750kV Transformatortest ter plaatse voor PD en geïnduceerde spanning: Casestudy en aanbevelingen

I. Inleiding

Het demonstratieproject voor de 750kV-transmissie en -onderstation Guanting–Lanzhou Oost in China werd officieel in gebruik genomen op 26 september 2005. Dit project omvat twee onderstations—Lanzhou Oost en Guanting (ieder uitgerust met vier 750kV-transformatoren, waarvan drie in bedrijf als een driefase transformatorenblok, met één in reserve)—en één transmissielijn. De 750kV-transformatoren die in het project werden gebruikt, werden onafhankelijk ontwikkeld en vervaardigd in China. Tijdens de ter plaatse uitgevoerde inbedrijfstellingstests werd een te hoge partiële ontlading (PO) gedetecteerd in de hoofdtransformatoren fase A van het onderstation Lanzhou Oost. In totaal werden 12 PO-tests uitgevoerd voor en na de inbedrijfstelling. Dit artikel analyseert de referentienormen, procedures, gegevens en problemen die verband houden met de PO-tests van deze transformatoren, en biedt praktische ingenieursadviezen om toekomstige ter plaatse tests van 750kV- en 1000kV-transformatoren te ondersteunen.

II. Basisparameters van de transformatoren

De hoofdtransformator van het onderstation Lanzhou Oost werd vervaardigd door Xi’an XD Transformer Co., Ltd. De belangrijkste parameters zijn als volgt:

• Model: ODFPS-500000/750

• Nominale spanning: HV 750kV, MV (met ±2,5% tapschakelaar) kV, LV 63kV

• Nominale capaciteit: 500/500/150 MVA

• Maximale werkingsspanning: 800/363/72,5 kV

• Koelmethode: Gedwongen oliecirculatie met luchtcooling (OFAF)

• Oliengewicht: 84 ton; Totaal gewicht: 298 ton

• Isolatieniveau van de HV-wikkeling: Volgolfimpuls 1950kV, afgekapt golfimpuls 2100kV, kortdurende geïnduceerde weerstandsspanning 1550kV, netfrequentie weerstandsspanning 860kV

III. Testprocedure en normen

(A) Testprocedure

Volgens GB1094.3-2003 bestaat de testprocedure voor partiële ontlading bij transformatoren uit vijf tijdsperioden—A, B, C, D en E—met gespecificeerde aangebrachte spanningen voor elke periode. De voorbelastingspanning tijdens de C-periode is gedefinieerd als 1,7 per unit (pu), waarbij 1 pu = Um/√3 (Um staat voor de maximale systeemspanning). Deze waarde is iets lager dan de Um gespecificeerd in GB1094.3-1985. Voor de transformator van Lanzhou Oost is Um = 800kV, dus de voorbelastingspanning zou 785kV moeten zijn.

(B) Spanningsweerstandsvereisten

• De kortdurende geïnduceerde weerstandsspanning voor de transformator van Lanzhou Oost is 860kV. Volgens de "Inbedrijfstellingstestnormen voor 750kV UHV-elektrische apparatuur" van de State Grid Corporation of China, moet de ter plaatse geteste spanning 85% van de fabriekstestwaarde zijn, dat wil zeggen 731kV, wat minder is dan de vereiste voorbelastingspanning van 1,7 pu (785kV).

• Om het conflict tussen de voorbelastingspanning en de inbedrijfstellingsspanning op te lossen, stellen relevante normen dat indien de voorbelastingspanning 85% van de fabrieksweerstandsspanning overschrijdt, de daadwerkelijke voorbelastingspanning door de gebruiker en de fabrikant overeenkomstig moet worden vastgesteld. De "Technische specificatie voor 750kV-hoofdtransformatoren" specificeert expliciet dat de ter plaatse PO-test voorbelastingspanning gelijk is aan 85% van de fabrieksweerstandsspanning. Daarom werd de voorbelastingspanning voor de ter plaatse PO-test van de transformator van Lanzhou Oost ingesteld op 731kV. De PO-meting en de weerstandstest werden gecombineerd, met de weerstandstestfase als de voorbelastingsfase van de PO-test.

(C) Acceptatiecriteria voor partiële ontlading

Bij een testspanning van 1,5 pu moet het niveau van partiële ontlading van de transformator minder dan 500 pC zijn.

IV. Testproces

Van 9 augustus 2005 tot 26 april 2006 werden in totaal 12 PO-tests uitgevoerd op de hoofdtransformator fase A van het onderstation Lanzhou Oost. Belangrijke testinformatie wordt hieronder samengevat:

Algemeen genomen varieerde het PD-niveau van de MV-wikkeling van de hoofdtransformatoren fase A voor de inbedrijname tussen 600 en 910 pC, wat de acceptatiecriterium van 500 pC overschreed. Na hercontrole op 26 april 2006, na de inbedrijname, daalde het PD-niveau echter tot 280 pC, waarmee aan de eis werd voldaan.

