Normen und Berechnung des LTAC-Tests für Starkstromtransformatoren

1 Einführung

Gemäß den Vorschriften des nationalen Standards GB/T 1094.3-2017 dient der Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) für Starkstromtransformator hauptsächlich dazu, die Wechselstrom-Durchschlagsfestigkeit zwischen den Hochspannungswicklungsklemmen und Masse zu bewerten. Sie dient nicht zur Bewertung der Wicklungs- oder Phasen-zu-Phasen-Isolation.

Im Vergleich zu anderen Isolierprüfungen (wie z.B. vollständiger Blitzimpuls LI oder Schaltimpuls SI) stellt die LTAC-Prüfung aufgrund ihrer längeren Dauer (üblicherweise 30 Sekunden für 50 Hz-Transformator und 36 Sekunden für 60 Hz-Transformator) eine relativ strengere Bewertung der Hauptisolationsfestigkeit zwischen den Hochspannungswicklungsklemmen, den Hochspannungsfühlerklemmen und erdenden Metallteilen wie Klammerstrukturen, Steigern und dem Gehäuse dar.

Viele Fälle von Isolierprüfungsfehlern haben gezeigt, dass viele Starkstromtransformator die Blitzimpuls- (LI) und Schaltimpulsprüfungen (SI) überstehen können, aber während der Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) immer noch einen Durchschlag erleiden, wobei diese oft in den letzten paar Sekunden der Prüfung auftreten. Dies zeigt deutlich die entscheidende Bedeutung der Prüfdauer bei der Bewertung der Hauptisolation und unterstreicht die strenge Natur der LTAC-Prüfung bei der Bewertung der Hauptisolationsfestigkeit.

Daher ist es für Transformator-Konstruktionstechniker unerlässlich, die Spannungsverteilung der Wicklungen während der Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) im Entwurfsstadium genau zu berechnen, um eine wissenschaftliche und rationale Hauptisolationsgestaltung durchzuführen und ausreichend Isolationsreserven im Entwurf zu gewährleisten.

2 Interpretation der Normen

Die Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) für Starkstromtransformator ist ein neu hinzugefügter Hochspannungs-Isolierprüfungsartikel, der im neuesten nationalen Standard GB/T 1094.3-2017 eingeführt wurde. Sie entwickelte sich aus der kurzzeitigen induzierten Durchschlagsspannungsprüfung (ACSD), die im vorherigen Standard GB/T 1094.3-2003 vorgesehen war. Die relevanten Bestimmungen zur LTAC-Prüfung sind in der unten stehenden Tabelle aufgelistet:

Die Norm gibt folgende Interpretation der Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) für Starkstromtransformator:

• Für Starkstromtransformator mit Um ≤ 72.5 kV, die alle vollständig isoliert sind, kann die Hauptisolationsfestigkeit zwischen den Hochspannungswicklungen, den Hochspannungsführern und Masse durch die angewandte Spannungsprüfung (AV) vollständig bewertet werden. Daher ist die LTAC-Prüfung nicht erforderlich.

• Für Starkstromtransformator mit 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Wenn sie vollständig isoliert sind, kann die Hauptisolationsfestigkeit zwar durch die angewandte Spannungsprüfung (AV) ausreichend überprüft werden, aber die LTAC-Prüfung wird als spezielle Prüfung festgelegt. Das bedeutet, dass sie in der Regel nicht während der Routineprüfungen erforderlich ist, aber durchgeführt werden muss, wenn dies vom Nutzer explizit angefordert wird.

• Wenn sie neutral geerdet sind (gestaffelte Isolation), wird die LTAC-Prüfung als Routineprüfung festgelegt und muss bei jeder Einheit während der Fabrikabnahmeprüfungen durchgeführt werden. Mit Zustimmung des Nutzers kann sie jedoch durch eine Schaltimpulsprüfung (SI) am Leitungsende ersetzt werden.

• Für Starkstromtransformator mit Um > 170 kV, ob vollständig isoliert oder gestaffelt isoliert, wird die LTAC-Prüfung als spezielle Prüfung eingestuft – in der Regel nicht verpflichtend, es sei denn, sie wird vom Nutzer explizit gefordert. In diesem Fall kann sie jedoch nicht durch eine Schaltimpulsprüfung (SI) am Leitungsende ersetzt werden.

In der Praxis wird die Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) für vollständig isolierte Starkstromtransformator, unabhängig von der Spannungsebene, nie durchgeführt, da die Hauptisolationsfestigkeit zwischen den Hochspannungswicklungen/Führern und Masse durch die routinemäßige 1-Minuten-Angewandte-Spannungsprüfung (AV) strenger überprüft werden kann.

Es sollte beachtet werden, dass für Starkstromtransformator mit Um > 170 kV die LTAC-Prüfung nicht durch die SI-Prüfung ersetzt werden kann. Theoretische Berechnungen und historische Erfahrungen zeigen, dass für die Bewertung der Hauptisolation von Leitungsende zu Masse bei Transformator über 170 kV die LTAC-Prüfung etwa 10% strenger ist als die SI-Prüfung.

