Πρότυπα και Υπολογισμός Ελέγχου LTAC για Μετατροπείς Ρεύματος

1 Εισαγωγή

Σύμφωνα με τις διατάξεις του εθνικού προτύπου GB/T 1094.3-2017, ο κύριος στόχος του δοκιμαστικού AC συχνής τάσης στο άκρο γραμμής (LTAC) για τους ηλεκτροδότησης μετατροπείς είναι να αξιολογήσει την ηλεκτρική αντοχή AC από τα άκρα των υψηλής τάσης στροφών στη γη. Δεν χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της απομόνωσης μεταξύ στροφών ή φάσεων.

Σε σύγκριση με άλλες δοκιμές απομόνωσης (όπως η πλήρης χτύπηση καταιγίδας LI ή η χτύπηση σύνδεσης SI), η δοκιμή LTAC επιβάλλει μια σχετικά πιο αυστηρή αξιολόγηση της βασικής ισχύος απομόνωσης μεταξύ των άκρων των υψηλής τάσης στροφών, των άκρων των υψηλής τάσης οδηγών και των συνδεδεμένων με τη γη μεταλλικών συνιστωσών, όπως οι δομές συμπίεσης, τα μονάδες ανόδου και το ποτήρι, λόγω της μεγαλύτερης διάρκειάς της (συνήθως 30 δευτερόλεπτα για τους 50 Hz μετατροπείς και 36 δευτερόλεπτα για τους 60 Hz μετατροπείς).

Πολλά περιστατικά αποτυχίας δοκιμών απομόνωσης έχουν δείξει ότι πολλοί μετατροπείς μπορούν να αντέξουν τις δοκιμές χτύπησης καταιγίδας (LI) και χτύπησης σύνδεσης (SI), αλλά ακόμα και να εμφανίζουν κατάρρευση κατά τη διάρκεια της δοκιμής LTAC, με τις καταρρεύσεις να συμβαίνουν συχνά κατά τα τελευταία δευτερόλεπτα της δοκιμής. Αυτό δείχνει την κρίσιμη σημασία της διάρκειας της δοκιμής στην αξιολόγηση της βασικής απομόνωσης και υπογραμμίζει την αυστηρότητα της δοκιμής LTAC στην αξιολόγηση της βασικής ισχύος απομόνωσης.

Επομένως, είναι απαραίτητο για τους μηχανικούς σχεδιασμού μετατροπέων να υπολογίσουν ακριβώς την κατανομή δυναμικής των στροφών κατά τη διάρκεια της δοκιμής LTAC στη φάση σχεδιασμού, ώστε να πραγματοποιηθεί επιστημονικός και λογικός σχεδιασμός βασικής απομόνωσης, εξασφαλίζοντας αρκετό περιθώριο απομόνωσης από την πηγή του σχεδιασμού.

2 Ερμηνεία των Προτύπων

Η δοκιμή LTAC για τους μετατροπείς είναι ένα νέο έλεγχο απομόνωσης υψηλής τάσης που προστέθηκε στο πιο πρόσφατο εθνικό πρότυπο GB/T 1094.3-2017. Εξελίχθηκε και αποχώρισε από την δοκιμή ανεχτικότητας ενδείξεως σύντομης διάρκειας (ACSD) που προσδιορίστηκε στο προηγούμενο πρότυπο GB/T 1094.3-2003. Οι σχετικές διατάξεις για τη δοκιμή LTAC αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα:

Η πρότυπη διατύπωση του έλεγχου αντοχής σε εναλλακτικό ρεύμα (LTAC) για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς είναι η εξής:

• Για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς με Um ≤ 72.5 kV, οι οποίοι είναι όλοι πλήρως αμυντικοί, η κύρια αμυντική ισχύς μεταξύ του υψηλής τάσης στροφής και των κατανώδων υψηλής τάσης και της γης μπορεί να αξιολογηθεί πλήρως μέσω του ελέγχου εφαρμοσμένης τάσης (AV). Συνεπώς, ο έλεγχος LTAC δεν είναι απαραίτητος.

• Για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς με 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Αν είναι πλήρως αμυντικοί, αν και η κύρια αμυντική ισχύς μπορεί να επαληθευτεί πλήρως μέσω του ελέγχου εφαρμοσμένης τάσης (AV), ο έλεγχος LTAC καθορίζεται ως ειδικός έλεγχος. Αυτό σημαίνει ότι συνήθως δεν είναι απαραίτητος κατά τους συνηθισμένους ελέγχους, αλλά πρέπει να εκτελεστεί αν ζητηθεί συγκεκριμένα από τον χρήστη.

