750kV transformator – badania PD i wytrzymałościowe na miejscu: studium przypadku i rekomendacje

I. Wprowadzenie

Chiński projekt demonstracyjny przesyłania i podstacji 750kV Guanting–Lanzhou Wschodni został oficjalnie uruchomiony 26 września 2005 roku. Ten projekt obejmuje dwie podstacje – Lanzhou Wschodni i Guanting (każda wyposażona w cztery transformatory 750kV, z których trzy tworzą bank trójfazowych transformatorów w eksploatacji, a jeden jest rezerwowy) – oraz jedną linię przesyłową. Transformatory 750kV użyte w projekcie zostały niezależnie opracowane i wyprodukowane w Chinach. Podczas testów komisjonujących na miejscu wykryto nadmierny rozproszone wysyp (PD) w fazie A głównego transformatora na podstacji Lanzhou Wschodni. Przeprowadzono łącznie 12 testów PD przed i po komisji. Niniejszy artykuł analizuje odniesienia, procedury, dane i problemy związane z testami PD tego transformatora, a także oferuje praktyczne inżynieryjne rekomendacje wspierające przyszłe testy na miejscu transformatorów 750kV i 1000kV.

II. Podstawowe parametry transformatora

Główny transformator na podstacji Lanzhou Wschodni został wyprodukowany przez Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Kluczowe parametry są następujące:

• Model: ODFPS-500000/750

• Napięcie nominalne: Wysokie napięcie (W) 750kV, Średnie napięcie (Ś) (z przełącznikiem odcinkowym ±2,5%) kV, Niskie napięcie (N) 63kV

• Moc nominalna: 500/500/150 MVA

• Maksymalne napięcie pracy: 800/363/72,5 kV

• Metoda chłodzenia: Zmuszona cyrkulacja oleju z powietrznym chłodzeniem (OFAF)

• Waga oleju: 84 tony; Całkowita waga: 298 ton

• Poziom izolacji zwinięcia WN: Pełna fala impulsowa 1950kV, skrócona fala impulsowa 2100kV, krótkotrwała wytrzymałość na napięcie indukcyjne 1550kV, wytrzymałość na napięcie sieciowe 860kV

III. Procedura i normy testowe

(A) Procedura testowa

Zgodnie z GB1094.3-2003, procedura testu rozproszonego wysypu dla transformatorów składa się z pięciu okresów czasowych – A, B, C, D i E – z określonymi napięciami zastosowanymi dla każdego. Napięcie pre-stresowe w okresie C jest zdefiniowane jako 1,7 jednostki per unit (pu), gdzie 1 pu = Um/√3 (Um to maksymalne systemowe napięcie). Ta wartość jest nieco niższa niż Um określone w GB1094.3-1985. Dla transformatora Lanzhou Wschodni, Um = 800kV, więc napięcie pre-stresowe powinno wynosić 785kV.

(B) Wymagania dotyczące wytrzymałości na napięcie

• Krótkotrwała wytrzymałość na napięcie indukcyjne dla transformatora Lanzhou Wschodni wynosi 860kV. Zgodnie ze standardami Kompanii Sieci Państwowej Chin "Standardy testów komisjonujących dla sprzętu elektrycznego UHV 750kV," napięcie testowe na miejscu powinno wynosić 85% wartości testu fabrycznego, tj. 731kV, co jest mniejsze niż wymagane napięcie pre-stresowe 1,7 pu (785kV).

• Aby rozwiązać konflikt między napięciem pre-stresowym a wytrzymałością na napięcie komisjonujące, odpowiednie normy stanowią, że jeśli napięcie pre-stresowe przekracza 85% wytrzymałości na napięcie fabrycznej, rzeczywiste napięcie pre-stresowe powinno być uzgodnione przez użytkownika i producenta. "Specyfikacja techniczna dla głównych transformatorów 750kV" jasno określa, że napięcie pre-stresowe testu PD na miejscu równa się 85% wytrzymałości na napięcie fabrycznej. W rezultacie, napięcie pre-stresowe dla testu PD na miejscu transformatora Lanzhou Wschodni zostało ustawione na 731kV. Pomiar PD i test wytrzymałości na napięcie zostały połączone, z fazą testu wytrzymałości na napięcie pełniącą rolę etapu pre-stresowego testu PD.

(C) Kryteria przyjęcia dla rozproszonego wysypu

Przy napięciu testowym 1,5 pu, poziom rozproszonego wysypu transformatora musi być mniejszy niż 500 pC.

IV. Proces testowy

Od 9 sierpnia 2005 do 26 kwietnia 2006, przeprowadzono łącznie 12 testów PD na fazie A głównego transformatora na podstacji Lanzhou Wschodni. Kluczowe informacje testowe są podsumowane poniżej:

Ogólnie rzecz biorąc, poziom PD cewki średniego napięcia przekształtnika fazy A przed wprowadzeniem do eksploatacji oscylował między 600 a 910 pC, przekraczając kryterium przyjęcia wynoszące 500 pC. Jednak po powtórnych testach 26 kwietnia 2006 roku, po wprowadzeniu do eksploatacji, poziom PD spadł do 280 pC, spełniając wymagania.

