Normy a výpočet LTAC testu pro elektrické transformátory

1 Úvod

Podle ustanovení národního standardu GB/T 1094.3-2017 má hlavním cílem test střídavého napětí na koncových členech vodiče (LTAC) pro elektrické transformátory hodnotit střídavou dielektrickou odolnost mezi terminály vysokého napětí a zemí. Nejedná se o hodnocení meziovinové izolace nebo fázové izolace.

V porovnání s jinými izolačními testy (např. úplný bleskový impulz LI nebo přepínací impulz SI) LTAC test klade relativně přísnější požadavek na hlavní izolační odolnost mezi terminály vysokého napětí, terminály vysokonapěťových vodičů a zemědělnými kovovými komponenty, jako jsou stlačovací struktury, vývody a nádrž, díky své delší době trvání (typicky 30 sekund pro transformátory s frekvencí 50 Hz a 36 sekund pro transformátory s frekvencí 60 Hz).

Mnoho případů selhání izolačních testů ukázalo, že mnoho elektrických transformátorů může vydržet bleskový impulz (LI) a přepínací impulz (SI), ale stále dochází k průniku během testu střídavého napětí na koncových členech vodiče (LTAC), a to často v posledních několika sekundách testu. To jasně ukazuje klíčovou důležitost doby trvání testu při hodnocení hlavní izolace a zdůrazňuje přísnou povahu LTAC testu při hodnocení hlavní izolační odolnosti.

Je tedy zásadní, aby inženýři navrhující transformátory přesně vypočítali rozložení potenciálů vinutí během testu střídavého napětí na koncových členech vodiče (LTAC) ve fázi návrhu, aby mohli provést vědecký a racionální návrh hlavní izolace, zajistit dostatečnou izolační rezervu již v zdroji návrhu.

2 Výklad standardů

Test střídavého napětí na koncových členech vodiče (LTAC) pro elektrické transformátory je nově přidaným položkou vysokého napěťového izolačního testu v nejnovějším národním standardu GB/T 1094.3-2017. Vyvinul se a oddělil od krátkodobého indukovaného výdržového testu střídavého napětí (ACSD) stanoveného v předchozím standardu GB/T 1094.3-2003. Příslušná ustanovení týkající se LTAC testu jsou uvedena v níže uvedené tabulce:

Standard poskytuje následující interpretaci zkoušky odolnosti střídavého napětí na čelových terminálech (LTAC) pro elektrické transformátory:

• Pro elektrické transformátory s Um ≤ 72,5 kV, které jsou plně izolované, lze hlavní sílu izolace mezi vysokonapěťovým cívkováním a vysokonapěťovými čelovými terminály a zemí plně vyhodnotit pomocí zkoušky aplikovaného napětí (AV). Proto není třeba provádět LTAC zkoušku.

• Pro elektrické transformátory s 72,5 < Um ≤ 170 kV:

• Pokud jsou plně izolované, i když hlavní síla izolace může být stále dostatečně ověřena zkouškou aplikovaného napětí (AV), LTAC zkouška je specifikována jako speciální zkouška. To znamená, že obecně není požadována během rutinních zkoušek, ale musí být provedena, pokud ji uživatel explicitně požádá.

• Pokud jsou neutrálně zapojeny (graduovaná izolace), LTAC zkouška je specifikována jako rutinní zkouška a musí být provedena na každé jednotce během továrních přijímacích zkoušek. Avšak s souhlasem uživatele může být nahrazena zkouškou přepínacího impulzu na čelových terminálech (SI).

• Pro elektrické transformátory s Um > 170 kV, bez ohledu na to, zda jsou plně izolované nebo s graduovanou izolací, LTAC zkouška je zařazena jako speciální zkouška – obecně není povinná, pokud ji uživatel speciálně nevyžaduje. V tomto případě však nemůže být nahrazena zkouškou SI.

Ve praxi se pro plně izolované elektrické transformátory, bez ohledu na úroveň napětí, nikdy neprovádí LTAC zkouška, protože hlavní síla izolace mezi vysokonapěťovým cívkováním/čelovými terminály a zemí může být důkladněji ověřena běžnou 1-minutovou zkouškou aplikovaného napětí (AV).

Je třeba poznamenat, že pro elektrické transformátory s Um > 170 kV nemůže LTAC zkouška být nahrazena zkouškou SI. Teoretické výpočty a historické zkušenosti ukazují, že pro hodnocení hlavní izolace od čelového terminálu k zemi u transformátorů nad 170 kV je LTAC zkouška přibližně o 10 % přísnější než zkouška SI.

