Ensaio PD no local e de resistencia inducida en transformadores de 750 kV: Estudo de caso e recomendacións

I. Introdución

O proxecto de demostración de transmisión e subestación de 750kV Guanting–Lanzhou Este en China foi oficialmente posto en funcionamento o 26 de setembro de 2005. Este proxecto inclúe dúas subestacións—Lanzhou Este e Guanting (cada unha equipada con catro transformadores de 750kV, tres dos cales forman un banco de transformadores trifásico en funcionamento, cun no repouso)—e unha liña de transmisión. Os transformadores de 750kV utilizados no proxecto foron desenvolvidos e fabricados independentemente en China. Durante as probas de comisión no terreo, detectáronse descargas parciais (DP) excesivas no transformador principal da Fase A da Subestación Lanzhou Este. Realizáronse un total de 12 probas de DP antes e despois da comisión. Este artigo analiza os estándares de referencia, procedementos, datos e problemas relacionados cos ensaios de DP deste transformador, e ofrece recomendacións prácticas de enxeñaría para apoiar futuras probas no terreo de transformadores de 750kV e 1000kV.

II. Parámetros Básicos do Transformador

O transformador principal da Subestación Lanzhou Este foi fabricado por Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Os parámetros clave son os seguintes:

• Modelo: ODFPS-500000/750

• Tensión Nominal: AT 750kV, MT (con cambiador de tomas ±2.5%) kV, BT 63kV

• Capacidade Nominal: 500/500/150 MVA

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

• Método de Refrixeración: Circulación forzada de óleo con refrixeración a aire (OFAF)

• Peso do Óleo: 84 toneladas; Peso Total: 298 toneladas

• Nivel de Aislamento do Enrollamento AT: Impulso de onda completa 1950kV, impulso de onda cortada 2100kV, tensión de resistencia inducida a curto prazo 1550kV, tensión de resistencia de frecuencia industrial 860kV

III. Procedemento e Estándares de Prueba

(A) Procedemento de Prueba

Segundo GB1094.3-2003, o procedemento de proba de descargas parciais para transformadores consta de cinco períodos—A, B, C, D e E—con tensións aplicadas especificadas para cada un. A tensión preestrés durante o período C está definida como 1.7 unidades per unit (pu), onde 1 pu = Um/√3 (Um sendo a tensión máxima do sistema). Este valor é lixereiramente inferior ao Um especificado en GB1094.3-1985. Para o transformador Lanzhou Este, Um = 800kV, polo que a tensión preestrés debería ser 785kV.

(B) Requisitos de Tensión de Resistencia

• A tensión de resistencia inducida a curto prazo para o transformador Lanzhou Este é 860kV. Segundo os "Estándares de Prueba de Comisión para Equipamentos Eléctricos UHV de 750kV" da Corporación Estatal de Red Eléctrica de China, a tensión de proba no terreo debe ser o 85% do valor de proba de fábrica, é dicir, 731kV, que é menor que a tensión preestrés requerida de 1.7 pu (785kV).

• Para resolver o conflicto entre a tensión preestrés e a tensión de resistencia de comisión, os estándares relevantes indican que se a tensión preestrés excede o 85% da tensión de resistencia de fábrica, a tensión preestrés real debe acordarse entre o usuario e o fabricante. A "Especificación Técnica para Transformadores Principais de 750kV" especifica explícitamente que a tensión preestrés de proba de DP no terreo é igual ao 85% da tensión de resistencia de fábrica. Como resultado, a tensión preestrés para a proba de DP no terreo do transformador Lanzhou Este foi fixada en 731kV. A medida de DP e a proba de resistencia foron combinadas, coa fase de proba de resistencia servindo como etapa de preestrés da proba de DP.

(C) Critérios de Aceptación para Descargas Parciais

Baixo unha tensión de proba de 1.5 pu, o nivel de descarga parcial do transformador debe ser inferior a 500 pC.

IV. Proceso de Prueba

Dende o 9 de agosto de 2005 ata o 26 de abril de 2006, realizáronse un total de 12 probas de DP no transformador principal da Fase A da Subestación Lanzhou Este. A información clave das probas resúmese a continuación:

En xeral, o nivel de PD da bobina de MV da fase A do transformador principal antes da puesta en servizo fluctuaba entre 600 e 910 pC, superando o criterio de aceptación de 500 pC. No obstante, despois de repetir as probas o 26 de abril de 2006, tras a puesta en servizo, o nivel de PD diminuíu a 280 pC, cumprindo así o requisito.

