Standarder og beregning af LTAC-test for strømtransformatorer

1 Introduktion

I henhold til bestemmelserne i den nationale standard GB/T 1094.3-2017 er det primære formål med linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) for strømtransformatorer at vurdere AC-dielektrisk styrke fra højspændingsvindingskontakter til jord. Den tjener ikke til at vurdere vindingsisolering mellem omgange eller fase til fase.

I sammenligning med andre isolationsprøver (som fuld lynimpuls LI eller skiftimpuls SI) pålægger LTAC-prøven en relativt strengere vurdering af hovedisolationsstyrken mellem højspændingsvindingskontakter, højspændingsledningskontakter og jordede metaldele som klampestrukturer, riser-enheder og tanken, pga. dens længere varighed (typisk 30 sekunder for 50 Hz-transformatorer og 36 sekunder for 60 Hz-transformatorer).

Mange tilfælde af isolationsprøvefejl har vist, at mange strømtransformatorer kan klare lynimpuls (LI) og skiftimpuls (SI) prøver, men stadig oplever nedbrydning under linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC), hvor nedbrydninger ofte forekommer i de sidste få sekunder af prøven. Dette demonstrerer tydeligt den kritiske betydning af prøvens varighed i evalueringen af hovedisolering og fremhæver den strenge natur af LTAC-prøven i vurderingen af hovedisolationsstyrken.

Derfor er det afgørende, at transformator-designingeniører nøjagtigt beregner vindingspotentialets fordeling under linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) i designfasen, således at der udføres en videnskabelig og rationel hovedisolationsdesign, der sikrer tilstrækkelig isolationsmargin fra designkilden.

2 Fortolkning af standarder

Linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) for strømtransformatorer er et nyt højspændingsisolationsprøveelement, der er introduceret i den nyeste nationale standard GB/T 1094.3-2017. Det er udviklet og adskilt fra kortvarig induceret spændingsprøve (ACSD), som er specificeret i den tidligere standard GB/T 1094.3-2003. De relevante bestemmelser vedrørende LTAC-prøven er opført i tabellen nedenfor:

Standarden giver følgende fortolkning af linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) for strømtransformatorer:

• For strømtransformatorer med Um ≤ 72.5 kV, som er alle fuldt isolerede, kan hovedisolationsstyrken mellem højspændingsvinding og højspændingsledningskontakter og jord fuldt ud vurderes ved anvendt spændingsprøve (AV). Derfor er LTAC-prøven ikke påkrævet.

• For strømtransformatorer med 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Hvis fuldt isoleret, kan hovedisolationsstyrken stadig tilstrækkeligt bekræftes ved anvendt spændingsprøve (AV), men LTAC-prøven er specificeret som en specialprøve. Dette betyder, at den generelt ikke er påkrævet under rutineprøver, men skal udføres, hvis brugeren specifikt anmoder om det.

• Hvis neutralt jordet (gradueret isolering), er LTAC-prøven specificeret som en rutineprøve og skal udføres på hver enhed under fabriksgodkendelsesprøver. Dog kan den med brugerens samtykke erstattes af en linje-terminal skiftimpulsprøve (SI).

• For strømtransformatorer med Um > 170 kV, uanset om de er fuldt isolerede eller gradueret isolerede, er LTAC-prøven klassificeret som en specialprøve - generelt ikke obligatorisk, medmindre specifikt påkrævet af brugeren. I dette tilfælde kan den dog ikke erstattes af en linje-terminal skiftimpulsprøve (SI).

I praksis udføres linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) aldrig for fuldt isolerede strømtransformatorer, uanset spændingsniveau, da hovedisolationsstyrken mellem højspændingsvinding/ledningskontakter og jord kan verificeres mere strenget ved rutine 1-minutters anvendt spændingsprøve (AV).

Det bør bemærkes, at for strømtransformatorer med Um > 170 kV, kan LTAC-prøven ikke erstattes af SI-prøven. Både teoretiske beregninger og historisk erfaring viser, at for at vurdere hovedisolering fra linje-terminal til jord i transformatorer over 170 kV, er LTAC-prøven ca. 10% strengere end SI-prøven.

3 Beregningsmetode

Formålet med at udføre linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) på en strømtransformator er at inducere den specificerede prøvespænding på højspændingskontakten, mens lavspændingskontakten når et spændingsniveau, der er så tæt som muligt på det specificerede niveau. Der er ingen obligatoriske krav angående den specifikke prøvemetode. Den mest almindelige LTAC-prøvemetode er "modfase kortsluttet og jordet understøttelsesmetode." Denne sektion introducerer kort denne metode ved hjælp af SZ18-100000/220 strømtransformator som eksempel.