V. Testanalyse

(A) Inslagspanning van partiële ontlading (PDIV) en uitdovingspanning (PDEV)

• Definitieproblemen: GB7354-2003 en DL417-1991 geven onnauwkeurige definities van PDIV en PDEV. Bijvoorbeeld, de "gespecificeerde waarde" in de definitie is niet duidelijk gedefinieerd - hoewel 500 pC vaak wordt aangenomen, leidt dit tot significante inconsistenties in de praktijk. Bovendien bereikt de achtergrondruis tijdens ter plaatse uitgevoerde tests vaak tientallen tot honderden picocoulombs, waardoor het moeilijk is om een duidelijke inslag van de ontlading te identificeren.

• Gevalobservaties: Tijdens de 12 PD-tests die werden uitgevoerd op de transformatoren fase A van Lanzhou Oost, nam het PD-niveau geleidelijk toe met de spanning, zonder een duidelijke sprong (maximale stapverandering ~200 pC), waardoor het onmogelijk was om een duidelijke PDIV vast te stellen. In sommige tests was meetbare PD al aanwezig bij lage spanningen, waardoor het moeilijk was om te beoordelen of de PDIV was afgenomen. Bovendien vermeldt de nieuwste nationale standaard GB1094.3-2003 PDIV of PDEV niet, wat leidt tot inconsistente interpretatie en bepaling onder professionals.

(B) Lokalisatie van de ontlading

• Beperkingen van algemene methoden: De wijdverspreide ultrageluidsmethode voor de lokalisatie van partiële ontlading detecteert het tijdsverschil van ultrageluidsgolven die door ontladingen worden geproduceerd en die aankomen bij sensoren op de tankwand. Deze methode stuit echter op uitdagingen zoals onvolwassen technologie, vereiste voor voldoende grote ontladingsenergie (binnen het sensitiviteitsbereik van de sensor) en onnauwkeurige lokalisatie wegens meervoudige reflecties en brekingen van ultrageluidsgolven van de binnenwikkelingen.

• Gevalresultaten: Tijdens de voor-inbedrijname tests gaf de PD-lokalisatieapparatuur slechts een ruwe schatting van de ontladingslocatie. Het controlekameremonitoringsysteem slaagde er niet in om variaties in PD met de spanning te detecteren, waardoor de bruikbaarheid van de resultaten beperkt was. Later geïnstalleerde online monitoringsystemen slaagden ook niet in het detecteren van relevante veranderingen tijdens de test op 26 april 2006. Daarom moeten ultrageluidslokalisatieresultaten voorzichtig worden behandeld wanneer de PD-niveaus laag zijn.

(C) Ernst van de ontlading

Hoewel de norm een limiet van 500 pC opstelt bij 1,5 pu, is er in de praktijk geen significant verschil tussen 500 pC en 700 pC - ze behoren tot dezelfde orde van grootte. Bovendien is er doorgaans geen zichtbaar ontladingspatroon binnen de transformatoren wanneer PD onder 1000 pC ligt, en plaatselijke olie-afvoerinspekteurs ontdekken zelden afwijkingen. Het terugbrengen van een 750 kV-transformator (groot en zwaar) naar de fabriek voor reparatie draagt hoge risico's met zich mee.

VI. Aanbevelingen

(A) Verhoog het isolatieniveau

De geïnduceerde weerstandsspanning van de Lanzhou Oost-transformator is relatief laag. Gezien de korte geschiedenis en beperkte ervaring met de productie van 750 kV-transformators in China, en de noodzaak van ter plaatse uitgevoerde PD-tests, wordt aanbevolen dat toekomstige 750 kV-hoofdtransformatoren een geïnduceerde weerstandsspanning van ten minste 900 kV hebben.

(B) Verslap de ter plaatse inbedrijname PD-testcriteria

Buitenlandse PD-tests worden strikt alleen in de fabriek uitgevoerd, niet herhaald ter plaatse. In China echter is ter plaatse PD-testing een verplicht inbedrijname-item. Het wordt aanbevolen om de acceptatiecriterium voor ter plaatse PD-tests van 750 kV-transformators te verslappen tot minder dan 1000 pC, om de volgende redenen:

• Transformators met PD-niveaus tussen 500-1000 pC tonen vaak verminderde PD na hercontrole na een periode van opslag of bedrijf (bijvoorbeeld de Lanzhou Oost-fase A-transformator).

• Wanneer PD onder 1000 pC ligt, worden er doorgaans geen zichtbare ontladingspatronen gevonden, plaatselijke inspecties ontdekken zelden problemen, en het terugbrengen naar de fabriek draagt hoge risico's met zich mee.

