Испытание на частичные разряды и индуцированную прочность 750 кВ трансформатора на месте: случай из практики и рекомендации

I. Введение

Демонстрационный проект передачи и подстанции напряжением 750 кВ между Гуантином и Восточным Ланьчжоу в Китае был официально запущен 26 сентября 2005 года. Этот проект включает две подстанции — Восточный Ланьчжоу и Гуантин (каждая оснащена четырьмя трансформаторами напряжением 750 кВ, три из которых образуют трехфазную группу трансформаторов, а один находится в резерве) — и одну линию передачи. Трансформаторы напряжением 750 кВ, использованные в проекте, были разработаны и произведены в Китае. Во время наладочных испытаний на месте было обнаружено превышение частичных разрядов (ЧР) в фазном трансформаторе А на подстанции Восточный Ланьчжоу. Всего было проведено 12 испытаний ЧР до и после ввода в эксплуатацию. В данной статье анализируются нормативные стандарты, процедуры, данные и вопросы, связанные с испытаниями ЧР данного трансформатора, а также предлагаются практические инженерные рекомендации для поддержки будущих полевых испытаний трансформаторов напряжением 750 кВ и 1000 кВ.

II. Основные параметры трансформатора

Основной трансформатор на подстанции Восточный Ланьчжоу был изготовлен компанией Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Ключевые параметры следующие:

• Модель: ODFPS-500000/750

• Номинальное напряжение: ВН 750 кВ, СН (с регулятором напряжения ±2,5%) кВ, НН 63 кВ

• Номинальная мощность: 500/500/150 МВА

• Максимальное рабочее напряжение: 800/363/72,5 кВ

• Способ охлаждения: принудительная циркуляция масла с воздушным охлаждением (OFAF)

• Масса масла: 84 тонны; Общая масса: 298 тонн

• Уровень изоляции обмотки ВН: полуволновый импульс 1950 кВ, обрезанный импульс 2100 кВ, коротковременная индуцированная выдержка напряжения 1550 кВ, выдержка напряжения промышленной частоты 860 кВ

III. Процедура и стандарты испытаний

(A) Процедура испытаний

Согласно GB1094.3-2003, процедура испытаний на частичные разряды трансформаторов состоит из пяти периодов — A, B, C, D и E — с указанными напряжениями для каждого. Предварительное напряжение во время периода C определяется как 1,7 условных единиц (у.е.), где 1 у.е. = Um/√3 (Um — максимальное системное напряжение). Это значение немного ниже, чем Um, указанное в GB1094.3-1985. Для трансформатора Восточный Ланьчжоу Um = 800 кВ, поэтому предварительное напряжение должно быть 785 кВ.

(B) Требования к выдержке напряжения

• Коротковременная индуцированная выдержка напряжения для трансформатора Восточный Ланьчжоу составляет 860 кВ. Согласно стандартам приемочных испытаний оборудования сверхвысокого напряжения 750 кВ компании "Государственная сетевая компания Китая", напряжение при полевых испытаниях должно составлять 85% от значения заводских испытаний, то есть 731 кВ, что меньше требуемого предварительного напряжения 1,7 у.е. (785 кВ).

• Для решения конфликта между предварительным напряжением и напряжением выдержки при вводе в эксплуатацию, соответствующие стандарты указывают, что если предварительное напряжение превышает 85% заводского напряжения выдержки, фактическое предварительное напряжение должно быть согласовано между пользователем и производителем. "Техническая спецификация для основных трансформаторов 750 кВ" явно указывает, что предварительное напряжение при полевых испытаниях на частичные разряды равно 85% заводского напряжения выдержки. В результате, предварительное напряжение для полевых испытаний на частичные разряды трансформатора Восточный Ланьчжоу было установлено на уровне 731 кВ. Измерение частичных разрядов и испытание на выдержку напряжения были объединены, с этапом испытания на выдержку напряжения, служащим предварительным этапом испытаний на частичные разряды.

(C) Критерии приемки для частичных разрядов

При испытательном напряжении 1,5 у.е. уровень частичных разрядов трансформатора должен быть менее 500 пКл.

IV. Процесс испытаний

С 9 августа 2005 года по 26 апреля 2006 года на фазном трансформаторе А подстанции Восточный Ланьчжоу было проведено всего 12 испытаний на частичные разряды. Ключевая информация о тестах приведена ниже:

В целом, уровень частичных разрядов (ЧР) в средневольтной обмотке фазы A основного трансформатора до ввода в эксплуатацию находился в диапазоне от 600 до 910 пК, что превышало критерий приемки в 500 пК. Однако после повторного тестирования 26 апреля 2006 года, после ввода в эксплуатацию, уровень ЧР снизился до 280 пК, что соответствует требованиям.

