750kV-transformator på plats PD- och inducerad uthållighetstest: Fallstudie och rekommendationer

I. Introduktion

Demonstrationsprojektet för Guanting–Lanzhou öst 750kV överföringslinje och understation i Kina inleddes officiellt den 26 september 2005. Projektet inkluderar två understationer – Lanzhou öst och Guanting (var och en utrustad med fyra 750kV-transformatorer, tre av vilka är i drift som en trefas-transformatorbank, med en i reserver) – och en överföringslinje. De 750kV-transformatorer som används i projektet har oberoende utvecklats och tillverkats i Kina. Under påplaceringstesterna upptäcktes för hög partiell laddning (PD) i fas A-huvudtransformatorn vid Lanzhou öst understation. Totalt genomfördes tolv PD-tester före och efter påplaceringen. Detta dokument analyserar referensstandarder, procedurer, data och frågor relaterade till PD-testerna av denna transformator, samt ger praktiska ingenjörstips för att stödja framtida fälttester av 750kV- och 1000kV-transformatorer.

II. Grundläggande Transformatorparametrar

Huvudtransformatorn vid Lanzhou öst understation tillverkades av Xi’an XD Transformer Co., Ltd. Nyckelparametrar är följande:

• Modell: ODFPS-500000/750

• Nominell spänning: HV 750kV, MV (med ±2,5% trappomvälare) kV, LV 63kV

• Nominell effekt: 500/500/150 MVA

• Maximal driftspänning: 800/363/72,5 kV

• Kylmetod: Tvingad oljecirkulation med luftkylning (OFAF)

• Oljevikt: 84 ton; Total vikt: 298 ton

• Isoleringsskyddsnivå för HV-vindning: Fullbågsimpuls 1950kV, avklippt bågsimpuls 2100kV, korttidshållbar spänning 1550kV, nätfrekvenshållbar spänning 860kV

III. Testförfarande och standarder

(A) Testförfarande

Enligt GB1094.3-2003 består testförfarandet för partiell laddning av transformatorer av fem tidsperioder – A, B, C, D och E – med angivna tillämpade spänningar för varje period. Förspänningsvärde under period C definieras som 1,7 per enhet (pu), där 1 pu = Um/√3 (Um är maximal systemspänning). Detta värde är något lägre än Um specificerat i GB1094.3-1985. För Lanzhou öst-transformatorn är Um 800kV, så förspänningsvärdet bör vara 785kV.

(B) Hållbarhetsspänningskrav

• Den korttidsinducerade hållbarhetsspänningen för Lanzhou öst-transformatorn är 860kV. Enligt "Kommissioneringsprovningsspecifikationer för 750kV UHV-elektrisk utrustning" hos State Grid Corporation of China bör platsprovningsspänningen vara 85% av fabrikets provningssvärde, dvs. 731kV, vilket är mindre än det krävda förspänningsvärdet på 1,7 pu (785kV).

• För att lösa konflikten mellan förspänningsvärde och kommissioneringshållbarhetsspänning anger relevanta standarder att om förspänningsvärdet överstiger 85% av fabrikets hållbarhetsspänning, bör det faktiska förspänningsvärdet överenskommas av användaren och tillverkaren. "Teknisk specifikation för 750kV-huvudtransformatorer" anger explicit att plats-PD-testets förspänningsvärde skall vara 85% av fabrikets hållbarhetsspänning. Som ett resultat sattes förspänningsvärdet för plats-PD-testet av Lanzhou öst-transformatorn till 731kV. PD-mätning och hållbarhetstest kombinerades, med hållbarhetstestfasen som förspänningsfas för PD-testet.

(C) Godkännandekriterier för partiell laddning

Vid ett provningsvärde på 1,5 pu måste transformatorns partiella laddningsnivå vara mindre än 500 pC.

IV. Testprocess

Från den 9 augusti 2005 till den 26 april 2006 genomfördes totalt tolv PD-tester på fas A-huvudtransformatorn vid Lanzhou öst understation. Viktig testinformation sammanfattas nedan:

Totalt sett var PD-nivån för MV-vindningen i fas A av huvudtransformatorn före driftinmatning mellan 600 och 910 pC, vilket översteg den 500 pC godkända kriteriet. Efter omtestning den 26 april 2006, efter driftinmatning, sjönk PD-nivån till 280 pC, vilket uppfyllde kravet.