• Ter plaatse PD-tests voor 750 kV en 1000 kV-transformators zijn effectief "quasi-weerstandstests":

• Kleine spanningsmarge: Voor de Lanzhou Oost-transformator is de PD-testspanning bij 1,5 pu (693 kV, ±3% meetonzekerheid: 672-714 kV) zeer dicht bij de inbedrijname weerstandsspanning van 731 kV, wat slechts een marge van 2,4% laat. Zelfs als toekomstige 750 kV-transformators een geïnduceerde weerstandsspanning van 900 kV krijgen, laat de inbedrijname test bij 765 kV nog steeds een beperkte marge. Op vergelijkbare wijze, voor 1000 kV-transformators, is de PD-testspanning (1,4 pu = 889 kV) zeer dicht bij het 935 kV-weerstands niveau.

• Lange duur: Hoewel de standaard weerstandsduur slechts ongeveer 56 seconden is (bij 108 Hz testfrequentie), wordt de volledige PD-test 1,5 pu gedurende maximaal 65 minuten toegepast. Herhaalde tests kunnen cumulatieve isolatieschade veroorzaken, wat de levensduur van de transformator kan beïnvloeden.

• Er zijn weinig gevallen waarbij herhaalde ter plaatse tests excessieve PD reduceren tot aanvaardbare niveaus; in plaats daarvan kunnen PD-niveaus toenemen (bijvoorbeeld de Lanzhou Oost-fase A-transformator: 700 pC op 10 augustus 2005, toenam tot 910 pC op 23 september).

(C) Herdefinieer de inslag- en uitdovingspanningen van partiële ontlading

Bestaande normen missen duidelijke definities voor PDIV en PDEV, wat kan leiden tot misleidende testinterpretaties (zoals gezien in het Lanzhou Oost-geval). Het wordt aanbevolen deze termen te herdefiniëren met expliciete numerieke criteria en richtlijnen op te nemen voor gevallen waar PDIV en PDEV niet duidelijk waarneembaar zijn.

(D) Versterk het onderzoek naar praktische ter plaatse technieken

• Verzamel echte transformator PD patronen: De meeste typische PD patronen in de literatuur komen uit laboratoriumsimulaties, die afwijken van het gedrag van echte transformatoren. Illustratieve diagrammen zijn ontoereikend voor het leiden van veldwerk. Het is essentieel om echte PD patronen te verzamelen en te analyseren en deze te bundelen in referentiehandleidingen voor kwalitatieve analyse en localisatie.

• Voer onderzoek naar anti-interferentie uit: Externe interferentie is een belangrijke uitdaging bij on-site PD-tests. Huidige meetsystemen kunnen niet onderscheiden tussen echte ontladingen en interferentie, waardoor er sterk wordt vertrouwd op de ervaring van de operator. Meer onderzoek is nodig naar bronnen van interferentie en methoden om deze te onderdrukken.

(E) Vereis certificering voor testpersoneel

PD-meting is de technisch meest veeleisende en onvoorspelbare van de routine on-site hoogspanningsproeven. Echter, foute oordelen komen vaak voor. Personeel moet systematisch worden getraind in fundamentele principes, bedrading van apparatuur, componentenmatch, eliminatie van interferentie en PD-localisatie, en moet certificering verkrijgen voordat ze toegestaan worden om tests uit te voeren.

(F) Reguliere kalibratie van testapparatuur

GB7354-2003 stelt duidelijk dat PD-meetapparatuur ten minste twee keer per jaar of na grote reparaties gekalibreerd moet worden. In de praktijk wordt dit vaak niet strikt nageleefd, waarbij sommige instrumenten jarenlang zonder kalibratie worden gebruikt—fouten tot wel tientallen malen zijn geregistreerd. Het is aanbevolen om streng volgens nationale normen kalibratie af te dwingen om de meetnauwkeurigheid te waarborgen.

(G) Gebruik online monitoring indien nodig

Online monitoringtechnologie is aanzienlijk verbeterd. Voor 750kV-transformatoren met PD-niveaus die de limieten overschrijden maar niet kritisch hoog zijn, is versterkte online monitoring een redelijke benadering. Naast PD moeten parameters zoals temperatuur, kern- en klamp-aardingstroom en oliechromatografie worden gecontroleerd om de gezondheid van de transformer alomvattend te beoordelen.

VII. Conclusie en uitblik

• Conclusie: Bestaande normen geven onvoldoende definities voor PD-inceptie- en uitdovingspanningen, waardoor hun nut voor het leiden van on-site tests beperkt is. Het isolatieniveau van de 750kV-transformator in Oost-Lanzhou is relatief laag, waardoor de PD-test in wezen een "quasi-draagkracht" test is. De 12 on-site PD-tests op de fase A-transformator hebben waarschijnlijk enige cumulatieve isolatiestress veroorzaakt. Toekomstige 750kV-transformatoren zouden een isolatieniveau van ten minste 900kV moeten hebben.

• Uitblik: Onderzoek en planning voor Chinas 1000kV AC ultra-hoge spanningsoverbrenging zijn voltooid, en demonstratieprojecten zijn in aanbouw. Gezien de nog kleinere isolatiemarge van 1000kV-transformatoren, zou onderzoek naar on-site inbedrijfstellingstests vroeg moeten worden gestart om technische ondersteuning te bieden voor praktische toepassingen.