Isprobavanje PD i izazvane izdržljivosti transformatora od 750 kV na terenu: Studija slučaja i preporuke

I. Uvod

Projekt demonstracije prijenosa i podstacijske stanice Guanting–Lanzhou Istok na 750 kV u Kini zvanično je uveden u operaciju 26. rujna 2005. Taj projekt uključuje dvije podstacijske stanicu – Lanzhou Istok i Guanting (svaka opremljena četiri transformatora od 750 kV, od kojih tri formiraju banku trofaznih transformatora u operaciji, s jednim na čekanju) – te jednu prijenosnu liniju. Transformatori od 750 kV koji su koristeni u projektu samostalno su razvijeni i proizvedeni u Kini. Tijekom testova komisije na terenu, otkriven je prekomjerni djelomični ispit (PD) u glavnom transformatoru faze A na podstacijskoj stanici Lanzhou Istok. Ukupno je provedeno 12 testova PD prije i poslije komisije. Ovaj rad analizira referentne standarde, postupke, podatke i pitanja vezana uz teste PD ovog transformatora, te nudi praktične inženjerske preporuke za podršku budućim testovima na terenu transformatora od 750 kV i 1000 kV.

II. Osnovni parametri transformatora

Glavni transformator na podstacijskoj stanici Lanzhou Istok proizveden je tvrtkom Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Ključni parametri su sljedeći:

• Model: ODFPS-500000/750

• Nominirana naponska razina: HV 750 kV, MV (s ±2,5% stupanjem promjene naponske razine) kV, LV 63 kV

• Nominirana snaga: 500/500/150 MVA

• Maksimalna radna naponska razina: 800/363/72,5 kV

• Metoda hlađenja: prisilna cirkulacija ulja s zračnim hlađenjem (OFAF)

• Težina ulja: 84 tona; ukupna težina: 298 tona

• Razina izolacije HV viti: punovalni impulz 1950 kV, prekidanik vala 2100 kV, kratkotrajno inducirano izdržljivo napona 1550 kV, izdržljivo napona strujnog frekvencija 860 kV

III. Postupak i standardi testiranja

(A) Postupak testiranja

Prema GB1094.3-2003, postupak testiranja djelomičnog ispita transformatora sastoji se od pet vremenskih razdoblja – A, B, C, D i E – s određenim primjenjenim naponima za svako. Prednaponski napon tijekom razdoblja C definiran je kao 1,7 per unit (pu), gdje 1 pu = Um/√3 (Um je maksimalni sustavski napon). Ova vrijednost je nešto niža od Um definiranog u GB1094.3-1985. Za transformator Lanzhou Istok, Um = 800 kV, pa bi prednaponski napon trebao biti 785 kV.

(B) Zahtjevi za izdržljivim naponom

• Kratkotrajno inducirano izdržljivo napona za transformator Lanzhou Istok iznosi 860 kV. Prema "Standardima testiranja prije uvođenja u promet 750 kV UHV elektroenergetskog opreme" državnog električnog sustava Kine, testni napon na terenu treba biti 85% fabrične testne vrijednosti, tj. 731 kV, što je manje od potrebnog prednaponskog napon od 1,7 pu (785 kV).

• Za rješavanje sukoba između prednaponskog napon i izdržljivog napon prije uvođenja u promet, relevantni standardi navode da ako prednaponski napon prelazi 85% fabričnog izdržljivog napon, stvarni prednaponski napon treba dogovoriti između korisnika i proizvođača. "Tehnički specifikacije za glavne transformatore od 750 kV" eksplicitno navode da prednaponski napon za PD test na terenu jednak je 85% fabričnog izdržljivog napon. Stoga je prednaponski napon za PD test na terenu transformatora Lanzhou Istok postavljen na 731 kV. Mjerenje PD i test izdržljivosti su kombinirani, s fazom testa izdržljivosti koja služi kao prednaponska faza PD testa.

(C) Kriteriji prihvaćanja za djelomični ispit

Pod testnim naponom od 1,5 pu, razine djelomičnog ispita transformatora moraju biti manje od 500 pC.

IV. Postupak testiranja

Od 9. kolovoza 2005. do 26. travnja 2006. ukupno je provedeno 12 PD testova na glavnom transformatoru faze A na podstacijskoj stanici Lanzhou Istok. Ključne informacije o testu su sažete u nastavku:

Ukupno, razine parcijalne raznove (PD) u MV vikovi faze A glavnog transformatora prije komisije bile su između 600 i 910 pC, premašujući kriterij od 500 pC. Međutim, nakon ponovnog testiranja 26. travnja 2006. godine, nakon komisije, razine PD padle su na 280 pC, što ispunjava zahtjev.

