750kV Transformador Teste de PD no Local e Teste de Resistência Induzida: Estudo de Caso e Recomendações

I. Introdução

O projeto demonstrativo de transmissão e subestação de 750kV Guanting–Lanzhou Leste na China foi oficialmente posto em operação em 26 de setembro de 2005. Este projeto inclui duas subestações—Lanzhou Leste e Guanting (cada uma equipada com quatro transformadores de 750kV, três dos quais formam um banco de transformadores trifásico em operação, com um em reserva)—e uma linha de transmissão. Os transformadores de 750kV utilizados no projeto foram desenvolvidos e fabricados independentemente na China. Durante os testes de comissionamento no local, foi detectada descarga parcial (DP) excessiva no transformador principal da Fase A da Subestação Lanzhou Leste. Um total de 12 testes de DP foram realizados antes e depois do comissionamento. Este artigo analisa os padrões de referência, procedimentos, dados e questões relacionadas aos testes de DP deste transformador, e oferece recomendações práticas de engenharia para apoiar futuros testes no local de transformadores de 750kV e 1000kV.

II. Parâmetros Básicos do Transformador

O transformador principal da Subestação Lanzhou Leste foi fabricado pela Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Os principais parâmetros são os seguintes:

• Modelo: ODFPS-500000/750

• Tensão Nominal: AT 750kV, MT (com regulador de tensão ±2,5%) kV, BT 63kV

• Capacidade Nominal: 500/500/150 MVA

• Tensão Máxima de Operação: 800/363/72,5 kV

• Método de Refrigeração: Circulação forçada de óleo com resfriamento a ar (OFAF)

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

• Nível de Isolamento da Bobina de AT: Impulso de onda completa 1950kV, impulso de onda cortada 2100kV, tensão de resistência induzida de curta duração 1550kV, tensão de resistência de frequência de rede 860kV

III. Procedimento de Teste e Padrões

(A) Procedimento de Teste

De acordo com o GB1094.3-2003, o procedimento de teste de descarga parcial para transformadores consiste em cinco períodos—A, B, C, D e E—com tensões aplicadas especificadas para cada um. A tensão de pré-estresse durante o período C é definida como 1,7 por unidade (pu), onde 1 pu = Um/√3 (Um sendo a tensão máxima do sistema). Este valor é ligeiramente inferior ao Um especificado no GB1094.3-1985. Para o transformador Lanzhou Leste, Um = 800kV, portanto, a tensão de pré-estresse deve ser 785kV.

(B) Requisitos de Tensão de Resistência

• A tensão de resistência induzida de curta duração para o transformador Lanzhou Leste é 860kV. De acordo com os "Padrões de Teste de Comissionamento para Equipamentos Elétricos UHV de 750kV" da Corporação Estatal de Rede Elétrica da China, a tensão de teste no local deve ser 85% do valor de teste de fábrica, ou seja, 731kV, que é menor que a tensão de pré-estresse exigida de 1,7 pu (785kV).

• Para resolver o conflito entre a tensão de pré-estresse e a tensão de resistência de comissionamento, os padrões relevantes estabelecem que, se a tensão de pré-estresse excede 85% da tensão de resistência de fábrica, a tensão de pré-estresse real deve ser acordada pelo usuário e fabricante. A "Especificação Técnica para Transformadores Principais de 750kV" especifica explicitamente que a tensão de pré-estresse do teste de DP no local é igual a 85% da tensão de resistência de fábrica. Como resultado, a tensão de pré-estresse para o teste de DP no local do transformador Lanzhou Leste foi definida em 731kV. O teste de medição de DP e o teste de resistência foram combinados, com a fase de teste de resistência servindo como a etapa de pré-estresse do teste de DP.

(C) Critérios de Aceitação para Descarga Parcial

Sob uma tensão de teste de 1,5 pu, o nível de descarga parcial do transformador deve ser inferior a 500 pC.

IV. Processo de Teste

De 9 de agosto de 2005 a 26 de abril de 2006, um total de 12 testes de DP foram realizados no transformador principal da Fase A da Subestação Lanzhou Leste. As informações-chave dos testes são resumidas abaixo:

No geral, o nível de PD (descarga parcial) do enrolamento MV da fase A do transformador principal antes da comissão variou entre 600 e 910 pC, excedendo o critério de aceitação de 500 pC. No entanto, após um reteste em 26 de abril de 2006, após a comissão, o nível de PD caiu para 280 pC, atendendo ao requisito.

