Normes i Càlcul de la Prova LTAC per a Transformadors Elèctrics

1 Introducció

Segons les disposicions de la norma nacional GB/T 1094.3-2017, l'objectiu principal de la prova de resistència a tensió alterna (LTAC) al terminal de línia per a transformadors de potència és avaluar la resistència dielèctrica alterna des dels terminals de l'enrotllament d'alta tensió fins a terra. No serveix per avaluar l'aïllament entre espires ni l'aïllament entre fases.

En comparació amb altres proves d'aïllament (com ara la prova d'impuls de llamp total LI o la prova d'impuls de commutació SI), la prova LTAC implica una avaluació més estricta de la resistència principal d'aïllament entre els terminals de l'enrotllament d'alta tensió, els terminals dels conductors d'alta tensió i els components metàl·lics aterrats com les estructures de presa, les unitats d'ascensor i el dipòsit, degut a la seva durada més llarga (normalment 30 segons per als transformadors de 50 Hz i 36 segons per als de 60 Hz).

Nombrosos casos de fallida en proves d'aïllament han demostrat que molts transformadors de potència poden suportar les proves d'impuls de llamp total (LI) i d'impuls de commutació (SI), però encara experimenten un trencament durant la prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC), amb trencaments que sovint ocorren en els últims segons de la prova. Això demostra clarament la importància crítica de la durada de la prova en l'avaluació de l'aïllament principal i ressalta la naturalesa rigorosa de la prova LTAC en l'avaluació de la resistència d'aïllament principal.

Per tant, és essencial que els enginyers de disseny de transformadors calculin amb precisió la distribució de potencial de l'enrotllament durant la prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC) en la fase de disseny, per a realitzar un disseny científic i racional de l'aïllament principal, assegurant un marge d'aïllament suficient des de la font de disseny.

2 Interpretació de les Normes

La prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC) per a transformadors de potència és un nou element de prova d'aïllament d'alta tensió introduït en la norma nacional més recent GB/T 1094.3-2017. Va evolucionar i separar-se de la prova de resistència induïda a curt termini (ACSD) especificada en la norma anterior GB/T 1094.3-2003. Les disposicions rellevants sobre la prova LTAC es llisten a continuació:

La norma proporciona la següent interpretació de la prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC) per a transformadors de potència:

• Per als transformadors de potència amb Um ≤ 72.5 kV, que estan totalment aïllats, la resistència principal d'aïllament entre l'enrotllament d'alta tensió i els terminals dels conductors d'alta tensió i terra es pot avaluar completament mitjançant la prova de tensió aplicada (AV). Per tant, no es requereix la prova LTAC.

• Per als transformadors de potència amb 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Si estan totalment aïllats, encara que la resistència principal d'aïllament es pugui verificar adequadament mitjançant la prova de tensió aplicada (AV), la prova LTAC es especifica com a prova especial. Això significa que generalment no és necessària en les proves rutinàries, però s'ha de realitzar si l'usuari ho sol·licita explícitament.

• Si estan aterrats neutralment (aïllament graduat), la prova LTAC es especifica com a prova rutinària i s'ha de realitzar en cada unitat durant les proves d'acceptació a fàbrica. No obstant això, amb l'acord de l'usuari, pot ser substituïda per una prova d'impuls de commutació al terminal de línia (SI).

• Per als transformadors de potència amb Um > 170 kV, independentment de si estan totalment aïllats o graduats, la prova LTAC es classifica com a prova especial—generalment no obligatòria a menys que l'usuari ho requereixi expressament. En aquest cas, no obstant això, no pot ser substituïda per una prova d'impuls de commutació al terminal de línia (SI).

En la pràctica, per als transformadors de potència totalment aïllats, independentment del nivell de tensió, la prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC) mai es realitza, ja que la resistència principal d'aïllament entre l'enrotllament/terminal de conductors d'alta tensió i terra es pot verificar de manera més rigorosa mitjançant la prova de tensió aplicada (AV) de 1 minut rutinària.

Cal tenir en compte que per als transformadors de potència amb Um > 170 kV, la prova LTAC no pot ser substituïda per la prova SI. Tant els càlculs teòrics com l'experiència històrica mostren que per avaluar l'aïllament principal des del terminal de línia fins a terra en transformadors superiors a 170 kV, la prova LTAC és aproximadament un 10% més estricta que la prova SI.

3 Mètode de Càlcul

L'objectiu de realitzar la prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC) en un transformador de potència és induir la tensió de prova especificada al terminal d'alta tensió, mentre s'assegura que el terminal de baixa tensió arribi a un valor de tensió tan proper com sigui possible al nivell especificat. No hi ha requisits obligatoris en relació al mètode de prova específic. El mètode més comú de prova LTAC és el "mètode de suport contrafase i aterrado". Aquesta secció introdueix breument aquest mètode utilitzant com a exemple el transformador de potència SZ18-100000/220.

