Étude de cas et recommandations pour le test de tenue induite et de décharge partielle sur site d'un transformateur 750 kV

I. Introduction

Le projet de démonstration de transmission et de sous-station de 750 kV Guanting–Lanzhou Est en Chine a été officiellement mis en service le 26 septembre 2005. Ce projet comprend deux sous-stations, Lanzhou Est et Guanting (chacune équipée de quatre transformateurs de 750 kV, dont trois forment un ensemble triphasé en opération, avec un en réserve), ainsi qu'une ligne de transmission. Les transformateurs de 750 kV utilisés dans le projet ont été développés et fabriqués indépendamment en Chine. Lors des essais de mise en service sur site, un niveau excessif de décharge partielle (DP) a été détecté dans le transformateur principal de la phase A de la sous-station de Lanzhou Est. Un total de 12 essais de DP ont été réalisés avant et après la mise en service. Cet article analyse les normes de référence, les procédures, les données et les problèmes liés aux essais de DP de ce transformateur, et propose des recommandations pratiques d'ingénierie pour soutenir les futurs essais sur site de transformateurs de 750 kV et 1000 kV.

II. Paramètres de base du transformateur

Le transformateur principal de la sous-station de Lanzhou Est a été fabriqué par Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Les paramètres clés sont les suivants :

• Modèle : ODFPS-500000/750

• Tension nominale : HV 750 kV, MV (avec changement de rapport ±2,5 %) kV, LV 63 kV

• Capacité nominale : 500/500/150 MVA

• Tension maximale de fonctionnement : 800/363/72,5 kV

• Méthode de refroidissement : Circulation forcée d'huile avec refroidissement à l'air (OFAF)

• Poids de l'huile : 84 tonnes ; Poids total : 298 tonnes

• Niveau d'isolation de l'enroulement HV : Impulsion pleine onde 1950 kV, impulsion tronquée 2100 kV, tension de tenue induite à court terme 1550 kV, tension de tenue à fréquence industrielle 860 kV

III. Procédure et normes d'essai

(A) Procédure d'essai

Selon la norme GB1094.3-2003, la procédure d'essai de décharge partielle pour les transformateurs comprend cinq périodes - A, B, C, D et E - avec des tensions appliquées spécifiées pour chacune. La tension de précontrainte pendant la période C est définie comme 1,7 unité per unit (pu), où 1 pu = Um/√3 (Um étant la tension système maximale). Cette valeur est légèrement inférieure à celle spécifiée dans la norme GB1094.3-1985. Pour le transformateur de Lanzhou Est, Um = 800 kV, donc la tension de précontrainte devrait être de 785 kV.

(B) Exigences de tension de tenue

• La tension de tenue induite à court terme pour le transformateur de Lanzhou Est est de 860 kV. Selon les "Normes d'essai de mise en service pour l'équipement électrique UHV de 750 kV" de la Société d'État de la Grille, la tension d'essai sur site devrait être de 85 % de la valeur d'essai en usine, soit 731 kV, qui est inférieure à la tension de précontrainte requise de 1,7 pu (785 kV).

• Pour résoudre le conflit entre la tension de précontrainte et la tension de tenue de mise en service, les normes pertinentes stipulent que si la tension de précontrainte dépasse 85 % de la tension de tenue en usine, la tension de précontrainte réelle doit être convenu entre l'utilisateur et le fabricant. La "Spécification technique pour les transformateurs principaux de 750 kV" spécifie explicitement que la tension de précontrainte de l'essai de DP sur site est égale à 85 % de la tension de tenue en usine. Par conséquent, la tension de précontrainte pour l'essai de DP sur site du transformateur de Lanzhou Est a été fixée à 731 kV. La mesure de DP et l'essai de tenue ont été combinés, avec la phase d'essai de tenue servant de phase de précontrainte de l'essai de DP.

(C) Critères d'acceptation pour la décharge partielle

Sous une tension d'essai de 1,5 pu, le niveau de décharge partielle du transformateur doit être inférieur à 500 pC.

IV. Processus d'essai

Du 9 août 2005 au 26 avril 2006, un total de 12 essais de DP ont été réalisés sur le transformateur principal de la phase A de la sous-station de Lanzhou Est. Les informations clés sur l'essai sont résumées ci-dessous :

Dans l'ensemble, le niveau de PD du bobinage MV de la phase A du transformateur principal avant la mise en service se situait entre 600 et 910 pC, dépassant le critère d'acceptation de 500 pC. Cependant, après un nouveau test le 26 avril 2006, suite à la mise en service, le niveau de PD est tombé à 280 pC, répondant ainsi à l'exigence.

