Test di PD e resistenza indotta in situ per trasformatori 750kV: studio di caso e raccomandazioni

I. Introduzione

Il progetto dimostrativo di trasmissione e sottostazione a 750kV Guanting–Lanzhou Est in Cina è stato ufficialmente messo in servizio il 26 settembre 2005. Questo progetto comprende due sottostazioni—Lanzhou Est e Guanting (ciascuna dotata di quattro trasformatori a 750kV, tre dei quali formano un banco di trasformatori trifase in funzione, con uno in riserva)—e una linea di trasmissione. I trasformatori a 750kV utilizzati nel progetto sono stati sviluppati e prodotti autonomamente in Cina. Durante i test di messa in servizio sul campo, è stata rilevata una scarica parziale (SP) eccessiva nel trasformatore principale della Fase A della sottostazione Lanzhou Est. Sono stati condotti complessivamente 12 test di SP prima e dopo la messa in servizio. Questo articolo analizza gli standard di riferimento, le procedure, i dati e le questioni relative ai test di SP di questo trasformatore, e offre raccomandazioni pratiche per l'ingegneria per supportare i futuri test sul campo di trasformatori a 750kV e 1000kV.

II. Parametri Fondamentali del Trasformatore

Il trasformatore principale della sottostazione Lanzhou Est è stato prodotto dalla Xi’an XD Transformer Co., Ltd. I parametri chiave sono i seguenti:

• Modello: ODFPS-500000/750

• Tensione Nominal: HV 750kV, MV (con regolatore di tensione ±2.5%) kV, LV 63kV

• Capacità Nominal: 500/500/150 MVA

• Tensione Massima di Funzionamento: 800/363/72.5 kV

• Metodo di Raffreddamento: Circolazione forzata d'olio con raffreddamento ad aria (OFAF)

• Peso dell'Olio: 84 tonnellate; Peso Totale: 298 tonnellate

• Livello di Isolamento Avvolgimento HV: Impulso a onda completa 1950kV, impulso troncato 2100kV, tensione indotta a breve termine 1550kV, tensione di resistenza alla frequenza di rete 860kV

III. Procedura di Test e Standard

(A) Procedura di Test

Secondo GB1094.3-2003, la procedura di test di scarica parziale per i trasformatori consiste in cinque periodi temporali—A, B, C, D ed E—con tensioni applicate specifiche per ciascuno. La tensione pre-sforzo durante il periodo C è definita come 1.7 per unità (pu), dove 1 pu = Um/√3 (Um essendo la tensione massima del sistema). Questo valore è leggermente inferiore a quello di Um specificato in GB1094.3-1985. Per il trasformatore Lanzhou Est, Um = 800kV, quindi la tensione pre-sforzo dovrebbe essere 785kV.

(B) Requisiti di Tensione di Resistenza

• La tensione indotta a breve termine per il trasformatore Lanzhou Est è 860kV. Secondo gli "Standard di Test di Messa in Servizio per Equipaggiamenti Elettrici UHV a 750kV" della State Grid Corporation of China, la tensione di test sul campo dovrebbe essere l'85% del valore di test in fabbrica, cioè 731kV, che è inferiore alla tensione pre-sforzo richiesta di 1.7 pu (785kV).

• Per risolvere il conflitto tra la tensione pre-sforzo e la tensione di resistenza di messa in servizio, gli standard pertinenti stabiliscono che se la tensione pre-sforzo supera l'85% della tensione di resistenza in fabbrica, la tensione pre-sforzo effettiva dovrebbe essere concordata dall'utente e dal produttore. La "Specificazione Tecnica per Trasformatori Principali a 750kV" specifica esplicitamente che la tensione pre-sforzo del test di SP sul campo è uguale all'85% della tensione di resistenza in fabbrica. Di conseguenza, la tensione pre-sforzo per il test di SP sul campo del trasformatore Lanzhou Est è stata fissata a 731kV. Il misuramento di SP e il test di resistenza sono stati combinati, con la fase del test di resistenza che serve come stadio pre-sforzo del test di SP.

(C) Criteri di Accettazione per la Scarica Parziale

Sotto una tensione di test di 1.5 pu, il livello di scarica parziale del trasformatore deve essere inferiore a 500 pC.

IV. Processo di Test

Dal 9 agosto 2005 al 26 aprile 2006, sono stati condotti complessivamente 12 test di SP sul trasformatore principale della Fase A della sottostazione Lanzhou Est. Le informazioni chiave sui test sono riassunte di seguito:

In generale, il livello di PD dell'avvolgimento MV della fase A del trasformatore principale prima della messa in servizio variava tra 600 e 910 pC, superando il criterio di accettazione di 500 pC. Tuttavia, dopo un nuovo test effettuato il 26 aprile 2006, successivamente alla messa in servizio, il livello di PD è sceso a 280 pC, soddisfacendo il requisito.

