Thử nghiệm PD và chịu đựng cảm ứng tại chỗ cho biến áp 750kV: Nghiên cứu trường hợp và Đề xuất
I. Giới thiệu
Dự án mô hình truyền tải và trạm biến áp 750kV Guanting–Lanzhou Đông ở Trung Quốc đã chính thức đi vào hoạt động vào ngày 26 tháng 9 năm 2005. Dự án này bao gồm hai trạm biến áp—Lanzhou Đông và Guanting (mỗi trạm được trang bị bốn máy biến áp 750kV, trong đó ba máy tạo thành một nhóm máy biến áp ba pha đang hoạt động, với một máy dự phòng)—và một đường dây truyền tải. Các máy biến áp 750kV được sử dụng trong dự án đã được phát triển và sản xuất độc lập tại Trung Quốc. Trong quá trình thử nghiệm hoán vị tại hiện trường, đã phát hiện ra sự phóng điện cục bộ (PD) vượt mức trong máy biến áp chính pha A tại trạm biến áp Lanzhou Đông. Tổng cộng có 12 lần thử nghiệm PD được thực hiện trước và sau khi đưa vào hoạt động. Bài viết này phân tích các tiêu chuẩn tham chiếu, quy trình, dữ liệu và vấn đề liên quan đến các thử nghiệm PD của máy biến áp này, và đưa ra các khuyến nghị kỹ thuật thực tế để hỗ trợ các thử nghiệm tại hiện trường trong tương lai cho các máy biến áp 750kV và 1000kV.
II. Các thông số cơ bản của máy biến áp
Máy biến áp chính tại trạm biến áp Lanzhou Đông được sản xuất bởi Công ty TNHH Máy biến áp Xi’an XD. Các thông số chính như sau:
Model: ODFPS-500000/750
Điện áp định mức: HV 750kV, MV (với bộ điều chỉnh tap ±2.5%) kV, LV 63kV
Công suất định mức: 500/500/150 MVA
Điện áp vận hành tối đa: 800/363/72.5 kV
Phương pháp làm mát: Làm mát bằng dầu tuần hoàn ép cưỡng bức và làm mát bằng không khí (OFAF)
Trọng lượng dầu: 84 tấn; Trọng lượng tổng: 298 tấn
Mức cách điện cuộn dây HV: Xung toàn sóng 1950kV, xung cắt sóng 2100kV, điện áp chịu đựng ngắn hạn cảm ứng 1550kV, điện áp chịu đựng tần số công nghiệp 860kV
III. Quy trình thử nghiệm và tiêu chuẩn
(A) Quy trình thử nghiệm
Theo GB1094.3-2003, quy trình thử nghiệm phóng điện cục bộ cho máy biến áp bao gồm năm khoảng thời gian—A, B, C, D và E—với điện áp áp dụng được chỉ định cho mỗi khoảng. Điện áp tiền căng thẳng trong khoảng C được định nghĩa là 1,7 đơn vị mỗi (pu), trong đó 1 pu = Um/√3 (Um là điện áp hệ thống tối đa). Giá trị này thấp hơn một chút so với Um được chỉ định trong GB1094.3-1985. Đối với máy biến áp Lanzhou Đông, Um = 800kV, do đó điện áp tiền căng thẳng nên là 785kV.
(B) Yêu cầu về điện áp chịu đựng
Điện áp chịu đựng ngắn hạn cảm ứng cho máy biến áp Lanzhou Đông là 860kV. Theo "Tiêu chuẩn thử nghiệm hoán vị cho thiết bị điện UHV 750kV" của Tập đoàn Điện lực Quốc gia Trung Quốc, điện áp thử nghiệm tại hiện trường nên là 85% giá trị thử nghiệm tại nhà máy, tức là 731kV, thấp hơn yêu cầu điện áp tiền căng thẳng 1,7 pu (785kV).