V. Analiza testów

(A) Napięcie początkowe częściowego rozładowania (PDIV) i napięcie końcowe częściowego rozładowania (PDEV)

• Problemy z definicjami: GB7354-2003 i DL417-1991 zawierają nieprecyzyjne definicje PDIV i PDEV. Na przykład, „określona wartość” w definicji nie jest jasno zdefiniowana – choć często zakłada się 500 pC, co prowadzi do znacznych niezgodności w praktycznym zastosowaniu. Ponadto, tło szumów podczas testów na miejscu często osiąga dziesiątki do setek pikokulombów, co utrudnia jednoznaczne zidentyfikowanie początku rozładowania.

• Obserwacje przypadków: W 12 przeprowadzonych testach PD na przekształtniku fazy A w Lanzhou East, poziom PD stopniowo wzrastał wraz z napięciem, bez wyraźnego skoku (maksymalna zmiana krokowa ~200 pC), co uniemożliwia jednoznaczne określenie PDIV. W niektórych testach mierzalne PD występowały już przy niskich napięciach, co utrudnia ocenę, czy PDIV obniżył się. Ponadto, najnowszy narodowy standard GB1094.3-2003 nie wspomina o PDIV ani PDEV, co prowadzi do niezgodności w interpretacji i określeniu wśród praktyków.

(B) Lokalizacja rozładowań

• Ograniczenia popularnych metod: Szeroko stosowana metoda lokalizacji PD za pomocą ultradźwięków polega na wykrywaniu różnicy czasowej ultradźwięków generowanych przez rozładowania, które docierają do czujników na ścianie zbiornika. Jednak ta metoda napotyka na trudności takie jak niedojrzała technologia, potrzeba wystarczająco dużej energii rozładowania (w zakresie czułości czujników) oraz nieprecyzyjna lokalizacja z powodu wielokrotnych odbić i załamań ultradźwięków od wewnętrznego owinięcia.

• Wyniki przypadków: Podczas testów przed wprowadzeniem do eksploatacji, sprzęt do lokalizacji PD dostarczał tylko przybliżone oszacowanie miejsca rozładowania. System monitorowania w centrali nie wykrył zmian PD w zależności od napięcia, ograniczając przydatność wyników. Później zainstalowane systemy monitorowania online również nie wykryły istotnych zmian podczas testu 26 kwietnia 2006 roku. Dlatego wyniki lokalizacji ultradźwiękowej należy traktować ostrożnie, gdy poziom PD jest niski.

(C) Nasilenie rozładowania

Chociaż standard określa limit 500 pC przy 1.5 pu, w praktyce nie ma znaczącej różnicy między 500 pC a 700 pC – należą one do tego samego rzędu wielkości. Ponadto, gdy PD jest poniżej 1000 pC, zazwyczaj nie ma widocznych śladów rozładowania wewnątrz przekształtnika, a kontrole na miejscu rzadko ujawniają anomalie. Zwrócenie do fabryki przekształtnika 750 kV (duzego i ciężkiego) do naprawy wiąże się z dużym ryzykiem.

VI. Rekomendacje

(A) Zwiększenie poziomu izolacji

Przenikalność napięcia indukcyjnego przekształtnika w Lanzhou East jest stosunkowo niska. Biorąc pod uwagę krótką historię i ograniczone doświadczenie w produkcji krajowych przekształtników 750 kV, a także konieczność przeprowadzania testów PD na miejscu, zaleca się, aby przyszłe główne przekształtniki 750 kV miały przenikalność napięcia indukcyjnego nie mniejszą niż 900 kV.

(B) Zwolnienie kryteriów testów PD podczas wprowadzania do eksploatacji na miejscu

Za granicą testy PD są surowo przeprowadzane tylko w fabryce, a nie powtarzane na miejscu. W Chinach jednak testy PD na miejscu są obowiązkowym elementem wprowadzania do eksploatacji. Zaleca się zwolnienie kryteriów przyjęcia dla testów PD na miejscu przekształtników 750 kV do mniej niż 1000 pC, ze względu na następujące powody:

• Przekształtniki z poziomem PD między 500–1000 pC często pokazują obniżenie PD po ponownym testowaniu po okresem przechowywania lub eksploatacji (np. przekształtnik fazy A w Lanzhou East).

• Gdy PD jest poniżej 1000 pC, zazwyczaj nie są wykrywane widoczne ślady rozładowania, kontrole na miejscu rzadko wykrywają problemy, a zwrócenie do fabryki wiąże się z dużym ryzykiem.

• Testy PD na miejscu dla przekształtników 750 kV i 1000 kV są efektywnie „quasi-testami wytrzymałościowymi”:

• Mały margines napięcia: Dla przekształtnika w Lanzhou East, napięcie testu PD przy 1.5 pu (693 kV, ±3% niepewności pomiaru: 672–714 kV) jest bardzo bliskie napięciu wytrzymałościowemu wprowadzania do eksploatacji wynoszącemu 731 kV, pozostawiając tylko 2.4% marginesu. Nawet jeśli przyszłe przekształtniki 750 kV będą miały przenikalność napięcia indukcyjnego podniesioną do 900 kV, test wprowadzania do eksploatacji przy 765 kV nadal pozostawia ograniczony margines. Podobnie, dla przekształtników 1000 kV, napięcie testu PD (1.4 pu = 889 kV) jest bardzo bliskie poziomowi wytrzymałości 935 kV.