V. Analisi dei Test

(A) Tensione d'Inizio di Scarica Parziale (PDIV) e Tensione di Estinzione (PDEV)

• Problemi di Definizione: GB7354-2003 e DL417-1991 forniscono definizioni imprecise di PDIV e PDEV. Ad esempio, il "valore specificato" nella definizione non è chiaramente definito - sebbene comunemente si assuma 500 pC, ciò porta a significative incongruenze nell'applicazione pratica. Inoltre, il rumore di fondo durante i test in loco spesso raggiunge decine o centinaia di picocoulomb, rendendo difficile identificare un chiaro inizio di scarica.

• Osservazioni sul Caso: Nei 12 test di PD condotti sul trasformatore della Fase A di Lanzhou Est, il livello di PD è aumentato gradualmente con la tensione, senza un salto distinto (massimo cambiamento di passo ~200 pC), rendendo impossibile determinare una chiara PDIV. In alcuni test, era già presente una PD misurabile a basse tensioni, rendendo difficile valutare se la PDIV fosse diminuita. Inoltre, l'ultimo standard nazionale GB1094.3-2003 non menziona PDIV o PDEV, portando a interpretazioni e determinazioni inconsistenti tra i professionisti.

(B) Localizzazione della Scarica

• Limiti dei Metodi Comuni: Il metodo di localizzazione della PD ultrasonora ampiamente utilizzato rileva la differenza temporale delle onde ultrasonore generate dalle scariche che arrivano ai sensori sulla parete del serbatoio. Tuttavia, questo metodo affronta sfide come la tecnologia immatura, la necessità di un'energia di scarica sufficientemente grande (all'interno della sensibilità del sensore) e una localizzazione inesatta a causa di molteplici riflessioni e rifrazioni delle onde ultrasonore dagli avvolgimenti interni.

• Risultati del Caso: Durante i test pre-messa in servizio, l'equipaggiamento per la localizzazione della PD ha fornito solo una stima approssimativa della posizione della scarica. Il sistema di monitoraggio della sala di controllo non è riuscito a rilevare variazioni della PD con la tensione, limitando l'utilità dei risultati. Anche i sistemi di monitoraggio online installati successivamente non hanno rilevato cambiamenti rilevanti durante il test del 26 aprile 2006. Pertanto, i risultati di localizzazione ultrasonora dovrebbero essere trattati con cautela quando i livelli di PD sono bassi.

(C) Gravità della Scarica

Anche se lo standard specifica un limite di 500 pC a 1.5 pu, in pratica, non c'è una differenza significativa tra 500 pC e 700 pC - appartengono alla stessa ordine di grandezza. Inoltre, quando la PD è inferiore a 1000 pC, tipicamente non c'è traccia visibile di scarica all'interno del trasformatore, e le ispezioni in loco con drenaggio dell'olio raramente rivelano anomalie. Restituire un trasformatore da 750 kV (grande e pesante) in fabbrica per riparazioni comporta rischi elevati.

VI. Raccomandazioni

(A) Aumentare il Livello di Isolamento

La tensione di resistenza indotta del trasformatore di Lanzhou Est è relativamente bassa. Considerando la breve storia e l'esperienza limitata nella produzione di trasformatori da 750 kV in Cina, insieme alla necessità di test di PD in loco, si raccomanda che i futuri trasformatori principali da 750 kV abbiano una tensione di resistenza indotta non inferiore a 900 kV.

(B) Rilassare i Criteri di Test di PD in Locso per la Messa in Servizio

All'estero, i test di PD vengono eseguiti rigorosamente solo in fabbrica, non ripetuti in locso. In Cina, tuttavia, i test di PD in locso sono un elemento obbligatorio per la messa in servizio. Si raccomanda di rilassare il criterio di accettazione per i test di PD in locso dei trasformatori da 750 kV a meno di 1000 pC, per le seguenti ragioni:

• I trasformatori con livelli di PD compresi tra 500–1000 pC spesso mostrano una riduzione della PD dopo un periodo di stoccaggio o funzionamento (ad esempio, il trasformatore della Fase A di Lanzhou Est).

• Quando la PD è inferiore a 1000 pC, non si trovano solitamente tracce visibili di scarica, le ispezioni in locso raramente rilevano problemi e il ritorno in fabbrica comporta rischi elevati.

