavista syistä:

• Muuntajat, joiden PD-taso on 500–1000 pC välillä, usein näyttävät vähentyneen PD:n uudelleen testaamisen jälkeen tallennuksen tai käytön jälkeen (esimerkiksi Lanzhou East -A-faasi).

• Kun PD on alle 1000 pC, ei yleensä löydetä näkyviä sähköjännitteen jälkiä, paikan päällä suoritettujen inspektioiden löytämiset ovat harvinaisia, ja tehtaalle palauttaminen tuo mukanaan suuria riskejä.

• Paikan päällä suoritettujen 750 kV ja 1000 kV muuntajien PD-testit ovat tehokkaasti "quasi-kestävyystestejä":

• Pieni jännitemarginaali: Lanzhou East -muuntajalle PD-testijännite 1.5 puissa (693 kV, ±3% mittausvirhe: 672–714 kV) on hyvin lähellä käyttöönotto-kestävyysjännitettä 731 kV, jättäen vain 2.4 % marginaalin. Vaikka tulevaisuuden 750 kV muuntajien indusoitu kestävyysjännite nostettaisiin 900 kV:ksi, käyttöönottotestaus 765 kV:lla jättäisi edelleen rajallisen marginaalin. Samalla tavalla 1000 kV muuntajille PD-testijännite (1.4 puissa = 889 kV) on hyvin lähellä 935 kV:n kestävyystasoa.

• Pitkä kesto: Vaikka standardi-kestävyyskesto on vain noin 56 sekuntia (108 Hz testaustaidolla), täysi PD-testi soveltaa 1.5 puissa jopa 65 minuuttia. Toistuvat testit voivat aiheuttaa kumulatiivista eritysmyötäistä vahinkoa, vaikuttaen muuntajan elinkaareen.

• On vain harvat tapaukset, joissa toistuvat paikan päällä suoritettavat testit vähentävät ylipuolista PD:tä hyväksyttävälle tasolle; sen sijaan PD-taso voi kasvaa (esimerkiksi Lanzhou East -A-faasi: 700 pC 10. elokuuta 2005, kasvoi 910 pC:ksi 23. syyskuuta).

(C) Uudelleenmäärittele PD-synty- ja katoamisjännitteet

Olemassa olevat standardit eivät tarjoa selkeitä määritelmiä PDIV:lle ja PDEV:lle, mikä voi johtaa väärinkäsityksiin testitulosten tulkinnassa (kuten Lanzhou East -tapauksessa). Suositellaan, että nämä termit uudelleenmääritellään selkeillä numeerisilla kriteereillä ja sisällytetään ohjeistusta tapauksiin, joissa PDIV ja PDEV eivät ole selkeästi havaittavissa.

(D) Vahvista käytännön paikan päällä suoritettujen tekniikoiden tutkimusta

• Kerää oikeat muuntajan osittaiskuormituskaavat: Kirjallisuudessa esiintyvät tyypillisimmät osittaiskuormituskaavat perustuvat laboratoriosimulaatioihin, jotka poikkeavat oikean muuntajan käyttäytymisestä. Kuvakaavioita ei ole riittävästi ohjeistuksena kenttätyöhön. On välttämätöntä kerätä ja analysoida todellisia osittaiskuormituskaavoja ja koostaa ne viitekirjaksi laadulliseen analyysiin ja paikanmääritykseen.

• Edistä häiriökierron tutkimusta: Ulkopuoliset häiriöt ovat merkittävä haaste paikan päällä tehtävissä osittaiskuormitusmittauksissa. Nykyiset mittausjärjestelmät eivät pysty erottamaan oikeita purkauksia häiriöistä, ja niiden on luotettava paljon operaattorin kokemukseen. Tarvitaan lisätutkimusta häiriölähteisiin ja häiriöiden tukahduttamiskeinoihin.

(E) Vaadi testihenkilöstölle sertifiointi

Osittaiskuormitusmittaus on teknisesti vaativin ja ennustamaton rutinomainen paikan päällä suoritettavista korkeajännitekoetuksista. Kuitenkin virheitä tapahtuu usein. Henkilöstön tulisi suorittaa järjestelmällistä koulutusta perusperiaatteissa, laitteen kytkennässä, komponenttien yhteensopivuudessa, häiriöiden poistamisessa ja osittaiskuormituksen paikanmäärityksessä, ja heidän on saatava sertifikaatti ennen kuin he saavat suorittaa koetukset.

(F) Säännöllinen kalibrointi mittalaitteille

GB7354-2003 määrää, että osittaiskuormitusmittalaitteet on kalibroida vähintään kahdesti vuodessa tai suurten korjausten jälkeen. Käytännössä tätä usein ei noudateta tiukasti, ja joitakin laitteita käytetään vuosia ilman kalibrointia – virheitä, jotka ovat jopa kymmeniä kertoja, on havaittu. Suositellaan, että kalibrointia noudatetaan kansallisten standardien mukaan varmistaaksemme mittauksen tarkkuuden.

(G) Käytä tarvittaessa verkkovalvontaa

Verkkovalvonnan teknologia on parantunut huomattavasti. 750 kV muuntimille, joiden osittaiskuormitus on ylittänyt rajat mutta ei ole kriittisesti korkea, on järkevää käyttää vahvistettua verkkovalvontaa. Lisäksi osittaiskuormituksen lisäksi pitäisi valvoa muita parametreja, kuten lämpötilaa, ytimen ja kiinnityksen maajannittelijän virtaa sekä öljyn kromatografiaa, jotta voidaan arvioida muuntimen terveydentila kattavasti.

VII. Yhteenveto ja näkymä tulevaisuuteen

• Yhteenveto: Olemassa olevat standardit antavat riittämättömiä määritelmiä osittaiskuormituksen synty- ja lopetusjännitteelle, mikä rajoittaa niiden hyödyllisyyttä paikan päällä tehtävien testien ohjeistuksessa. Lanzhou East 750 kV muuntimen eristyksen taso on suhteellisen alhainen, mikä tekee sen osittaiskuormituskoetuksen "quasi-withstand" -testiksi. Vaihe A muuntimeen tehdyn 12 paikan päällä suoritetun osittaiskuormituskoetuksen todennäköisesti aiheutti jonkin verran kumulatiivista eristysstressiä. Tulevaisuudessa 750 kV muuntimilla tulisi olla vähintään 900 kV:n eristystaso.

• Näkymä tulevaisuuteen: Kiinan 1000 kV AC ultra-korkeajännitekuljetuksen tutkimukset ja suunnittelu on suoritettu, ja esimerkkiprojekteja on rakennettavana. Koska 1000 kV muuntimilla on vielä pienempi eristyssävy, on tärkeää aloittaa tutkimukset paikan päällä tehtävistä käyttöönotokokeista varhaisessa vaiheessa, jotta voidaan tarjota teknistä tukea käytännön sovelluksille.