• Αν είναι ουδέτερα εδραιωμένοι (ετερογενείς αμυντικοί), ο έλεγχος LTAC καθορίζεται ως συνηθισμένος έλεγχος και πρέπει να εκτελεστεί σε κάθε μονάδα κατά τους ελέγχους αποδοχής στην εργοστασιακή εγκατάσταση. Ωστόσο, με συμφωνία του χρήστη, μπορεί να αντικατασταθεί από τον έλεγχο στροβίλιου στα κατανώδη τάσης (SI).

• Για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς με Um > 170 kV, είτε πλήρως αμυντικοί είτε ετερογενείς αμυντικοί, ο έλεγχος LTAC ταξινομείται ως ειδικός έλεγχος—συνήθως δεν είναι υποχρεωτικός εκτός αν ζητηθεί συγκεκριμένα από τον χρήστη. Σε αυτή την περίπτωση, ωστόσο, δεν μπορεί να αντικατασταθεί από τον έλεγχο στροβίλιου στα κατανώδη τάσης (SI).

Στην πράξη, για τους πλήρως αμυντικούς ηλεκτρικούς μετατροπείς, ανεξάρτητα από το επίπεδο τάσης, ο έλεγχος αντοχής σε εναλλακτικό ρεύμα (LTAC) στα κατανώδη τάσης δεν εκτελείται ποτέ, επειδή η κύρια αμυντική ισχύς μεταξύ της υψηλής τάσης στροφής/κατανώδων και της γης μπορεί να επαληθευτεί πιο αυστηρά μέσω του συνηθισμένου ελέγχου εφαρμοσμένης τάσης (AV) 1 λεπτού.

Πρέπει να σημειωθεί ότι για τους ηλεκτρικούς μετατροπείς με Um > 170 kV, ο έλεγχος LTAC δεν μπορεί να αντικατασταθεί από τον έλεγχο SI. Και οι θεωρητικοί υπολογισμοί και η ιστορική εμπειρία δείχνουν ότι για την αξιολόγηση της κύριας αμυντικής από τα κατανώδη τάσης στη γη σε μετατροπείς πάνω από 170 kV, ο έλεγχος LTAC είναι περίπου 10% πιο αυστηρός από τον έλεγχο SI.

3 Μέθοδος Υπολογισμού

Ο στόχος του ελέγχου αντοχής σε εναλλακτικό ρεύμα (LTAC) σε ηλεκτρικό μετατροπεία είναι να επιτευχθεί η καθορισμένη τάση δοκιμής στο κατανώδη υψηλής τάσης, ενώ παράλληλα να εξασφαλίζεται ότι το κατανώδη χαμηλής τάσης φθάνει σε ένα επίπεδο τάσης όσο το δυνατόν πιο κοντά στο καθορισμένο. Δεν υπάρχουν υποχρεωτικές απαιτήσεις ως προς τη συγκεκριμένη μέθοδο δοκιμής. Η πιο κοινή μέθοδος LTAC είναι η "μέθοδος αντίθετης φάσης και εδραίωσης". Αυτή η ενότητα παρουσιάζει συνεπτυγμένα αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα τον ηλεκτρικό μετατροπεία SZ18-100000/220.

3.1 Παράμετροι Μετατροπείας

Σχέση τάσης: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Σχέση δυναμικότητας: 100 / 100 MVA
Τυπική συχνότητα: 50 Hz
Ομάδα διανυσμάτων: YNd11
Επίπεδα αμυντικής: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Διάγραμμα Δοκιμής

Το διάγραμμα κύκλου για τον έλεγχο αντοχής σε εναλλακτικό ρεύμα (LTAC) αυτού του ηλεκτρικού μετατροπεία είναι το εξής:

Διάγραμμα Κύκλου LTAC (Ως Παράδειγμα Φάσης A)

Υψηλή τάση στην θέση πίνακα 9, χαμηλή τάση ενεργοποιημένη σε 2.0 φορές την τυπική τάση

Τα βασικά σημεία του κυκλώματος LTAC είναι τα εξής:

• Ο έλεγχος LTAC πρέπει να εκτελεστεί φάση προς φάση, δηλαδή ένας μονοφασικός έλεγχος υπερτάσης με παράγοντα επαναφοράς περίπου 2 φορές την τυπική τάση. Σε μερικές περιπτώσεις, μπορεί να μην είναι δυνατό να επιτευχθεί ακριβώς 2 φορές, και επιτρέπονται μικρές αποκλίσεις.

• Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον έλεγχο LTAC στη φάση A της υψηλής τάσης: εφαρμόζεται μια συγκεκριμένη τάση Uax στα κατανώδη χαμηλής τάσης ax, με το κατανώδη x εδραιωμένο στη γη· τα κατανώδη b και c στην χαμηλή τάση αφήνονται ελεύθερα. Στην υψηλή τάση, τα κατανώδη B και C συνδέονται μαζί και εδραιώνονται, ενώ το κατανώδη A και το κατανώδη (0) αφήνονται ανοιχτά (ανεξάρτητα).