V. Análise dos Testes

(A) Tensão de Início de Descarga Parcial (PDIV) e Tensão de Extinção (PDEV)

• Problemas de Definição: GB7354-2003 e DL417-1991 fornecem definições imprecisas de PDIV e PDEV. Por exemplo, o "valor especificado" na definição não está claramente definido - embora 500 pC seja comumente assumido, isso leva a inconsistências significativas na aplicação prática. Além disso, o ruído de fundo durante os testes no local frequentemente alcança dezenas a centenas de picocoulombs, tornando difícil identificar um início claro de descarga.

• Observações de Casos: Nos 12 testes de PD realizados no transformador da Fase A de Lanzhou East, o nível de PD aumentou gradualmente com a tensão, sem um salto distinto (mudança máxima de etapa ~200 pC), tornando impossível determinar uma PDIV clara. Em alguns testes, PD mensurável já estava presente em baixas tensões, dificultando avaliar se a PDIV havia diminuído. Além disso, o mais recente padrão nacional GB1094.3-2003 não menciona PDIV ou PDEV, levando a interpretações e determinações inconsistentes entre os profissionais.

(B) Localização da Descarga

• Limitações dos Métodos Comuns: O método de localização de PD ultrassônico amplamente utilizado detecta a diferença de tempo das ondas ultrassônicas geradas pelas descargas que chegam aos sensores na parede do tanque. No entanto, este método enfrenta desafios como tecnologia imatura, necessidade de energia de descarga suficientemente grande (dentro do intervalo de sensibilidade do sensor) e localização inacurada devido a múltiplas reflexões e refrações de ondas ultrassônicas dos enrolamentos internos.

• Resultados de Casos: Durante os testes pré-comissão, o equipamento de localização de PD forneceu apenas uma estimativa aproximada da localização da descarga. O sistema de monitoramento da sala de controle não conseguiu detectar variações de PD com a tensão, limitando a utilidade dos resultados. Os sistemas de monitoramento online instalados posteriormente também não detectaram mudanças relevantes durante o teste de 26 de abril de 2006. Portanto, os resultados de localização ultrassônica devem ser tratados com cautela quando os níveis de PD são baixos.

(C) Gravidade da Descarga

Embora o padrão especifique um limite de 500 pC em 1,5 pu, na prática, não há diferença significativa entre 500 pC e 700 pC - eles pertencem à mesma ordem de magnitude. Além disso, quando a PD está abaixo de 1000 pC, geralmente não há rastros visíveis de descarga dentro do transformador, e as inspeções de drenagem de óleo no local raramente revelam anomalias. Devolver um transformador de 750 kV (grande e pesado) para a fábrica para reparo carrega riscos elevados.

VI. Recomendações

(A) Aumentar o Nível de Isolamento

A tensão suportada induzida do transformador de Lanzhou East é relativamente baixa. Considerando a história curta e a experiência limitada na fabricação doméstica de transformadores de 750 kV, juntamente com a necessidade de testes de PD no local, recomenda-se que futuros transformadores principais de 750 kV tenham uma tensão suportada induzida de pelo menos 900 kV.

(B) Relaxar os Critérios de Teste de PD na Comissão no Local

No exterior, os testes de PD são estritamente realizados apenas na fábrica, não sendo repetidos no local. Na China, no entanto, o teste de PD no local é um item obrigatório de comissão. Recomenda-se relaxar o critério de aceitação para testes de PD no local de transformadores de 750 kV para menos de 1000 pC, pelos seguintes motivos:

• Transformadores com níveis de PD entre 500-1000 pC frequentemente mostram redução de PD após um período de armazenamento ou operação (por exemplo, o transformador da Fase A de Lanzhou East).

• Quando a PD está abaixo de 1000 pC, geralmente não são encontrados rastros visíveis de descarga, as inspeções no local raramente detectam problemas e a devolução à fábrica representa riscos elevados.