3 Výpočetní metoda

Cílem provádění zkoušky odolnosti střídavého napětí na čelových terminálech (LTAC) u elektrického transformátoru je indukovat stanovené zkouškové napětí na vysokonapěťovém terminálu, zatímco se zajistí, aby nízkonapěťový terminál dosáhl napěťové hodnoty co nejblíže stanovené úrovni. Neexistují žádné povinné požadavky týkající se konkrétní zkoušební metody. Nejčastější LTAC zkoušební metoda je „metoda opačné fáze krácené a zemně spojené podpory“. Tato sekce stručně popisuje tuto metodu na příkladu transformátoru SZ18-100000/220.

3.1 Parametry transformátoru

Poměr napětí: 230 ± 8 × 1,25% / 37 kV
Poměr kapacity: 100 / 100 MVA
Nominální frekvence: 50 Hz
Skupina vektorů: YNd11
Úrovně izolace: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Zkoušební obvod

Schéma obvodu pro zkoušku odolnosti střídavého napětí na čelových terminálech (LTAC) tohoto elektrického transformátoru je znázorněno níže:

Schéma obvodu LTAC zkoušky (fáze A jako příklad)

Vysokonapěťová strana na čepu 9, nízkonapěťová strana napájena 2,0krát nominálním napětím

Klíčové body LTAC zkoušebního obvodu jsou následující:

• LTAC zkouška se provádí fáze po fázi, tedy jednofázová zkouška indukovaného přetlaku s koeficientem indukce přibližně 2krát nominální napětí. V některých případech může být nepřesně možné dosáhnout přesně 2krát a malé odchylky jsou dovoleny.

• Na příkladu LTAC zkoušky fáze A vysokonapěťového cívkování: určité napětí Uax je aplikováno mezi nízkonapěťovými terminály ax, s terminálem x zemně spojeným; terminály b a c na nízkonapěťové straně jsou nezavedeny. Na vysokonapěťové straně jsou terminály B a C kráceny spolu a zemně spojeny, zatímco terminál A a neutrální (0) terminál jsou nezavedeny (nejsou spojeny).

• Vysokonapěťové cívkování musí být nastaveno na specifické určené čepové polohy, aby bylo zajištěno, že požadované zkouškové napětí 395 kV (s tolerancí ±3%) bude indukováno na vysokonapěťovém čelovém terminálu A.

3.3 Výpočetní postup

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce a principu kontinuity magnetického toku, za daného zkoušebního nastavení, je magnetický tok v jádrovéch částech fází B a C roven polovině magnetického toku v jádrové části fáze A a má opačný směr. Proto bude amplituda indukovaného napětí ve cívkách fází B a C rovna polovině amplitudy indukovaného napětí v fázi A.

Schematizovaný diagram rozdělení magnetického toku v jádru během LTAC zkoušky
(vysokonapěťová fáze A jako příklad)

Nechť koeficient indukce napětí na nízkonapěťové fázi a je K a vysokonapěťová strana je na čepu N. Lze zapsat následující rovnici:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Jelikož fáze B je zemně spojena, Uᵦ = 0)

Vzhledem k tomu, že amplituda magnetického toku v jádrové části fáze B je polovina amplitudy fáze A, platí:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Tedy:
1,5 × Uₐ₀ = 395

Dosazením poměru napětí transformátoru a nastavení čepů:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Tato rovnice obsahuje dva neznámé, N a K, a tedy teoreticky má nekonečně mnoho řešení. Nicméně, z fyzikálného hlediska jsou obě proměnné omezeny: N musí být celé číslo mezi 1 a 17, a K je přibližně rovno 2.

Řešení rovnice s N = 9 dává K = 1.98.
Jinak, pokud se nastaví K = 2 a N = 9, výsledné indukované napětí Uₐ = 398.4 kV.

Pomocí výše uvedeného vzorce lze vypočítat indukované potenciál na jakémkoli bodu cívek transformátoru během LTAC testu.

3.4 Rozdělení napětí

Pomocí výše uvedené metody výpočtu lze určit rozdělení potenciálů po cívkách během LTAC izolačního testu na fázi A vysokého napětí následovně:

Rozdělení potenciálů po cívkách během jednofázového LTAC testu na fázi A

Z výše uvedeného diagramu rozdělení indukovaného napětí lze vidět, že během jednofázového LTAC testu je indukovaný potenciální rozdíl mezi cívkami relativně malý. Proto LTAC test nepředstavuje přísnou hodnocení—ani plné hodnocení—hlavní síly izolace mezi cívkami. Avšak hodnocení hlavní síly izolace od terminálu vysokého napětí k zemi je nejvíce náročné za těchto testovacích podmínek (tento závěr platí speciálně pro transformátory s stupňovitou izolací). Při návrhu je třeba zvláštní pozornost věnovat ověření hlavní síly izolace mezi terminálem vysokého napětí, terminálem vedení vysokého napětí a zazemlenými komponenty jako jsou stlačovací struktury, stěny nádrže a vystupující části vysokonapěťových vývodů za podmínek LTAC testu.