V. Testanalys

(A) Inceptions- och utsläckningsvoltage för partiell laddningsavläsning (PDIV och PDEV)

• Definitionsproblem: GB7354-2003 och DL417-1991 ger otydliga definitioner av PDIV och PDEV. Till exempel är det "angivna värdet" i definitionen inte tydligt definierat—även om 500 pC ofta antas, leder detta till betydande inkonsekvenser i praktisk tillämpning. Dessutom når bakgrundsbullret under fälttester ofta tiotals till hundratals pikokulom, vilket gör det svårt att identifiera ett tydligt utbrott av laddning.

• Fallobservationer: I de 12 PD-testerna som utfördes på transformatorn i östra Lanzhou, fas A, ökade PD-nivån gradvis med spänningen, utan en tydlig stegring (maximal stegring ~200 pC), vilket gjorde det omöjligt att fastställa en tydlig PDIV. I vissa tester var mätbar PD redan närvarande vid låga spänningar, vilket gjorde det svårt att bedöma om PDIV hade minskat. Dessutom nämner den senaste nationella standarden GB1094.3-2003 inte PDIV eller PDEV, vilket leder till inkonsekventa tolkningar och bestämningar bland praktiker.

(B) Lokalisering av laddning

• Begränsningar hos vanliga metoder: Den ofta använda ultraljudsmetoden för lokalisering av partiell laddning mäter tidskillnaden för ultraljudsvågor som genereras av laddningar som når sensorer på tankväggen. Denna metod står dock inför utmaningar som otrogen teknik, krav på tillräckligt stor laddningsenergi (inom sensorernas känslighetsområde) och osäker lokalisering på grund av flera reflektioner och brytningar av ultraljudsvågor från inre vindningar.

• Fallresultat: Under fördriftsinmatningstester gav PD-lokaliseringsutrustningen endast en grov uppskattning av laddningsplatsen. Övervakningssystemet i kontrollrummet kunde inte upptäcka variationer i PD med spänningen, vilket begränsade användbarheten av resultaten. Senare installerade onlineövervakningssystem kunde heller inte upptäcka relevanta förändringar under testet den 26 april 2006. Därför bör ultraljudslokaliseringsresultat behandlas med försiktighet när PD-nivåer är låga.

(C) Allvarlighetsgrad av laddning

Även om standarden anger en gräns på 500 pC vid 1,5 pu, finns det i praktiken ingen signifikant skillnad mellan 500 pC och 700 pC—de tillhör samma storleksordning. Dessutom finns det sällan synbara laddningspåverkan inuti transformatorn när PD är under 1000 pC, och fältskontroller av olja visar sällan avvikelser. Att skicka tillbaka en 750 kV-transformator (stor och tung) till fabriken för reparation innebär höga risker.

VI. Rekommendationer

(A) Öka isolationsnivån

Inducerad hållfasthetsspänning för transformatorn i östra Lanzhou är relativt låg. Med tanke på den korta historien och den begränsade erfarenheten av inhemsk produktion av 750 kV-transformatorer, samt nödvändigheten av fältdetaljerade PD-tester, rekommenderas att framtida 750 kV-huvudtransformatorer har en inducerad hållfasthetsspänning på minst 900 kV.

(B) Slappna av på platskommissioneringskriterier för PD-tester

Utomlands genomförs PD-tester strikt endast i fabriken, inte på plats. I Kina är dock fältdetaljerade PD-tester ett obligatoriskt kommissioneringsobjekt. Det rekommenderas att slappna av på godkännandekriterierna för fältdetaljerade PD-tester av 750 kV-transformatorer till mindre än 1000 pC, av följande skäl:

• Transformatorer med PD-nivåer mellan 500–1000 pC visar ofta reducerad PD vid omtestning efter en period av lagring eller drift (till exempel transformatorn i östra Lanzhou, fas A).

• När PD är under 1000 pC finns det sällan synbara laddningspåverkan, fältskontroller visar sällan problem, och återföring till fabriken innebär höga risker.

• Fältdetaljerade PD-tester för 750 kV- och 1000 kV-transformatorer är effektivt "kvasi-hållfasthetstester":

• Liten spänningsmarginal: För transformatorn i östra Lanzhou är PD-testspänningen vid 1,5 pu (693 kV, ±3% mätosäkerhet: 672–714 kV) mycket nära kommissioneringshållfasthetsspänningen på 731 kV, vilket lämnar endast en marginal på 2,4%. Även om framtida 750 kV-transformatorer har en inducerad hållfasthetsspänning höjd till 900 kV, lämnar kommissioneringsprovet vid 765 kV ändå en begränsad marginal. På liknande sätt är PD-testspänningen (1,4 pu = 889 kV) för 1000 kV-transformatorer mycket nära 935 kV-hållfasthetsspänningen.