V. Анализ испытаний

(A) Начальное напряжение частичных разрядов (PDIV) и конечное напряжение частичных разрядов (PDEV)

• Проблемы определения: ГОСТ 7354-2003 и ДЛ 417-1991 предоставляют неточные определения PDIV и PDEV. Например, "указанное значение" в определении не четко определено — хотя обычно предполагается 500 пК, это приводит к значительным несоответствиям при практическом применении. Кроме того, фоновый шум во время полевых испытаний часто достигает десятков или сотен пикокулонов, что затрудняет определение четкого начала разряда.

• Наблюдения по случаю: В 12 испытаниях на частичные разряды, проведенных на трансформаторе фазы A в Ланьчжоу, уровень ЧР постепенно увеличивался с ростом напряжения, без явного скачка (максимальное изменение шага ~200 пК), что делает невозможным определение четкого PDIV. В некоторых испытаниях измеримые ЧР уже были присутствуют при низких напряжениях, что затрудняет оценку, уменьшился ли PDIV. Кроме того, последний национальный стандарт GB1094.3-2003 не упоминает PDIV или PDEV, что приводит к различным толкованиям и определениям среди специалистов.

(B) Локализация разрядов

• Ограничения общих методов: Широко используемый метод локализации ЧР с помощью ультразвука определяет временную разницу ультразвуковых волн, генерируемых разрядами, которые достигают датчиков на стенке бака. Однако этот метод сталкивается с проблемами, такими как незрелая технология, необходимость достаточной энергии разряда (в пределах чувствительности датчиков) и неточная локализация из-за множественных отражений и преломлений ультразвуковых волн от внутренних обмоток.

• Результаты по случаю: Во время предварительных испытаний оборудование для локализации ЧР предоставило только приблизительную оценку местоположения разрядов. Система мониторинга в контрольной комнате не смогла обнаружить изменения уровня ЧР с изменением напряжения, ограничивая полезность результатов. Позднее установленные системы онлайн-мониторинга также не смогли обнаружить соответствующие изменения во время испытаний 26 апреля 2006 года. Поэтому результаты ультразвуковой локализации следует рассматривать с осторожностью, когда уровни ЧР низкие.

(C) Тяжесть разрядов

Хотя стандарт устанавливает предел в 500 пК при 1,5 pu, на практике нет существенной разницы между 500 пК и 700 пК — они принадлежат к одному порядку величины. Более того, когда ЧР ниже 1000 пК, обычно нет видимых следов разрядов внутри трансформатора, и осмотр масла на месте редко выявляет аномалии. Возврат 750-киловольтного трансформатора (большого и тяжелого) на завод для ремонта связан с высокими рисками.

VI. Рекомендации

(A) Увеличение уровня изоляции

Вызванное напряжение прочности трансформатора в Ланьчжоу относительно низкое. Учитывая короткую историю и ограниченный опыт производства 750-киловольтных трансформаторов в стране, а также необходимость проведения полевых испытаний на ЧР, рекомендуется, чтобы будущие 750-киловольтные основные трансформаторы имели вызванное напряжение прочности не менее 900 кВ.

(B) Смягчение критериев полевых испытаний на ЧР при вводе в эксплуатацию

За рубежом испытания на ЧР строго проводятся только на заводе, а не повторяются на месте. В Китае, однако, полевые испытания на ЧР являются обязательным пунктом ввода в эксплуатацию. Рекомендуется смягчить критерий приемки для полевых испытаний на ЧР 750-киловольтных трансформаторов до менее 1000 пК по следующим причинам:

• Трансформаторы с уровнями ЧР от 500 до 1000 пК часто показывают снижение уровня ЧР при повторном тестировании после периода хранения или эксплуатации (например, трансформатор фазы A в Ланьчжоу).

• Когда уровень ЧР ниже 1000 пК, обычно не обнаруживаются видимые следы разрядов, осмотры на месте редко выявляют проблемы, а возврат на завод связан с высокими рисками.