V. Analiza testa

(A) Napetost inicijacije parcijalne raznove (PDIV) i napetost zanikanja (PDEV)

• Problemi s definicijom: GB7354-2003 i DL417-1991 daju ne precizne definicije PDIV i PDEV. Na primjer, "određena vrijednost" u definiciji nije jasno definirana - iako se obično pretpostavlja 500 pC, to dovodi do značajnih neslaganja u praktičnoj primjeni. Također, pozadinski šum tijekom testova na terenu često doseže desetke do stotine pikokulomba, što teško otkriva jasan početak raznove.

• Nabavljene promatranja: U 12 PD testova provedenih na transformatoru faze A u Istočnom Lanzhou, razine PD postupno su porasle s napetosti, bez izraženog skoka (maksimalna korak promjene ~200 pC), što je činilo nemogućim određivanje jasne PDIV. U nekim testovima, merljive PD bile su već prisutne na niskim napetostima, što je činilo teškim procjeniti je li PDIV opala. Nadalje, najnoviji nacionalni standard GB1094.3-2003 ne spominje PDIV ili PDEV, što dovodi do neslaganja u tumačenju i određivanju među stručnjacima.

(B) Lokalizacija raznove

• Ograničenja uobičajenih metoda: Široko korištena metoda ultrazvučne lokalizacije PD otkriva razliku u vremenu dolaska ultrazvučnih valova generiranih raznovima do senzora na zidu rezervoara. Međutim, ova metoda suočava se s izazovima poput nedospijele tehnologije, potrebe za dovoljno velikom energijom raznove (unutar opsega osjetljivosti senzora) i netočnom lokalizacijom zbog višestrukih refleksija i loma ultrazvučnih valova s unutrašnjih vikova.

• Rezultati slučaja: Tijekom testova prije komisije, oprema za lokalizaciju PD pružila je samo približnu procjenu lokacije raznove. Sustav nadzora u kontrolnoj sobi nije otkrio varijacije PD s napetosti, ograničavajući korisnost rezultata. Kasnije instalirani sustavi za online nadzor također nisu otkrili relevantne promjene tijekom testa 26. travnja 2006. Stoga, rezultati ultrazvučne lokalizacije trebaju se tretirati s oprezom kada su razine PD niske.

(C) Težina raznove

Iako standard propisuje granicu od 500 pC na 1.5 pu, u praksi nema značajne razlike između 500 pC i 700 pC - oni pripadaju istom redoslijedu veličine. Također, kada je PD ispod 1000 pC, obično ne postoje vidljivi tragovi raznove unutar transformatora, a inspekcije na terenu rijetko otkrivaju nepravilnosti. Vraćanje 750 kV transformatora (velikog i teškog) u tvornicu za popravak nosi visoke rizike.

VI. Preporuke

(A) Povećanje razine izolacije

Inducirana izdržljiva napetost transformatora u Istočnom Lanzhou relativno je niska. Uzimajući u obzir kratku povijest i ograničeno iskustvo u proizvodnji domaćih 750 kV transformatora, kao i nužnost provođenja PD testova na terenu, preporučuje se da budući 750 kV glavni transformatori imaju induciranu izdržljivu napetost od najmanje 900 kV.

(B) Oprostiti kriterije za PD testove prije komisije na terenu

Vanjski, PD testovi strogo se obavljaju samo u tvornici, a ne ponavljaju se na terenu. U Kini, međutim, PD testiranje na terenu je obavezni element komisije. Preporučuje se oprostiti kriterije za prihvatljivost PD testova na terenu za 750 kV transformatore na manje od 1000 pC, iz sljedećih razloga:

• Transformatori s razinama PD između 500-1000 pC često pokazuju smanjene razine PD nakon ponovnog testiranja nakon razdoblja skladištenja ili operacije (na primjer, transformator faze A u Istočnom Lanzhou).

• Kada je PD ispod 1000 pC, obično se ne pronalaze vidljivi tragovi raznove, inspekcije na terenu rijetko otkrivaju probleme, a vraćanje u tvornicu nosi visoke rizike.

• PD testovi na terenu za 750 kV i 1000 kV transformatore su u suštini "kvazi-izdržljivi testovi":

• Mali margine napetosti: Za transformator u Istočnom Lanzhou, PD testna napetost na 1.5 pu (693 kV, ±3% neizvjesnosti mjerenja: 672-714 kV) vrlo je blizu komisije izdržljive napetosti od 731 kV, ostavljajući samo 2.4% margine. Čak i ako budući 750 kV transformatori imaju induciranu izdržljivu napetost povećanu na 900 kV, komisija test na 765 kV i dalje ostavlja ograničene margine. Slično tome, za 1000 kV transformatore, PD testna napetost (1.4 pu = 889 kV) vrlo je blizu 935 kV izdržljive razine.