• I test di PD in locso per trasformatori da 750 kV e 1000 kV sono effettivamente "quasi-test di resistenza":

• Margine di tensione ridotto: Per il trasformatore di Lanzhou Est, la tensione di test di PD a 1.5 pu (693 kV, ±3% di incertezza di misura: 672–714 kV) è molto vicina alla tensione di resistenza di messa in servizio di 731 kV, lasciando solo un margine del 2.4%. Anche se i futuri trasformatori da 750 kV avranno una tensione di resistenza indotta aumentata a 900 kV, il test di messa in servizio a 765 kV lascerà comunque un margine limitato. Analogamente, per i trasformatori da 1000 kV, la tensione di test di PD (1.4 pu = 889 kV) è molto vicina al livello di resistenza di 935 kV.

• Durata prolungata: Sebbene la durata standard di resistenza sia solo di circa 56 secondi (alla frequenza di test di 108 Hz), il test completo di PD applica 1.5 pu per fino a 65 minuti. Ripetere i test può causare danni cumulativi all'isolamento, influenzando la durata del trasformatore.

• Ci sono pochi casi in cui i test in locso ripetuti riducono la PD eccessiva a livelli accettabili; invece, i livelli di PD possono aumentare (ad esempio, il trasformatore della Fase A di Lanzhou Est: 700 pC il 10 agosto 2005, aumentato a 910 pC entro il 23 settembre).

(C) Ridefinire le Tensioni d'Inizio e di Estinzione della PD

Gli standard esistenti mancano di definizioni chiare per PDIV e PDEV, che possono fuorviare l'interpretazione dei test (come visto nel caso di Lanzhou Est). Si raccomanda di ridefinire questi termini con criteri numerici espliciti e includere linee guida per i casi in cui PDIV e PDEV non sono chiaramente osservabili.

(D) Rafforzare la Ricerca su Tecniche Pratiche in Locso

• Raccogliere i modelli reali di PD dei trasformatori: La maggior parte dei modelli di PD tipici nella letteratura proviene da simulazioni in laboratorio, che differiscono dal comportamento reale dei trasformatori. Le diagrammazioni illustrative sono insufficienti per guidare il lavoro sul campo. È essenziale raccogliere e analizzare i modelli di PD del mondo reale e compilarli in manuali di riferimento per l'analisi qualitativa e la localizzazione.

• Avanzare la ricerca anti-interferenza: L'interferenza esterna è una sfida importante nei test PD sul sito. I sistemi di misurazione attuali non possono distinguere tra scariche genuine e interferenze, dipendendo fortemente dall'esperienza dell'operatore. È necessaria ulteriore ricerca sulle fonti di interferenza e sui metodi di soppressione.

(E) Richiedere la certificazione del personale addetto ai test

La misurazione del PD è il test ad alta tensione sul sito più tecnologicamente esigente e imprevedibile. Tuttavia, sono comuni errori di valutazione. Il personale dovrebbe sottoporsi a un addestramento sistematico sui principi fondamentali, la connessione degli strumenti, l'abbinamento dei componenti, l'eliminazione delle interferenze e la localizzazione del PD, e deve ottenere una certificazione prima di poter condurre i test.

(F) Calibrazione regolare degli strumenti di test

La norma GB7354-2003 stabilisce chiaramente che gli strumenti di misurazione del PD devono essere calibrati almeno due volte all'anno o dopo riparazioni importanti. In pratica, questo spesso non viene seguito rigidamente, con alcuni strumenti utilizzati per anni senza calibrazione—si sono registrati errori fino a decine di volte. Si consiglia di applicare rigorosamente la calibrazione secondo le norme nazionali per garantire l'accuratezza della misurazione.

(G) Utilizzare il monitoraggio online quando necessario

La tecnologia di monitoraggio online ha migliorato significativamente. Per i trasformatori a 750kV con livelli di PD superiori ai limiti ma non critici, un monitoraggio online migliorato è un approccio ragionevole. Oltre al PD, dovrebbero essere monitorati parametri come temperatura, corrente di terra del nucleo e del morsetto, e cromatografia dell'olio per una valutazione complessiva dello stato del trasformatore.

VII. Conclusione e prospettive

• Conclusione: Le norme esistenti forniscono definizioni inadeguate per le tensioni di inizio e fine del PD, limitandone l'utilità nella guida dei test sul sito. Il livello di isolamento del trasformatore a 750kV di Lanzhou Est è relativamente basso, rendendo il suo test di PD essenzialmente un "quasi-resistenza". I 12 test di PD sul sito sul trasformatore fase A hanno probabilmente causato qualche stress cumulativo sull'isolamento. I futuri trasformatori a 750kV dovrebbero avere un livello di isolamento di almeno 900kV.

• Prospettive: La ricerca e la pianificazione per la trasmissione ultra-alta tensione AC a 1000kV in Cina sono state completate e i progetti dimostrativi sono in costruzione. Considerando il margine di isolamento ancora più ridotto dei trasformatori a 1000kV, la ricerca sui test di messa in servizio sul sito dovrebbe essere avviata precocemente per fornire supporto tecnico alle applicazioni pratiche.