V. Análise das Probas

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

• Cuestións de Definición: GB7354-2003 e DL417-1991 proporcionan definicións imprecisas de PDIV e PDEV. Por exemplo, o "valor especificado" na definición non está claramente definido — aínda que se asume comúnmente 500pC, isto leva a inconsistencias significativas na aplicación práctica. Ademais, o ruido de fondo durante as probas no terreo adoita alcanzar decenas ou centos de picocoulombs, facendo difícil identificar unha clara inicio de descarga.

• Observacións de Caso: Nas 12 probas de PD realizadas no transformador de fase A de Lanzhou Este, o nivel de PD aumentou gradualmente coa tensión, sen un salto distinto (máximo cambio de paso ~200pC), facendo imposible determinar unha clara PDIV. En algúns ensaios, xa había PD mensurable a baixas voltaxes, dificultando avaliar se a PDIV había diminuído. Ademais, o último estándar nacional GB1094.3-2003 non menciona PDIV ou PDEV, levando a interpretacións e determinacións inconsistentes entre os profesionais.

(B) Localización da Descarga

• Limitacións dos Métodos Comúns: O método ampliamente utilizado de localización de PD por ultrasonidos detecta a diferenza de tempo das ondas ultrasonoras xeradas polas descargas que chegan aos sensores na parede do tanque. No entanto, este método enfrenta retos como a tecnoloxía inmadura, a necesidade de suficiente enerxía de descarga (dentro do rango de sensibilidade do sensor) e a localización inexacta debido a múltiples reflexións e refraccións das ondas ultrasonoras desde as bobinas interiores.

• Resultados de Caso: Durante as probas previas á puesta en servizo, o equipo de localización de PD proporcionou só unha estimación aproximada da localización da descarga. O sistema de monitorización da sala de control non detectou variacións de PD coa tensión, limitando a utilidade dos resultados. Os sistemas de monitorización en liña instalados posteriormente tampouco detectaron cambios relevantes durante a proba do 26 de abril de 2006. Polo tanto, os resultados de localización por ultrasonidos deben ser tratados con precaución cando os niveis de PD son baixos.

(C) Gravedade da Descarga

Aínda que o estándar especifica un límite de 500pC a 1.5 pu, na práctica, non hai diferenzas significativas entre 500pC e 700pC — pertencen ao mesmo orde de magnitude. Ademais, cando o PD está por debaixo de 1000pC, xeralmente non hai trazas visibles de descarga dentro do transformador, e as inspeccións no terreo raras veces revelan anormalidades. Devolver un transformador de 750kV (grande e pesado) á fábrica para reparación implica altos riscos.

VI. Recomendacións

(A) Aumentar o Nivel de Aislamento

A tensión resistida inducida do transformador de Lanzhou Este é relativamente baixa. Considerando a historia curta e a experiencia limitada na fabricación de transformadores de 750kV en China, xunto coa necesidade de probas de PD no terreo, recoméndase que os futuros transformadores principais de 750kV teñan unha tensión resistida inducida non inferior a 900kV.

(B) Relaxar os Criterios de Prueba de PD na Puesta en Servizo no Terreo

No extranxeiro, as probas de PD realizanse estritamente na fábrica, non se repiten no terreo. En China, no entanto, as probas de PD no terreo son un elemento obrigatorio de puesta en servizo. Recoméndase relaxar o criterio de aceptación para as probas de PD no terreo de transformadores de 750kV a menos de 1000pC, polas seguintes razóns:

• Os transformadores con niveis de PD entre 500–1000pC adoitan mostrar unha redución de PD despois dun período de almacenamento ou operación (por exemplo, o transformador de fase A de Lanzhou Este).

• Cando o PD está por debaixo de 1000pC, xeralmente non se atopan trazas visibles de descarga, as inspeccións no terreo raras veces detectan problemas, e devolver a fábrica implica altos riscos.

• As probas de PD no terreo para transformadores de 750kV e 1000kV son efectivamente "probas quasi-resistivas":

• Pequena margen de voltaxe: Para o transformador de Lanzhou Este, a tensión de proba de PD a 1.5 pu (693kV, ±3% de incerteza de medida: 672–714kV) está moi preto da tensión resistida de puesta en servizo de 731kV, deixando só unha margen do 2.4%. Aínda que os futuros transformadores de 750kV tengan unha tensión resistida inducida aumentada a 900kV, a proba de puesta en servizo a 765kV aínda deixa unha margen limitada. De maneira semellante, para os transformadores de 1000kV, a tensión de proba de PD (1.4 pu = 889kV) está moi preto do nivel resistido de 935kV.