V. Analyse des tests

(A) Tension d'apparition de la décharge partielle (PDIV) et tension d'extinction (PDEV)

• Problèmes de définition : Les normes GB7354-2003 et DL417-1991 fournissent des définitions imprécises de la PDIV et de la PDEV. Par exemple, la "valeur spécifiée" dans la définition n'est pas clairement définie - bien que 500 pC soit généralement supposé, cela conduit à des incohérences significatives dans l'application pratique. De plus, le bruit de fond lors des tests sur site atteint souvent des dizaines à des centaines de picocoulombs, rendant difficile l'identification d'un début clair de décharge.

• Observations de cas : Dans les 12 tests de PD effectués sur le transformateur de la phase A de Lanzhou Est, le niveau de PD a augmenté progressivement avec la tension, sans saut distinct (changement maximal d'environ 200 pC), rendant impossible de déterminer une PDIV claire. Dans certains tests, une PD mesurable était déjà présente à des tensions basses, rendant difficile d'évaluer si la PDIV avait diminué. De plus, la dernière norme nationale GB1094.3-2003 ne mentionne ni la PDIV ni la PDEV, ce qui conduit à des interprétations et déterminations incohérentes parmi les praticiens.

(B) Localisation de la décharge

• Limites des méthodes courantes : La méthode d'écholocation ultrasonore largement utilisée pour localiser les décharges partielles détecte la différence de temps des ondes ultrasonores générées par les décharges arrivant aux capteurs sur la paroi du réservoir. Cependant, cette méthode rencontre des défis tels qu'une technologie immature, la nécessité d'une énergie de décharge suffisamment grande (dans la plage de sensibilité du capteur) et une localisation inexacte due à de multiples réflexions et réfractions des ondes ultrasonores à partir des enroulements internes.

• Résultats de cas : Pendant les tests pré-commissionnement, l'équipement de localisation de PD a fourni seulement une estimation approximative de l'emplacement de la décharge. Le système de surveillance de la salle de contrôle n'a pas détecté de variations de PD avec la tension, limitant l'utilité des résultats. Les systèmes de surveillance en ligne installés ultérieurement n'ont également pas détecté de changements pertinents lors du test du 26 avril 2006. Par conséquent, les résultats d'écholocation ultrasonore doivent être traités avec prudence lorsque les niveaux de PD sont faibles.

(C) Gravité de la décharge

Bien que la norme spécifie une limite de 500 pC à 1,5 pu, en pratique, il n'y a pas de différence significative entre 500 pC et 700 pC - ils appartiennent à la même ordre de grandeur. De plus, lorsque la PD est inférieure à 1000 pC, il n'y a généralement pas de trace visible de décharge à l'intérieur du transformateur, et les inspections sur site de vidange d'huile révèlent rarement des anomalies. Le retour d'un transformateur de 750 kV (grand et lourd) à l'usine pour réparation comporte des risques élevés.

VI. Recommandations

(A) Augmenter le niveau d'isolation

La tension de tenue induite du transformateur de Lanzhou Est est relativement faible. Étant donné l'histoire courte et l'expérience limitée dans la fabrication de transformateurs de 750 kV en Chine, ainsi que la nécessité de tests de PD sur site, il est recommandé que les futurs transformateurs principaux de 750 kV aient une tension de tenue induite d'au moins 900 kV.

(B) Assouplir les critères de test de PD sur site pour la mise en service

À l'étranger, les tests de PD sont strictement réalisés uniquement en usine, et non répétés sur site. En Chine, cependant, les tests de PD sur site sont un élément obligatoire de la mise en service. Il est recommandé d'assouplir le critère d'acceptation pour les tests de PD sur site des transformateurs de 750 kV à moins de 1000 pC, pour les raisons suivantes :

• Les transformateurs avec des niveaux de PD entre 500 et 1000 pC montrent souvent une réduction de la PD lors d'un nouveau test après une période de stockage ou de fonctionnement (par exemple, le transformateur de la phase A de Lanzhou Est).

• Lorsque la PD est inférieure à 1000 pC, aucune trace de décharge visible n'est généralement trouvée, les inspections sur site détectent rarement des problèmes, et le retour à l'usine comporte des risques élevés.

• Les tests de PD sur site pour les transformateurs de 750 kV et 1000 kV sont en fait des "tests quasi-de tenue" :

• Marge de tension réduite : Pour le transformateur de Lanzhou Est, la tension de test de PD à 1,5 pu (693 kV, incertitude de mesure ±3% : 672–714 kV) est très proche de la tension de tenue de mise en service de 731 kV, laissant seulement une marge de 2,4%. Même si les futurs transformateurs de 750 kV ont une tension de tenue induite portée à 900 kV, le test de mise en service à 765 kV laisse toujours une marge limitée. De même, pour les transformateurs de 1000 kV, la tension de test de PD (1,4 pu = 889 kV) est très proche du niveau de tenue de 935 kV.