• Os testes de PD no local para transformadores de 750 kV e 1000 kV são efetivamente "testes quase de resistência":

• Margem de tensão pequena: Para o transformador de Lanzhou East, a tensão de teste de PD em 1,5 pu (693 kV, incerteza de medição ±3%: 672–714 kV) está muito próxima da tensão de resistência de comissão de 731 kV, deixando apenas uma margem de 2,4%. Mesmo que futuros transformadores de 750 kV tenham a tensão suportada induzida elevada para 900 kV, o teste de comissão em 765 kV ainda deixa margem limitada. Da mesma forma, para transformadores de 1000 kV, a tensão de teste de PD (1,4 pu = 889 kV) está muito próxima do nível de resistência de 935 kV.

• Duração longa: Embora a duração de resistência padrão seja de apenas cerca de 56 segundos (a uma frequência de teste de 108 Hz), o teste completo de PD aplica 1,5 pu por até 65 minutos. Testes repetidos podem causar danos cumulativos de isolamento, afetando a vida útil do transformador.

• Há poucos casos em que testes repetidos no local reduzem a PD excessiva para níveis aceitáveis; em vez disso, os níveis de PD podem aumentar (por exemplo, o transformador da Fase A de Lanzhou East: 700 pC em 10 de agosto de 2005, aumentou para 910 pC até 23 de setembro).

(C) Redefinir as Tensões de Início e Extinção de PD

Os padrões existentes carecem de definições claras para PDIV e PDEV, o que pode levar a interpretações errôneas dos testes (como visto no caso de Lanzhou East). Recomenda-se redefinir esses termos com critérios numéricos explícitos e incluir orientações para casos em que PDIV e PDEV não são claramente observáveis.

(D) Fortalecer a Pesquisa sobre Técnicas Práticas no Local

• Coletar Padrões Reais de PD em Transformadores: A maioria dos padrões típicos de PD na literatura provém de simulações em laboratório, que diferem do comportamento real dos transformadores. Diagramas ilustrativos são insuficientes para orientar o trabalho de campo. É essencial coletar e analisar padrões reais de PD e compilá-los em manuais de referência para análise qualitativa e localização.

• Avançar Pesquisa Anti-Interferência: A interferência externa é um desafio significativo nos testes de PD no local. Os sistemas de medição atuais não conseguem distinguir entre descargas genuínas e interferência, dependendo fortemente da experiência do operador. Mais pesquisa é necessária sobre as fontes de interferência e métodos de supressão.

(E) Exigir Certificação para Pessoal de Teste

A medição de PD é o teste de alta tensão rotineiro mais técnico e imprevisível realizado no local. No entanto, erros de julgamento são comuns. O pessoal deve passar por treinamento sistemático em princípios fundamentais, conexão de equipamentos, combinação de componentes, eliminação de interferências e localização de PD, e deve obter certificação antes de ser autorizado a realizar testes.

(F) Calibração Regular de Instrumentos de Teste

A norma GB7354-2003 estipula claramente que os instrumentos de medição de PD devem ser calibrados pelo menos duas vezes por ano ou após grandes reparos. Na prática, isso nem sempre é estritamente seguido, com alguns instrumentos sendo usados por anos sem calibração—erros de até dez vezes foram registrados. Recomenda-se a aplicação rigorosa da calibração conforme as normas nacionais para garantir a precisão das medições.

(G) Usar Monitoramento Online Quando Necessário

A tecnologia de monitoramento online melhorou significativamente. Para transformadores de 750kV com níveis de PD acima dos limites, mas não críticos, o monitoramento online aprimorado é uma abordagem razoável. Além do PD, parâmetros como temperatura, corrente de aterramento do núcleo e do gancho, e cromatografia do óleo devem ser monitorados para avaliar de forma abrangente a saúde do transformador.

VII. Conclusão e Perspectivas

• Conclusão: As normas existentes fornecem definições inadequadas para as tensões de início e extinção de PD, limitando sua utilidade na orientação de testes no local. O nível de isolamento do transformador de 750kV de Lanzhou Leste é relativamente baixo, tornando seu teste de PD essencialmente um "teste quase-resistente". Os 12 testes de PD no local no transformador da Fase A provavelmente causaram algum estresse cumulativo no isolamento. Futuros transformadores de 750kV devem ter um nível de isolamento de pelo menos 900kV.

• Perspectivas: A pesquisa e planejamento para a transmissão ultra-alta tensão AC de 1000kV na China foram concluídos, e projetos demonstrativos estão em construção. Considerando a margem de isolamento ainda menor dos transformadores de 1000kV, a pesquisa sobre testes de comissionamento no local deve ser iniciada precocemente para fornecer suporte técnico para aplicações práticas.