Normas y Cálculo de la Prueba LTAC para Transformadores de Potencia

1 Introducción

De acuerdo con las disposiciones de la norma nacional GB/T 1094.3-2017, el propósito principal de la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) para transformadores de potencia es evaluar la resistencia dieléctrica alterna desde los terminales del devanado de alta tensión hasta tierra. No sirve para evaluar el aislamiento entre vueltas o el aislamiento fase a fase.

En comparación con otras pruebas de aislamiento (como la prueba de impulso de rayo completo LI o la prueba de impulso de conmutación SI), la prueba LTAC impone una evaluación más estricta sobre la resistencia principal del aislamiento entre los terminales del devanado de alta tensión, los terminales de conexión de alta tensión y los componentes metálicos a tierra, como las estructuras de sujeción, las unidades de elevación y el tanque, debido a su mayor duración (típicamente 30 segundos para transformadores de 50 Hz y 36 segundos para transformadores de 60 Hz).

Numerosos casos de fallas en pruebas de aislamiento han demostrado que muchos transformadores de potencia pueden soportar las pruebas de impulso de rayo (LI) y de impulso de conmutación (SI), pero aún así experimentan fallos durante la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC), con fallos que a menudo ocurren en los últimos segundos de la prueba. Esto demuestra claramente la importancia crítica de la duración de la prueba en la evaluación del aislamiento principal y resalta la naturaleza rigurosa de la prueba LTAC en la evaluación de la resistencia del aislamiento principal.

Por lo tanto, es esencial que los ingenieros de diseño de transformadores calculen con precisión la distribución de potencial del devanado durante la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) en la etapa de diseño, para llevar a cabo un diseño de aislamiento principal científico y racional, asegurando un margen de aislamiento suficiente desde la fuente de diseño.

2 Interpretación de las Normas

La prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) para transformadores de potencia es un nuevo ítem de prueba de aislamiento de alta tensión introducido en la norma nacional más reciente GB/T 1094.3-2017. Evolucionó y se separó de la prueba de resistencia inducida a corto plazo (ACSD) especificada en la norma anterior GB/T 1094.3-2003. Las disposiciones relevantes relacionadas con la prueba LTAC se enumeran en la tabla a continuación:

La norma proporciona la siguiente interpretación de la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) para transformadores de potencia:

• Para transformadores de potencia con Um ≤ 72.5 kV, que están completamente aislados, la resistencia principal del aislamiento entre el devanado de alta tensión y los terminales de conexión de alta tensión y tierra puede evaluarse completamente mediante la prueba de tensión aplicada (AV). Por lo tanto, no se requiere la prueba LTAC.

• Para transformadores de potencia con 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Si están completamente aislados, aunque la resistencia principal del aislamiento todavía puede verificarse adecuadamente mediante la prueba de tensión aplicada (AV), la prueba LTAC se especifica como una prueba especial. Esto significa que generalmente no se requiere durante las pruebas rutinarias, pero debe realizarse si se solicita explícitamente por el usuario.

• Si están a tierra neutral (aislamiento graduado), la prueba LTAC se especifica como una prueba rutinaria y debe realizarse en cada unidad durante las pruebas de aceptación en fábrica. Sin embargo, con el acuerdo del usuario, puede ser reemplazada por una prueba de impulso de conmutación en el terminal de línea (SI).

• Para transformadores de potencia con Um > 170 kV, ya sea completamente aislados o con aislamiento graduado, la prueba LTAC se clasifica como una prueba especial—generalmente no obligatoria a menos que se requiera específicamente por el usuario. En este caso, sin embargo, no puede ser reemplazada por una prueba de impulso de conmutación en el terminal de línea (SI).

En la práctica, para transformadores de potencia completamente aislados, independientemente del nivel de tensión, la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) nunca se realiza, porque la resistencia principal del aislamiento entre los terminales del devanado/terminales de conexión de alta tensión y tierra puede verificarse de manera más rigurosa mediante la prueba de tensión aplicada de 1 minuto (AV) rutinaria.

Es importante tener en cuenta que para transformadores de potencia con Um > 170 kV, la prueba LTAC no puede ser sustituida por la prueba SI. Cálculos teóricos y experiencia histórica muestran que para evaluar el aislamiento principal desde el terminal de línea hasta tierra en transformadores superiores a 170 kV, la prueba LTAC es aproximadamente un 10% más estricta que la prueba SI.

3 Método de Cálculo

El objetivo de realizar la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) en un transformador de potencia es inducir la tensión de prueba especificada en el terminal de alta tensión, mientras se asegura que el terminal de baja tensión alcance un valor de tensión lo más cercano posible al nivel especificado. No hay requisitos obligatorios con respecto al método de prueba específico. El método de prueba LTAC más común es el "método de apoyo cortocircuitado y a tierra en fase opuesta". Esta sección introduce brevemente este método utilizando como ejemplo el transformador de potencia SZ18-100000/220.