• Dugačko trajanje: Dok je standardno izdržljivo trajanje samo oko 56 sekundi (na frekvenciji testa od 108 Hz), cijeli PD test primjenjuje 1.5 pu do 65 minuta. Ponovljeno testiranje može uzrokovati akumulativnu štetu izolaciji, utjecajući na životni vijek transformatora.

• Postoji malo slučajeva gdje se ponovljenim testiranjem na terenu prekomjerne razine PD smanjuju na prihvatljive razine; umjesto toga, razine PD mogu porasti (na primjer, transformator faze A u Istočnom Lanzhou: 700 pC 10. kolovoza 2005., povećano na 910 pC do 23. rujna).

(C) Redefinirati PDIV i PDEV

Postojeći standardi nedostaju jasne definicije za PDIV i PDEV, što može dovesti do pogrešnog tumačenja testova (kao što je vidljivo u slučaju Istočnog Lanzhou). Preporučuje se redefinirati ove pojmove s eksplicitnim numeričkim kriterijima i uključiti smjernice za slučajeve kada PDIV i PDEV nisu jasno vidljivi.

(D) Jačanje istraživanja praktičnih tehnik na terenu

• Sakupljanje stvarnih uzoraka PD transformatora: Većina tipičnih uzoraka PD-a u literaturi dolazi iz laboratorijskih simulacija, koje se razlikuju od stvarnog ponašanja transformatora. Ilustrativni dijagrami nisu dovoljni za vodjenje terenskih radova. Važno je sakupiti i analizirati stvarne uzorke PD-a te ih kompajlirati u referentne priručnike za kvalitativnu analizu i lokalizaciju.

• Napredovanje istraživanja o suzbijanju interferencije: Vanjska interferencija predstavlja veliku prepreku u terenskom testiranju PD. Trenutni sustavi mjerenja ne mogu razlikovati između stvarnih isprskavanja i interferencije, te se značajno oslanjaju na iskustvo operatera. Potrebno je više istraživanja o izvorima interferencije i metoda njihovog suzbijanja.

(E) Potreba za sertifikacijom osoblja za testiranje

Mjerenje PD-a je tehnički najzahtjevniji i najnepredvidiviji od redovitih visokonaponskih testova na terenu. Ipak, pogrešne procjene su česte. Osoblje treba podići na sistematsko obuku o temeljnim principima, priključivanju opreme, usklađivanju komponenti, eliminaciji interferencije i lokalizaciji PD, te mora dobiti sertifikaciju prije nego što mu se dopušta provođenje testova.

(F) Redovito kalibriranje mjernih instrumenta

GB7354-2003 jasno navodi da mjerni instrumenti za PD moraju biti kalibrirani barem dvaput godišnje ili nakon velikih popravaka. U praksi, to se često ne strogo prati, s nekim instrumentima koji se koriste godinama bez kalibracije—zabilježeni su greške do deset puta veće. Preporučljivo je strogo primijeniti kalibraciju prema nacionalnim standardima kako bi se osigurala točnost mjerenja.

(G) Korištenje online nadzora kad je potrebno

Tehnologija online nadzora značajno se poboljšala. Za 750kV transformatore s razinama PD-a koje prelaze granice, ali nisu kritično visoke, pojačani online nadzor je razuman pristup. Osim PD, trebalo bi pratiti parametre kao što su temperatura, struja zemljenja jezgra i klipa, te hromatografija ulja kako bi se kompleksno procijenilo zdravlje transformatora.

VII. Zaključak i perspektiva

• Zaključak: Postojeći standardi daju nedovoljno definicija za napone nastanka i nestanka PD-a, ograničavajući njihovu korisnost u vodjenju terenskih testova. Razine izolacije transformatora Lanzhou Istok 750kV su relativno niske, čime se njegov test PD-a pretvara u "kvazi-otpornost" test. 12 terenskih testova PD-a na transformatoru faze A vjerojatno su izazvale neku akumulativnu stres izolacije. Budući 750kV transformatori trebali bi imati razine izolacije od najmanje 900kV.

• Perspektiva: Istraživanja i planiranje za 1000kV AC ultra-visokonaponski prijenos u Kini su završena, a demonstracijski projekti su u izgradnji. S obzirom na još manju maržu izolacije 1000kV transformatora, istraživanja o terenskim komisionirajućim testovima trebala bi se započeti unaprijed kako bi se pružila tehnička podrška za praktičnu upotrebu.