• Långvarig tid: Medan standardhållfasthetstid är endast cirka 56 sekunder (vid provfrekvens på 108 Hz), appliceras fullständigt PD-test på 1,5 pu i upp till 65 minuter. Upprepade tester kan orsaka ackumulerad isolerings-skada, vilket påverkar transformatorns livslängd.

• Det finns få fall där upprepade fältdetaljerade tester minskar överdriven PD till acceptabla nivåer; istället kan PD-nivåerna öka (till exempel transformatorn i östra Lanzhou, fas A: 700 pC den 10 augusti 2005, ökade till 910 pC den 23 september).

(C) Omdifiniera inceptions- och utsläckningsvoltager för partiell laddning

Existerande standarder saknar tydliga definitioner för PDIV och PDEV, vilket kan missleda tolkningen av tester (som sett i fallet i östra Lanzhou). Det rekommenderas att omdifiniera dessa termer med explicita numeriska kriterier och inkludera riktlinjer för fall där PDIV och PDEV inte är tydligt observerbara.

(D) Förstärk forskning om praktiska fältdetaljerade tekniker

• Samla in verkliga transformator PD-mönster: De mest typiska PD-mönstren i litteraturen kommer från laboratoriebaserade simuleringar, vilka skiljer sig från det verkliga transformatorbeteendet. Illustrativa diagram är otillräckliga för att guida fältarbete. Det är viktigt att samla in och analysera verklighetsbaserade PD-mönster och kompilera dem till referensmanualer för kvalitativ analys och lokalisering.

• Framjämna störforskning: Extern störning är en av de största utmaningarna vid på-plats-PD-test. Nuvarande mätsystem kan inte särskilja mellan äkta avgångar och störningar, och litar tungt på operatörens erfarenhet. Mer forskning behövs om källor till störningar och undertryckningsmetoder.

(E) Krav på certifiering för testpersonal

PD-mätning är den tekniskt krävande och oregelbundna rutinmässiga på-plats högspänningstesten. Dock är felbedömningar vanliga. Personal bör genomgå systematisk utbildning i grundläggande principer, utrustningskoppling, komponentmatchning, störningseliminering och PD-lokalisering, och måste erhålla certifiering innan de får utföra tester.

(F) Reguljär kalibrering av testinstrument

GB7354-2003 anger tydligt att PD-mätinstrument måste kalibreras minst två gånger per år eller efter stora reparationer. I praktiken följs detta ofta inte strikt, med vissa instrument som används i flera år utan kalibrering—fel upp till tiotals gånger har registrerats. Det rekommenderas att strängt följa kalibrering enligt nationella standarder för att säkerställa mätningarnas noggrannhet.

(G) Använd onlineövervakning när det behövs

Onlineövervakningsteknik har förbättrats betydligt. För 750kV-transformatorer med PD-nivåer över gränsen men inte kritiskt höga, är förbättrad onlineövervakning en rimlig metod. Förutom PD bör parametrar som temperatur, kärn- och klampjordningsström samt oljechromatografi övervakas för att fullständigt bedöma transformatorns hälsa.

VII. Slutsats och utblick

• Slutsats: Befintliga standarder ger otillräckliga definitioner för PD-start- och slutspänningar, vilket begränsar deras användbarhet för att guida på-plats-test. Isoleringsnivån för Lanzhou East 750kV-transformator är relativt låg, vilket gör dess PD-test till en "kvasi-hållfasthets" test. De 12 på-plats-PD-testerna på fas A-transformatoren troligen orsakade någon kumulativ isoleringsbelastning. Framtida 750kV-transformatorer bör ha en isoleringsnivå på minst 900kV.

• Utblick: Forskning och planering för Kinas 1000kV Väldigt Hög Spänning (VHS) överföring har slutförts, och demonstrationsprojekt är under konstruktion. Med tanke på den ännu mindre isoleringsmarginalen för 1000kV-transformatorer, bör forskning om på-plats inköpsprov börja tidigt för att ge tekniskt stöd för praktiska tillämpningar.