• Η υψηλή τάση στροφής πρέπει να είναι σε συγκεκριμένη θέση πίνακα για να εξασφαλίζεται ότι η απαιτούμενη τάση δοκιμής 395 kV (με επιτρεπτή απόκλιση ±3%) επιτευχθεί στο κατανώδη υψηλής τάσης A.

3.3 Διαδικασία Υπολογισμού

Σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαναφοράς του Faraday και την αρχή της συνέχειας του μαγνητικού ροής, κάτω από την παραπάνω διάταξη δοκιμής, η μαγνητική ροή στα μέλη κέντρου των φάσεων B και C είναι ίση με το μισό της μαγνητικής ροής στο μέλος κέντρου της φάσης A, και σε αντίθετη φάση. Συνεπώς, η επαναφορά τάσης στις στροφές των φάσεων B και C θα έχει μέγεθος ίσο με το μισό της επαναφοράς τάσης στη φάση A.

Σχεδιαγράμματος Διανύσματος Μαγνητικής Ροής κατά τη Δοκιμή LTAC
(Ως Παράδειγμα Φάσης A Υψηλής Τάσης)

Ας ονομάσουμε τον παράγοντα επαναφοράς της τάσης ενεργοποίησης στη φάση a ως K, και την υψηλή τάση στη θέση πίνακα N. Μπορεί να εγκαθιδρυθεί το εξής εξίσωση:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Επειδή η φάση B είναι εδραιωμένη, Uᵦ = 0)

Δεδομένου ότι το μέγεθος της μαγνητικής ροής στο μέλος κέντρου της φάσης B είναι το μισό της φάσης A, ακολουθεί ότι:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Επομένως:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Αντικαθιστώντας την αναλογία τάσης και τις ρυθμίσεις των στάσεων του μετατροπέα:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Αυτή η εξίσωση περιέχει δύο άγνωστα, N και K, και θεωρητικά έχει άπειρες λύσεις. Ωστόσο, από φυσικής άποψης, και τα δύο μεταβλητές είναι περιορισμένες: το N πρέπει να είναι ακέραιος αριθμός μεταξύ 1 και 17, ενώ το K είναι περίπου ίσο με 2.

Η λύση της εξίσωσης με N = 9 δίνει K = 1.98.
Εναλλακτικά, θέτοντας K = 2 και N = 9 δίνει μια επενδυμένη τάση Uₐ = 398.4 kV.

Χρησιμοποιώντας την παραπάνω τύπο, μπορεί να υπολογιστεί η επενδυμένη δυναμική ισχύς σε κάθε σημείο των στροφών του μετατροπέα κατά τη διάρκεια του δοκιμαστικού LTAC.

3.4 Διανομή Τάσης

Χρησιμοποιώντας την παραπάνω μέθοδο υπολογισμού, η κατανομή δυναμικής στις στροφές κατά τη διάρκεια της δοκιμής επιστρωτικής απομόνωσης LTAC στη φάση A της υψηλής τάσης μπορεί να καθοριστεί ως εξής:

Κατανομή Δυναμικής των Στροφών κατά τη Δοκιμή LTAC Μονοφασικής Φάσης στη Φάση A

Από το παραπάνω διάγραμμα κατανομής επενδυμένης τάσης, φαίνεται ότι κατά τη διάρκεια μιας μονοφασικής δοκιμής LTAC, η επενδυμένη δυναμική διαφορά μεταξύ στροφών είναι σχετικά μικρή. Συνεπώς, η δοκιμή LTAC δεν επιβάλλει μια αυστηρή αξιολόγηση—ούτε πλήρη αξιολόγηση—της κύριας απομόνωσης μεταξύ στροφών. Ωστόσο, η αξιολόγηση της κύριας απομόνωσης από τον κατωφλιακό σημειασμό της υψηλής τάσης στη γη είναι η πιο αυστηρή κατά τη διάρκεια αυτής της δοκιμής (αυτή η συμπέραση ισχύει ειδικά για τους μετατροπείς με επιπέδωση απομόνωσης). Κατά τη σχεδίαση, πρέπει να δοθεί ειδική προσοχή στην επαλήθευση της κύριας απομόνωσης μεταξύ του κατωφλιακού σημείου της υψηλής τάσης, του κατωφλιακού σημείου της υψηλής τάσης, και των εδαφικών συσταδιών, όπως οι καταστροφικές δομές, τα τοίχια της δοχείας και τα ανεβατικά των βουστρούχων υψηλής τάσης, κατά τη διάρκεια της δοκιμής LTAC.