3.1 Paràmetres del Transformador

Relació de tensions: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Relació de capacitats: 100 / 100 MVA
Freqüència nominal: 50 Hz
Grup vectorial: YNd11
Nivells d'aïllament: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Circuit de Prova

El diagrama de circuit de la prova de resistència a tensió alterna al terminal de línia (LTAC) d'aquest transformador de potència es mostra a continuació:

Diagrama de Circuit de la Prova LTAC (Exemple de la Fase A)

Costat d'alta tensió a la presa 9, costat de baixa tensió alimentat a 2.0 vegades la tensió nominal

Els punts clau del circuit de prova LTAC són els següents:

• La prova LTAC s'ha de realitzar fase per fase, és a dir, una prova de sobretensió monofàsica induïda amb un factor d'inducció d'aproximadament 2 vegades la tensió nominal. En alguns casos, pot no ser possible assolir exactament 2 vegades, i es permeten petites desviacions.

• Prenent com a exemple la prova LTAC de la fase A de l'enrotllament d'alta tensió: s'aplica una certa tensió Uax entre els terminals ax de baixa tensió, amb el terminal x aterra; els terminals b i c del costat de baixa tensió queden flotants. Al costat d'alta tensió, els terminals B i C es connecten juntament i s'aterren, mentre que el terminal A i el terminal neutre (0) queden oberts (no connectats).

• L'enrotllament d'alta tensió s'ha de posicionar en una presa específica per assegurar que es produeixi la tensió de prova requerida de 395 kV (amb una desviació permès de ±3%) al terminal de línia d'alta tensió A.

3.3 Processos de Càlcul

Segons la llei d'inducció electromagnètica de Faraday i el principi de la continuïtat del flux magnètic, en la configuració de prova anterior, el flux magnètic en les branques del nucli de les fases B i C és igual a la meitat del flux magnètic en la branca del nucli de la fase A, i en la direcció oposada. Per tant, la tensió induïda en els enrotllaments de les fases B i C tindrà una amplitud igual a la meitat de la tensió induïda en la fase A.

Diagrama Esquemàtic de la Distribució de Flux Magnètic durant la Prova LTAC
(Exemple de la Fase A d'Alta Tensió)

Sigui K el factor d'inducció de la tensió d'excitació en la fase a de baixa tensió, i sigui N la posició de la presa al costat d'alta tensió. Es pot establir la següent equació:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Com que la fase B està aterrada, Uᵦ = 0)

Dona't que l'amplitud del flux magnètic en la branca del nucli de la fase B és la meitat de la de la fase A, segueix que:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Per tant:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Substituint la relació de tensions del transformador i la configuració de les prese:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Aquesta equació conté dos desconeguts, N i K, i per tant teòricament té infinites solucions. No obstant això, des d'un punt de vista físic, ambdós variables estan restringides: N ha de ser un enter entre 1 i 17, i K és aproximadament igual a 2.

Resolent l'equació amb N = 9, s'obté K = 1.98.
Alternativament, fixant K = 2 i N = 9, s'obté una tensió induïda Uₐ = 398.4 kV.

Utilitzant la fórmula anterior, es pot calcular el potencial a terra induït en qualsevol punt dels enrotllaments del transformador durant la prova LTAC.

3.4 Distribució de Tensió

Utilitzant el mètode de càlcul anterior, es pot determinar la distribució de potencial a través dels enrotllaments durant la prova d'aïllament LTAC de la fase A de l'enrotllament d'alta tensió com a continuació:

Distribució de Potencial d'Enrotllament durant la Prova LTAC Monofàsica de la Fase A

A partir del diagrama de distribució de tensió induïda anterior, es pot veure que durant una prova LTAC monofàsica, la diferència de potencial induïda entre enrotllaments és relativament petita. Per tant, la prova LTAC no implica una avaluació rigorosa—ni tampoc completa—de la resistència principal d'aïllament entre enrotllaments. No obstant això, l'avaluació de la resistència principal d'aïllament des del terminal de línia d'alta tensió fins a terra és la més severa en aquesta prova (aquesta conclusió s'aplica específicament als transformadors d'aïllament graduat). Durant el disseny, cal prestar especial atenció a la verificació de la resistència principal d'aïllament entre el terminal de l'enrotllament d'alta tensió, el terminal del conductor d'alta tensió i els components aterrats com les estructures de presa, les parets del dipòsit i els elevadors de bornes d'alta tensió en condicions de prova LTAC.