3.1 Parámetros del Transformador

Relación de tensión: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Relación de capacidad: 100 / 100 MVA
Frecuencia nominal: 50 Hz
Grupo vectorial: YNd11
Niveles de aislamiento: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Circuito de Prueba

El diagrama de circuito para la prueba de resistencia a tensión alterna en el terminal de línea (LTAC) de este transformador de potencia se muestra a continuación:

Diagrama de Circuito de Prueba LTAC (Fase A como Ejemplo)

Lado de alta tensión en el tope 9, lado de baja tensión alimentado a 2.0 veces la tensión nominal

Los puntos clave del circuito de prueba LTAC son los siguientes:

• La prueba LTAC debe realizarse fase por fase, es decir, una prueba de sobretensión monofásica inducida con un factor de inducción de aproximadamente 2 veces la tensión nominal. En algunos casos, puede no ser posible lograr exactamente 2 veces, y se permiten pequeñas desviaciones.

• Tomando como ejemplo la prueba LTAC en la fase A del devanado de alta tensión: se aplica cierta tensión Uax a través de los terminales de baja tensión ax, con el terminal x a tierra; los terminales b y c del lado de baja tensión se dejan flotantes. En el lado de alta tensión, los terminales B y C se cortocircuitan juntos y se ponen a tierra, mientras que el terminal A y el terminal neutro (0) se dejan abiertos (sin conectar).

• El devanado de alta tensión debe estar en una posición de tope específica designada para asegurar que se induzca la tensión de prueba requerida de 395 kV (con una desviación permitida de ±3%) en el terminal de línea de alta tensión A.

3.3 Proceso de Cálculo

Según la ley de inducción electromagnética de Faraday y el principio de continuidad del flujo magnético, bajo la configuración de prueba anterior, el flujo magnético en las patas del núcleo de las fases B y C es igual a la mitad del flujo magnético en la pata del núcleo de la fase A, y en dirección opuesta. Por lo tanto, la tensión inducida en los devanados de las fases B y C tendrá una amplitud igual a la mitad de la tensión inducida en la fase A.

Diagrama Esquemático de la Distribución del Flujo Magnético durante la Prueba LTAC
(Fase A de Alta Tensión como Ejemplo)

Sea K el factor de inducción de la tensión de excitación en la fase de baja tensión a, y sea N la posición del tope en el lado de alta tensión. Se puede establecer la siguiente ecuación:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Dado que la fase B está a tierra, Uᵦ = 0)

Dado que la amplitud del flujo magnético en la pata del núcleo de la fase B es la mitad de la de la fase A, se sigue que:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Por lo tanto:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Sustituyendo la relación de tensión del transformador y las posiciones de tope:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Esta ecuación contiene dos incógnitas, N y K, y por lo tanto, teóricamente, tiene infinitas soluciones. Sin embargo, desde un punto de vista físico, ambas variables están restringidas: N debe ser un entero entre 1 y 17, y K es aproximadamente igual a 2.

Resolviendo la ecuación con N = 9 se obtiene K = 1.98.
Alternativamente, estableciendo K = 2 y N = 9 se obtiene una tensión inducida Uₐ = 398.4 kV.

Usando la fórmula anterior, se puede calcular el potencial de tierra inducido en cualquier punto de los devanados del transformador durante la prueba LTAC.

3.4 Distribución de Tensión

Usando el método de cálculo anterior, se puede determinar la distribución de potencial a través de los devanados durante la prueba de aislamiento LTAC en la fase A del devanado de alta tensión de la siguiente manera:

Distribución de Potencial en los Devanados durante la Prueba LTAC Monofásica en la Fase A

A partir del diagrama de distribución de tensión inducida anterior, se puede observar que durante una prueba LTAC monofásica, la diferencia de potencial inducida entre los devanados es relativamente pequeña. Por lo tanto, la prueba LTAC no impone una evaluación rigurosa—ni tampoco evalúa completamente—la resistencia principal del aislamiento entre los devanados. Sin embargo, la evaluación de la resistencia principal del aislamiento desde el terminal de línea de alta tensión hasta tierra es la más severa en esta prueba (esta conclusión se aplica específicamente a transformadores con aislamiento graduado). Durante el diseño, se debe prestar especial atención a la verificación de la resistencia principal del aislamiento entre el terminal del devanado de alta tensión, el terminal de conexión de alta tensión y los componentes a tierra, como las estructuras de sujeción, las paredes del tanque y los elevadores de los bushings de alta tensión, bajo condiciones de prueba LTAC.