• Полевые испытания на ЧР для 750-киловольтных и 1000-киловольтных трансформаторов фактически являются "квазипрочностными испытаниями":

• Малый запас по напряжению: Для трансформатора в Ланьчжоу напряжение испытания на ЧР при 1,5 pu (693 кВ, ±3% погрешности измерения: 672–714 кВ) очень близко к напряжению прочности при вводе в эксплуатацию 731 кВ, оставляя только запас в 2,4%. Даже если в будущем для 750-киловольтных трансформаторов будет повышено вызванное напряжение прочности до 900 кВ, испытание при вводе в эксплуатацию при 765 кВ все равно оставляет ограниченный запас. Аналогично, для 1000-киловольтных трансформаторов напряжение испытания на ЧР (1,4 pu = 889 кВ) очень близко к уровню прочности 935 кВ.

• Длительная продолжительность: Хотя стандартная продолжительность испытания на прочность составляет всего около 56 секунд (при частоте испытания 108 Гц), полное испытание на ЧР применяет 1,5 pu в течение до 65 минут. Повторные испытания могут привести к кумулятивному повреждению изоляции, влияющему на срок службы трансформатора.

• Случаи, когда повторные полевые испытания снижают чрезмерные уровни ЧР до приемлемых, редки; вместо этого уровни ЧР могут увеличиться (например, трансформатор фазы A в Ланьчжоу: 700 пК 10 августа 2005 года, увеличилось до 910 пК к 23 сентября).

(C) Переопределение начального и конечного напряжения частичных разрядов

Существующие стандарты не имеют четких определений для PDIV и PDEV, что может ввести в заблуждение при интерпретации тестов (как это было в случае с трансформатором в Ланьчжоу). Рекомендуется переопределить эти термины с явными числовыми критериями и включить руководство для случаев, когда PDIV и PDEV не наблюдаются четко.

(D) Усиление исследований практических методов на месте

• Сбор реальных паттернов частичных разрядов (PD) трансформаторов: Большинство типичных паттернов PD в литературе основаны на лабораторных симуляциях, которые отличаются от реального поведения трансформаторов. Иллюстративные диаграммы недостаточны для руководства полевыми работами. Необходимо собирать и анализировать реальные паттерны PD и составлять их в справочные руководства для качественного анализа и локализации.

• Развитие исследований по противодействию внешним помехам: Внешние помехи являются основной проблемой при проведении тестов PD на месте. Современные системы измерений не могут различить настоящие разряды и помехи, сильно полагаясь на опыт оператора. Требуются дополнительные исследования источников помех и методов их подавления.

(E) Требование сертификации для персонала, проводящего испытания

Измерение PD является наиболее технически сложным и непредсказуемым из рутинных высоковольтных испытаний на месте. Однако ошибки в оценках часто встречаются. Персонал должен пройти систематическое обучение основным принципам, подключению оборудования, согласованию компонентов, устранению помех и локализации PD, и получить сертификацию перед тем, как будет допущен к проведению испытаний.

(F) Регулярная калибровка измерительных приборов

GB7354-2003 четко указывает, что приборы для измерения PD должны калиброваться как минимум дважды в год или после крупного ремонта. На практике это часто не строго соблюдается, и некоторые приборы используются годами без калибровки — фиксируются ошибки, достигающие десятков раз. Рекомендуется строгое соблюдение калибровки согласно национальным стандартам для обеспечения точности измерений.

(G) Использование онлайн-мониторинга при необходимости

Технология онлайн-мониторинга значительно улучшилась. Для трансформаторов 750 кВ с уровнем PD, превышающим допустимые пределы, но не критически высоким, усиленный онлайн-мониторинг является разумным подходом. Кроме PD, следует мониторить такие параметры, как температура, ток заземления ядра и обода, а также хроматографию масла, чтобы всесторонне оценить состояние трансформатора.

VII. Заключение и перспективы

• Заключение: Существующие стандарты предоставляют недостаточные определения напряжений возникновения и исчезновения PD, ограничивая их полезность для руководства полевыми испытаниями. Уровень изоляции трансформатора 750 кВ в восточном Ланьчжоу относительно низкий, что делает его испытание PD по сути "квази-выдержкой". 12 полевых испытаний PD на трансформаторе фазы A, вероятно, вызвали некоторое кумулятивное напряжение изоляции. Будущие трансформаторы 750 кВ должны иметь уровень изоляции не менее 900 кВ.

• Перспективы: Исследования и планирование для 1000 кВ сверхвысоковольтной передачи переменного тока в Китае завершены, и демонстрационные проекты находятся в стадии строительства. Учитывая еще меньший запас изоляции трансформаторов 1000 кВ, исследования по полевым приемосдаточным испытаниям следует начать заранее, чтобы предоставить техническую поддержку для практических применений.