3.1 Transformatorparametre

Spændingsforhold: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Kapacitetsforhold: 100 / 100 MVA
Nominel frekvens: 50 Hz
Vektorgruppe: YNd11
Isolationsniveauer: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Prøvecirkuit

Kredsløbsdiagrammet for linje-terminal AC spændingsprøve (LTAC) for denne strømtransformator er vist nedenfor:

LTAC Prøvecirkuitdiagram (Fase A som eksempel)

Højspændings side ved tap 9, lavspændings side aktiveret ved 2.0 gange nominel spænding

De vigtigste punkter for LTAC-prøvecirkuitet er følgende:

• LTAC-prøven skal udføres fase for fase, dvs. en enkelfase induceret overspændingsprøve med en induktionsfaktor på cirka 2 gange nominel spænding. I nogle tilfælde kan det ikke være præcis muligt at opnå nøjagtigt 2 gange, og mindre afvigelser er tilladt.

• Tag LTAC-prøven på fase A af højspændingsvinding som eksempel: En bestemt spænding Uax anvendes på lavspændingskontakterne ax, med kontakten x jordet; kontakterne b og c på lavspændings siden er fritstående. På højspændings siden er kontakterne B og C kortsluttet sammen og jordet, mens kontakten A og neutral (0) kontakten er åbne (ikke forbundet).

• Højspændingsvindingen skal sættes på en bestemt specificeret tap-position for at sikre, at den påkrævede prøvespænding på 395 kV (med en tilladte afvigelse på ±3%) induceres på højspændingslinje-kontakten A.

3.3 Beregningsproces

Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induktion og principperne for magnetfladekontinuitet vil magnetfladen i kernen af faser B og C under ovenstående prøvekonfiguration være lig med halvdelen af magnetfladen i fase A's kernedel, og i modsat retning. Derfor vil den inducerede spænding i vindingerne af faser B og C have en amplitud, der er lig med halvdelen af den inducerede spænding i fase A.

Skitsetegning af kernes magnetfladedistribution under LTAC-prøve
(Højspændings fase A som eksempel)

Lad induktionsfaktoren for opmuntringsspændingen på lavspændings fase a være K, og lad højspændings siden være på tap-position N. Følgende ligning kan opstilles:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Da fase B er jordet, Uᵦ = 0)

Givet, at amplituden af magnetfladen i kernedelen af fase B er halvdelen af fase A, følger det, at:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Derfor:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Substitution af transformatorens spændingsforhold og tap-indstillinger:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Denne ligning indeholder to ukendte, N og K, og har derfor teoretisk set uendelig mange løsninger. Men fra et fysisk synspunkt er begge variabler begrænset: N skal være et heltal mellem 1 og 17, og K er cirka lig med 2.

Løsningen af ligningen med N = 9 resulterer i K = 1.98.
Alternativt ved at sætte K = 2 og N = 9 gives en induceret spænding Uₐ = 398.4 kV.

Med ovenstående formel kan den inducerede jordpotential ved ethvert punkt på transformatorvindingerne under LTAC-prøven beregnes.

3.4 Spændingsfordeling

Ved hjælp af ovenstående beregningsmetode kan potentialfordelingen på vindingerne under LTAC-isolationsprøven på fase A af højspændingsvindingen fastsættes som følger:

Vindingpotentialfordeling under enkelfase LTAC-prøve på fase A

Fra ovenstående diagram over induceret spændingsfordeling kan det ses, at under en enkelfase LTAC-prøve er den inducerede potentiafdifferens mellem vindinger relativt lille. Derfor pålægger LTAC-prøven ikke en streng vurdering - eller en fuldstændig vurdering - af hovedisolationsstyrken mellem vindinger. Men vurderingen af hovedisolationsstyrken fra højspændingslinje-terminal til jord er den mest strenge under denne prøve (denne konklusion gælder specifikt for gradueret-isolerede transformatorer). Under design skal der særligt opmærksomhed være på at verificere hovedisolationsstyrken mellem højspændingsvindingterminal, højspændingsledningskontakter og jordede komponenter som klampestrukturer, tankvægge og højspændingsbushings risere under LTAC-prøvebetingelser.