• Duración longa: Mentres que a duración estándar de resistencia é só de uns 56 segundos (a unha frecuencia de proba de 108Hz), a proba completa de PD aplica 1.5 pu ata 65 minutos. As probas repetidas poden causar danos acumulativos no aislamento, afectando a vida útil do transformador.

• Hai poucos casos nos que as probas repetidas no terreo reduzan un PD excesivo a niveis aceptables; en cambio, os niveis de PD poden aumentar (por exemplo, o transformador de fase A de Lanzhou Este: 700pC o 10 de agosto de 2005, aumentou a 910pC o 23 de setembro).

(C) Redefinir as Tensións de Inicio e Extinción de Descarga Parcial

Os estándares existentes carecen de definicións claras para PDIV e PDEV, o que pode levar a interpretacións erróneas das probas (como se vexo no caso de Lanzhou Este). Recoméndase redefinir estes termos con criterios numéricos explícitos e incluír orientacións para casos nos que PDIV e PDEV non sexan claramente observables.

(D) Fortalecer a Investigación en Técnicas Prácticas no Terreo

• Recoller os patróns reais de PD dos transformadores: Os patróns de PD máis típicos na literatura proceden de simulacións en laboratorio, que difiren do comportamento real dos transformadores. Os diagramas ilustrativos son insuficientes para guiar o traballo no terreo. É esencial recoller e analizar os patróns de PD do mundo real e compilarlos en manuais de referencia para análise cualitativa e localización.

• Avanzar na investigación antinterferencias: A interferencia externa é un desafío importante nas probas de PD in situ. Os sistemas de medida actuais non poden distinguir entre descargas genuínas e interferencias, dependendo fortemente da experiencia do operador. É necesaria máis investigación sobre as fontes de interferencia e os métodos de supresión.

(E) Requirir certificación para o persoal de probas

A medida de PD é a proba de alta tensión rutinaria in situ máis técnica e imprevisible. No entanto, os erros de xuízo son comúns. O persoal debe recibir formación sistemática en principios fundamentais, conexión de equipos, coincidencia de compoñentes, eliminación de interferencias e localización de PD, e debe obter certificación antes de poder realizar probas.

(F) Calibración regular dos instrumentos de proba

O GB7354-2003 estabelece claramente que os instrumentos de medida de PD deben calibrarse polo menos dúas veces por ano ou despois de reparacións importantes. Na práctica, isto non se segue estritamente, con algúns instrumentos usados durante anos sen calibración—se registraron erros tan altos como decenas de veces. Recoméndase a aplicación estrita da calibración segundo as normas nacionais para asegurar a precisión da medida.

(G) Usar monitorización en liña cando sexa necesario

A tecnoloxía de monitorización en liña mellorou significativamente. Para transformadores de 750kV con niveis de PD que superan os límites pero non son críticamente altos, a monitorización en liña reforzada é un enfoque razoable. Ademais do PD, deben monitorizarse parámetros como a temperatura, a corrente de aterramento do núcleo e do grampo, e a cromatografía do aceite para avaliar comprehensivamente a saúde do transformador.

VII. Conclusión e perspectivas

• Conclusión: As normas existentes proporcionan definicións inadequadas para as voltagems de inicio e extinción de PD, limitando a súa utilidade para guiar as probas in situ. O nivel de aislamento do transformador de 750kV de Lanzhou Este é relativamente baixo, facendo que a súa proba de PD sexa esencialmente unha proba de "quasi-resistencia". As 12 probas de PD in situ no transformador da Fase A probablemente causaron algún estrés acumulado no aislamento. Os futuros transformadores de 750kV deben ter un nivel de aislamento de polo menos 900kV.

• Perspectivas: A investigación e planificación para a transmisión de ultraalta tensión AC de 1000kV en China xa están completadas, e os proxectos de demostración están en construción. Dado o mesmo menor margen de aislamento dos transformadores de 1000kV, a investigación nas probas de puesta en marcha in situ debe iniciarse cedo para proporcionar soporte técnico para as aplicacións prácticas.