• Durée longue : Bien que la durée standard de tenue ne soit que d'environ 56 secondes (à une fréquence de test de 108 Hz), le test de PD complet applique 1,5 pu pendant jusqu'à 65 minutes. Les tests répétés peuvent causer des dommages cumulatifs à l'isolation, affectant la durée de vie du transformateur.

• Il y a peu de cas où des tests sur site répétés réduisent une PD excessive à des niveaux acceptables ; au contraire, les niveaux de PD peuvent augmenter (par exemple, le transformateur de la phase A de Lanzhou Est : 700 pC le 10 août 2005, augmenté à 910 pC le 23 septembre).

(C) Redéfinir les tensions d'apparition et d'extinction de la décharge partielle

Les normes existantes manquent de définitions claires pour la PDIV et la PDEV, ce qui peut tromper l'interprétation des tests (comme observé dans le cas de Lanzhou Est). Il est recommandé de redéfinir ces termes avec des critères numériques explicites et d'inclure des directives pour les cas où la PDIV et la PDEV ne sont pas clairement observables.

(D) Renforcer la recherche sur les techniques pratiques sur site

• Collecter des modèles réels de PD de transformateur: La plupart des modèles de PD typiques dans la littérature proviennent de simulations en laboratoire, qui diffèrent du comportement réel des transformateurs. Les diagrammes illustratifs sont insuffisants pour guider les travaux sur le terrain. Il est essentiel de collecter et d'analyser des modèles de PD du monde réel et de les compiler en manuels de référence pour l'analyse qualitative et la localisation.

• Faire progresser la recherche anti-interférences: L'interférence externe est un défi majeur lors des tests de PD sur site. Les systèmes de mesure actuels ne peuvent pas distinguer entre les décharges authentiques et les interférences, s'appuyant fortement sur l'expérience de l'opérateur. Plus de recherches sont nécessaires sur les sources d'interférences et les méthodes de suppression.

(E) Exiger une certification pour le personnel de test

La mesure de PD est la plus exigeante et imprévisible des tests haute tension de routine sur site. Cependant, les erreurs de jugement sont courantes. Le personnel doit suivre une formation systématique sur les principes fondamentaux, le câblage des équipements, l'ajustement des composants, l'élimination des interférences et la localisation de PD, et doit obtenir une certification avant d'être autorisé à effectuer des tests.

(F) Étalonner régulièrement les instruments de test

La norme GB7354-2003 stipule clairement que les instruments de mesure de PD doivent être étalonnés au moins deux fois par an ou après des réparations majeures. En pratique, cela n'est souvent pas strictement suivi, certains instruments étant utilisés pendant des années sans étalonnage—des erreurs allant jusqu'à plusieurs dizaines de fois ont été enregistrées. Il est recommandé de respecter strictement l'étalonnage selon les normes nationales pour assurer la précision des mesures.

(G) Utiliser la surveillance en ligne lorsque nécessaire

La technologie de surveillance en ligne s'est considérablement améliorée. Pour les transformateurs de 750kV avec des niveaux de PD dépassant les limites mais non critiques, une surveillance en ligne renforcée est une approche raisonnable. En plus du PD, des paramètres tels que la température, le courant de terre du noyau et du serre-câble, et la chromatographie de l'huile devraient être surveillés pour évaluer de manière complète la santé du transformateur.

VII. Conclusion et perspectives

• Conclusion: Les normes existantes fournissent des définitions insuffisantes pour les tensions d'apparition et d'extinction de PD, limitant leur utilité pour guider les tests sur site. Le niveau d'isolation du transformateur de 750kV de l'Est de Lanzhou est relativement bas, rendant son test de PD essentiellement un test de "quasi-résistance". Les 12 tests de PD sur site sur le transformateur de phase A ont probablement causé un certain stress cumulatif sur l'isolation. Les futurs transformateurs de 750kV devraient avoir un niveau d'isolation d'au moins 900kV.

• Perspectives: La recherche et la planification pour la transmission ultra-haute tension AC de 1000kV en Chine ont été complétées, et des projets pilotes sont en cours de construction. Étant donné la marge d'isolation encore plus faible des transformateurs de 1000kV, la recherche sur les tests de mise en service sur site devrait être initiée tôt afin de fournir un soutien technique pour les applications pratiques.