Để giải quyết mâu thuẫn giữa điện áp tiền căng thẳng và điện áp chịu đựng hoán vị, các tiêu chuẩn liên quan nêu rõ rằng nếu điện áp tiền căng thẳng vượt quá 85% điện áp chịu đựng tại nhà máy, điện áp tiền căng thẳng thực tế nên được thỏa thuận giữa người dùng và nhà sản xuất. "Quy cách kỹ thuật cho máy biến áp chính 750kV"明确规定，现场局部放电试验的预应力电压等于工厂耐压值的85%。因此，兰州东变电站现场局部放电试验的预应力电压设定为731kV。局部放电测量和耐压试验结合进行，耐压试验阶段作为局部放电试验的预应力阶段。 (C) 局部放电验收标准 在1.5倍额定电压下，变压器的局部放电量必须小于500皮库仑（pC）。 IV. 试验过程 从2005年8月9日至2006年4月26日，兰州东变电站A相主变压器共进行了12次局部放电试验。关键试验信息总结如下： | 试验编号 | 日期 | 耐压试验？ | 局部放电量 | 备注 | |--------|------------|----------|-------------------------|----------------------------------------| | 1 | 2005-08-09 | 是 | 高压：180 pC，中压：600-700 pC | 投运前；中压略微超出限值 | | 2 | 2005-08-10 | 否 | 700 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 3 | 2005-08-10 | 否 | 700 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 4 | 2005-08-12 | 是 | 688 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 5 | 2005-08-12 | 否 | 600 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 6 | 2005-08-15 | 否 | 700 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 7 | 2005-08-16 | 否 | 700 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 8 | 2005-08-17 | 否 | 700 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 9 | 2005-08-21 | 否 | 500 pC (工频, 1.05倍额定电压, 48小时) | 投运前；包括48小时空载试验 | | 10 | 2005-08-24 | 否 | 667 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前 | | 11 | 2005-09-23 | 是 | 910 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运前；局部放电量略有增加 | | 12 | 2006-04-26 | 是 | 280 pC (>100kV, 在1.5倍额定电压下) | 投运后；中压局部放电量降至可接受范围 | 总体而言，在投运前，兰州东A相主变压器中压绕组的局部放电量在600至910皮库仑之间，超过了500皮库仑的验收标准。然而，在2006年4月26日重新测试后，局部放电量降至280皮库仑，符合要求。 V. 试验分析 (A) 局部放电起始电压（PDIV）和熄灭电压（PDEV） - 定义问题：GB7354-2003和DL417-1991对PDIV和PDEV的定义不精确。例如，“规定值”在定义中没有明确界定——尽管通常假设为500皮库仑，但这导致实际应用中的显著不一致。此外，现场试验中的背景噪声通常达到数十到数百皮库仑，使得难以识别明显的放电起始点。 - 案例观察：在兰州东A相变压器进行的12次局部放电试验中，局部放电量随着电压逐渐增加，没有明显的跳跃（最大步进变化约200皮库仑），无法确定清晰的PDIV。在某些试验中，低电压下就已经存在可测量的局部放电，难以评估PDIV是否降低。此外，最新的国家标准GB1094.3-2003未提及PDIV或PDEV，导致从业者之间的解释和判定不一致。 (B) 放电源定位 - 常用方法的局限性：广泛使用的超声波局部放电源定位方法通过检测由放电产生的超声波到达罐壁传感器的时间差来定位。然而，这种方法面临技术不成熟、需要足够大的放电能量（在传感器灵敏度范围内）、以及由于内部绕组多次反射和折射导致定位不准确等挑战。 - 案例结果：在投运前试验中，局部放电源定位设备仅提供了放电源的大致位置。控制室监测系统未能检测到随电压变化的局部放电变化，限制了结果的有用性。后来安装的在线监测系统在2006年4月26日的试验中也未能检测到相关变化。因此，当局部放电量较低时，应谨慎对待超声波定位结果。 (C) 放电严重程度 虽然标准规定在1.5倍额定电压下局部放电量不超过500皮库仑，但在实际操作中，500皮库仑和700皮库仑之间没有显著差异——它们属于同一数量级。此外，当局部放电量低于1000皮库仑时，变压器内部通常没有可见的放电痕迹，现场排油检查也很少发现异常。将750kV变压器（体积大且重）返回工厂维修风险很高。 VI. 建议 (A) 提高绝缘水平 兰州东变压器的感应耐压相对较低。考虑到国内750kV变压器制造的历史较短和经验有限，以及现场局部放电试验的必要性，建议未来的750kV主变压器的感应耐压不低于900kV。 (B) 放宽现场投运局部放电试验标准 国外仅在工厂严格进行局部放电试验，不在现场重复。然而，在中国，现场局部放电试验是强制性的投运项目。建议放宽750kV变压器现场局部放电试验的验收标准至小于1000皮库仑，原因如下： - 局部放电量在500-1000皮库仑之间的变压器在储存或运行一段时间后重新测试时通常会减少局部放电量（如兰州东A相变压器）。 - 当局部放电量低于1000皮库仑时，通常没有可见的放电痕迹，现场检查很少发现问题，而返回工厂维修风险很高。 - 对于750kV和1000kV变压器，现场局部放电试验实际上是“准耐压试验”： - 小电压裕度：对于兰州东变压器，在1.5倍额定电压下的局部放电试验电压（693kV，±3%测量不确定度：672-714kV）非常接近投运耐压731kV，仅留有2.4%的裕度。即使未来750kV变压器的感应耐压提高到900kV，投运试验在765kV时仍留有有限裕度。同样，对于1000kV变压器，局部放电试验电压（1.4倍额定电压=889kV）非常接近935kV的耐压水平。 - 长时间：虽然标准耐压持续时间仅为约56秒（在108Hz试验频率下），但完整的局部放电试验在1.5倍额定电压下最多持续65分钟。重复试验可能导致累积绝缘损伤，影响变压器寿命。 - 很少有案例表明重复现场试验能将过高的局部放电量降至可接受水平；相反，局部放电量可能会增加（如兰州东A相变压器：2005年8月10日为700皮库仑，到9月23日增加到910皮库仑）。 (C) 重新定义局部放电起始和熄灭电压 现有标准缺乏对PDIV和PDEV的明确定义，这可能导致试验解释误导（如兰州东案例所示）。建议重新定义这些术语，并提供明确的数值标准，同时包括在PDIV和PDEV不明显情况下的指导。 (D) 加强实用现场技术研究 - 收集真实变压器局部放电模式：文献中的大多数典型局部放电模式来自实验室模拟，与真实变压器行为不同。示意图不足以指导现场工作。有必要收集和分析真实的局部放电模式，并将其编入参考手册，用于定性分析和定位。 - 推进抗干扰研究：外部干扰是现场局部放电试验的主要挑战。当前测量系统无法区分真正的放电和干扰，严重依赖操作员的经验。需要对干扰源和抑制方法进行更多研究。 (E) 要求试验人员持证上岗 局部放电测量是常规现场高压试验中最技术要求高且不可预测的一项。然而，误判很常见。人员应接受基本原理、设备接线、组件匹配、干扰消除和局部放电源定位等方面的系统培训，并必须获得认证后才能进行试验。 (F) 定期校准试验仪器 GB7354-2003明确规定，局部放电测量仪器每年至少校准两次或在大修后校准。实际上，这往往没有严格执行，有些仪器使用多年未校准——记录的误差高达数十倍。建议严格按照国家标准执行校准，以确保测量准确性。 (G) 必要时使用在线监测 在线监测技术已显著改进。对于局部放电量超过限值但不严重的750kV变压器，增强在线监测是一个合理的方法。除了局部放电外，还应监测温度、铁芯和夹件接地电流、油色谱等参数，以全面评估变压器健康状况。 VII. 结论与展望 - 结论：现有标准对局部放电起始和熄灭电压的定义不足，限制了其在现场试验中的指导作用。兰州东750kV变压器的绝缘水平相对较低，使其局部放电试验本质上成为“准耐压试验”。A相变压器的12次现场局部放电试验可能造成了一定的累积绝缘应力。未来的750kV变压器应具有至少900kV的绝缘水平。 - 展望：中国1000kV交流特高压输电的研究和规划已经完成，示范项目正在建设中。鉴于1000kV变压器的绝缘裕度更小，应尽早开展现场投运试验研究，为实际应用提供技术支持。