3 Berechnungsmethode

Das Ziel der Durchführung der Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) an einem Starkstromtransformator besteht darin, die vorgegebene Prüfspannung am Hochspannungsende zu induzieren, während gleichzeitig sicher gestellt wird, dass das Niederspannungsende einen möglichst nahe an der vorgegebenen Ebene liegenden Spannungswert erreicht. Es gibt keine verbindlichen Anforderungen an die spezifische Prüfmethode. Die gängigste LTAC-Prüfmethode ist die „gegenphasige Kurzschluss- und Erdungsmethode“. In diesem Abschnitt wird diese Methode am Beispiel des SZ18-100000/220-Starkstromtransformators kurz vorgestellt.

3.1 Transformatorparameter

Spannungsverhältnis: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Leistungsverhältnis: 100 / 100 MVA
Nennfrequenz: 50 Hz
Vektorgruppe: YNd11
Isolationsstufen: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Prüfschaltung

Das Schaltbild für die Leitungsende-Wechselstrom-Durchschlagsspannungsprüfung (LTAC) dieses Starkstromtransformators ist unten dargestellt:

Schaltbild der LTAC-Prüfung (Phase A als Beispiel)

Hochspannungsseite an Stufe 9, Niederspannungsseite mit 2,0-facher Nennspannung betrieben

Die wesentlichen Punkte der LTAC-Prüfschaltung sind wie folgt:

• Die LTAC-Prüfung muss phasenweise durchgeführt werden, d.h. eine einphasige induzierte Überspannungsprüfung mit einem Induktionsfaktor von etwa 2-facher Nennspannung. In einigen Fällen ist es möglicherweise nicht exakt 2-fach möglich, und kleine Abweichungen sind zulässig.

• Zum Beispiel bei der LTAC-Prüfung der Hochspannungswicklung Phase A: Eine bestimmte Spannung Uax wird über die Niederspannungsklemmen ax angelegt, wobei Klemme x geerdet ist; Klemmen b und c auf der Niederspannungsseite bleiben frei. Auf der Hochspannungsseite werden Klemmen B und C zusammengefasst und geerdet, während Klemme A und die neutrale (0) Klemme offen gelassen werden (nicht verbunden).

• Die Hochspannungswicklung muss an einer bestimmten, vorgegebenen Stufe eingestellt sein, um sicherzustellen, dass die erforderliche Prüfspannung von 395 kV (mit einer zulässigen Abweichung von ±3%) am Hochspannungsleitungsende A induziert wird.

3.3 Berechnungsprozess

Gemäß Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion und dem Prinzip der Flusskontinuität beträgt der Fluss in den Kerngliedern der Phasen B und C unter der oben genannten Prüfkonfiguration die Hälfte des Flusses im Kernglied der Phase A und hat die entgegengesetzte Richtung. Daher hat die induzierte Spannung in den Wicklungen der Phasen B und C eine Amplitude, die der Hälfte der induzierten Spannung in Phase A entspricht.

Schematische Darstellung der Flussverteilung im Kern während der LTAC-Prüfung
(Hochspannungsphase A als Beispiel)

Sei der Induktionsfaktor der Anregungsspannung auf der Niederspannungsphase a K, und die Hochspannungsseite sei an der Stufe N. Dann kann folgende Gleichung aufgestellt werden:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Da Phase B geerdet ist, Uᵦ = 0)

Da die Amplitude des Flusses im Kernglied der Phase B die Hälfte des Flusses in Phase A beträgt, folgt:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Daher:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Einsetzen des Transformator-Spannungsverhältnisses und der Stufen-Einstellungen:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Diese Gleichung enthält zwei Unbekannte, N und K, und hat daher theoretisch unendlich viele Lösungen. Aus physikalischer Sicht sind jedoch beide Variablen eingeschränkt: N muss eine Ganzzahl zwischen 1 und 17 sein, und K ist ungefähr gleich 2.

Löst man die Gleichung mit N = 9, ergibt sich K = 1.98.
Oder setzt man K = 2 und N = 9, ergibt sich eine induzierte Spannung Uₐ = 398.4 kV.

Mit der obigen Formel kann das induzierte Erdsignal an jedem Punkt der Transformatorwicklungen während der LTAC-Prüfung berechnet werden.

3.4 Spannungsverteilung

Mit der obigen Berechnungsmethode kann die Potentialverteilung über die Wicklungen während der LTAC-Isolierprüfung auf Phase A der Hochspannungswicklung wie folgt bestimmt werden:

Wicklungs-Potentialverteilung während der einphasigen LTAC-Prüfung auf Phase A

Aus dem obigen Diagramm der induzierten Spannungsverteilung kann man sehen, dass während einer einphasigen LTAC-Prüfung der induzierte Potentialunterschied zwischen den Wicklungen relativ klein ist. Daher stellt die LTAC-Prüfung keine strenge Bewertung – und auch keine vollständige Bewertung – der Hauptisolationsfestigkeit zwischen den Wicklungen dar. Allerdings ist die Bewertung der Hauptisolationsfestigkeit vom Hochspannungsleitungsende zu Masse unter dieser Prüfung am strengsten (diese Schlussfolgerung gilt insbesondere für gestaffelt isolierte Transformator). Bei der Konstruktion muss besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt werden, die Hauptisolationsfestigkeit zwischen dem Hochspannungswicklungsende, dem Hochspannungsführerend und erdenden Komponenten wie Klammerstrukturen, Gehäusewänden und Hochspannungsbuchsen-Steigern unter LTAC-Prüfbedingungen zu überprüfen.