• Długi czas trwania: Chociaż standardowy czas wytrzymałości wynosi tylko około 56 sekund (przy częstotliwości testu 108 Hz), pełny test PD stosuje 1.5 pu przez maksymalnie 65 minut. Powtarzanie testów może powodować kumulatywne uszkodzenia izolacji, wpływając na długość życia przekształtnika.

• Jest niewiele przypadków, w których powtarzane testy na miejscu redukują nadmierny PD do akceptowalnych poziomów; zamiast tego, poziomy PD mogą wzrosnąć (np. przekształtnik fazy A w Lanzhou East: 700 pC 10 sierpnia 2005 roku, wzrosło do 910 pC do 23 września).

(C) Redefinicja napięć początkowych i końcowych częściowego rozładowania

Istniejące standardy brakują jasnych definicji PDIV i PDEV, co może wprowadzać w błąd interpretację testów (jak to było widać w przypadku Lanzhou East). Zaleca się redefinicję tych terminów z jawnymi kryteriami numerycznymi i uwzględnieniem wskazówek dla przypadków, w których PDIV i PDEV nie są wyraźnie obserwowalne.

(D) Wzmocnienie badań nad praktycznymi technikami na miejscu

• Zbieraj rzeczywiste wzorce PD transformatorów: Większość typowych wzorców PD w literaturze pochodzi z symulacji laboratoryjnych, które różnią się od rzeczywistego zachowania transformatorów. Ilustracyjne diagramy są niewystarczające do kierowania pracą terenową. Jest niezbędne zebranie i analiza rzeczywistych wzorców PD oraz ich kompilacja w podręczniki referencyjne do analizy jakościowej i lokalizacji.

• Postęp w badaniach nad zwalczaniem interferencji: Zewnętrzna interferencja jest głównym wyzwaniem przy testach PD na miejscu. Obecne systemy pomiarowe nie są w stanie odróżnić prawdziwych rozładowań od interferencji, co mocno zależy od doświadczenia operatora. Wymagane jest więcej badań nad źródłami interferencji i metodami ich tłumienia.

(E) Wymagaj certyfikacji dla personelu testowego

Pomiar PD jest najbardziej technicznie wymagającym i nieprzewidywalnym z rutynowych testów wysokiego napięcia przeprowadzanych na miejscu. Niemniej jednak błędy są powszechne. Personel powinien poddać się systematycznemu szkoleniu w zakresie podstawowych zasad, montażu sprzętu, dopasowywania elementów, eliminacji interferencji i lokalizacji PD, a przed przeprowadzeniem testów musi uzyskać certyfikację.

(F) Regularna kalibracja instrumentów testowych

GB7354-2003 jasno stanowi, że urządzenia do pomiaru PD muszą być kalibrowane co najmniej dwa razy w roku lub po dużych naprawach. W praktyce to często nie jest ścisłe przestrzegane, niektóre urządzenia są używane przez lata bez kalibracji – zanotowano błędy wielokrotnie wyższe. Zaleca się ścisłe przestrzeganie kalibracji zgodnie z normami krajowymi, aby zapewnić dokładność pomiarów.

(G) Używaj monitoringu online w razie potrzeby

Technologia monitoringu online znacząco się poprawiła. Dla transformatorów 750kV z poziomem PD przekraczającym granice, ale nie krytycznie wysokim, wzmocniony monitoring online jest rozsądnym podejściem. Oprócz PD, powinny być monitorowane parametry takie jak temperatura, prąd uziemienia rdzenia i obwódki, oraz chromatografia oleju, aby kompleksowo ocenić kondycję transformatora.

VII. Podsumowanie i perspektywy

• Podsumowanie: Obecne standardy dostarczają niewystarczających definicji dla napięć inicjacji i zaniku PD, ograniczając ich przydatność w kierowaniu testami na miejscu. Poziom izolacji transformatora 750kV w Wschodnim Lanzhou jest stosunkowo niski, co sprawia, że test PD jest właściwie "quasi-testem wytrzymałościowym". 12 testów PD na miejscu przeprowadzonych na transformatorze fazy A prawdopodobnie spowodowało pewne skumulowane obciążenie izolacji. Przyszłe transformatory 750kV powinny mieć poziom izolacji co najmniej 900kV.

• Perspektywy: Badania i planowanie dla chińskiego 1000kV AC ultra-wysokiego napięcia zostały zakończone, a projekty demonstracyjne są w budowie. Biorąc pod uwagę jeszcze mniejszą margines izolacji transformatorów 1000kV, badania nad testami komisjonującymi na miejscu powinny być rozpoczęte wczesniej, aby dostarczyć wsparcie techniczne dla praktycznych zastosowań.