Стандарты и расчеты испытания LTAC для силовых трансформаторов

مقدمه

بر اساس مقررات استاندارد ملی GB/T 1094.3-2017، هدف اصلی آزمون تحمل ولتاژ متناوب (LTAC) در پایانه‌های خط برای ترانسفورماتورهای قدرت ارزیابی تحمل دی الکتریکی AC از پایانه‌های لوله‌های فشار بالا تا زمین است. این آزمون برای ارزیابی عایق بندی بین دورها یا عایق بندی فاز به فاز مناسب نیست.

در مقایسه با سایر آزمون‌های عایق بندی (مانند ضربه کامل گرمایی LI یا ضربه جابجایی SI)، آزمون LTAC به دلیل مدت زمان طولانی‌تر (معمولاً 30 ثانیه برای ترانسفورماتورهای 50 هرتز و 36 ثانیه برای ترانسفورماتورهای 60 هرتز) ارزیابی دقیق‌تری از قوی‌ترین عایق بندی بین پایانه‌های لوله‌های فشار بالا، پایانه‌های سیم‌های فشار بالا و اجزای فلزی زمین شده مانند ساختارهای بستن، واحد‌های بالا رفتن و خزانک اعمال می‌کند.

بسیاری از موارد شکست عایق بندی نشان داده‌اند که بسیاری از ترانسفورماتورهای قدرت می‌توانند آزمون‌های ضربه گرمایی (LI) و ضربه جابجایی (SI) را تحمل کنند اما هنوز در طول آزمون تحمل ولتاژ متناوب (LTAC) شکست می‌خورند، و این شکست‌ها معمولاً در چند ثانیه آخر آزمون رخ می‌دهند. این موضوع به وضوح اهمیت حیاتی مدت زمان آزمون در ارزیابی عایق بندی اصلی را نشان می‌دهد و ماهیت دقیق آزمون LTAC در ارزیابی قدرت عایق بندی اصلی را برجسته می‌کند.

بنابراین، برای مهندسان طراح ترانسفورماتور، محاسبه دقیق توزیع پتانسیل لوله‌ها در طول آزمون تحمل ولتاژ متناوب (LTAC) در مرحله طراحی ضروری است تا طراحی عایق بندی اصلی علمی و منطقی انجام شود و حاشیه عایق بندی کافی از منبع طراحی تضمین شود.

تفسیر استانداردها

آزمون تحمل ولتاژ متناوب (LTAC) در پایانه‌های خط برای ترانسفورماتورهای قدرت یک مورد آزمون عایق بندی فشار بالای جدید است که در آخرین استاندارد ملی GB/T 1094.3-2017 اضافه شده است. این آزمون از آزمون تحمل ولتاژ القایی کوتاه مدت (ACSD) مشخص شده در استاندارد قبلی GB/T 1094.3-2003 تکامل یافته و جدا شده است. مقررات مربوط به آزمون LTAC در جدول زیر آمده است:

استاندارد تفسیر زیر را برای آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه خط (LTAC) برای ترانسفورماتورهای قدرت ارائه می‌دهد:

• برای ترانسفورماتورهای قدرت با Um ≤ 72.5 kV که همگی به طور کامل عایق شده‌اند، قدرت عایق اصلی بین سیم‌پیچ بالاولتن و پایانه‌های خط بالاولتن و زمین می‌تواند به طور کامل با آزمون ولتاژ اعمال شده (AV) ارزیابی شود. بنابراین، آزمون LTAC لازم نیست.

• برای ترانسفورماتورهای قدرت با 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• اگر به طور کامل عایق شده باشد، اگرچه قدرت عایق اصلی همچنان می‌تواند به طور کافی با آزمون ولتاژ اعمال شده (AV) تأیید شود، آزمون LTAC به عنوان یک آزمون خاص مشخص شده است. این بدان معناست که معمولاً در آزمون‌های معمولی مورد نیاز نیست، اما اگر به صراحت توسط کاربر درخواست شود، باید انجام شود.

• اگر به طور خنثی متصل شده باشد (عایق مرتبه‌ای)، آزمون LTAC به عنوان یک آزمون معمولی مشخص شده و باید در هر واحد در طول آزمون‌های پذیرش کارخانه انجام شود. با این حال، با توافق کاربر، می‌تواند با آزمون ضربه جابجایی پایانه خط (SI) جایگزین شود.

• برای ترانسفورماتورهای قدرت با Um > 170 kV، چه به طور کامل عایق شده باشند و چه عایق مرتبه‌ای داشته باشند، آزمون LTAC به عنوان یک آزمون خاص طبقه‌بندی شده است - معمولاً الزامی نیست مگر اینکه به طور خاص توسط کاربر مورد نیاز باشد. در این حالت، با این حال، نمی‌تواند با آزمون SI جایگزین شود.

در عمل، برای ترانسفورماتورهای قدرت کاملاً عایق شده، صرف نظر از سطح ولتاژ، آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه خط (LTAC) هرگز انجام نمی‌شود، زیرا قدرت عایق اصلی بین سیم‌پیچ/پایانه‌های خط بالاولتن و زمین می‌تواند به طور دقیق‌تر با آزمون ولتاژ اعمال شده (AV) معمولی یک دقیقه‌ای تأیید شود.

باید توجه داشت که برای ترانسفورماتورهای قدرت با Um > 170 kV، آزمون LTAC نمی‌تواند با آزمون SI جایگزین شود. محاسبات نظری و تجربیات تاریخی نشان می‌دهند که برای ارزیابی عایق اصلی از پایانه خط تا زمین در ترانسفورماتورهای بالای 170 kV، آزمون LTAC حدود 10٪ بیشتر از آزمون SI سختگیرانه است.

3 روش محاسبه

هدف انجام آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه خط (LTAC) روی یک ترانسفورماتور قدرت ایجاد ولتاژ آزمون مشخص شده در پایانه بالاولتن و همچنین تضمین رسیدن ولتاژ پایانه پایین‌ولتا به مقداری به اندازه کافی نزدیک به سطح مشخص شده است. هیچ الزامات اجباری در مورد روش آزمون خاص وجود ندارد. روش LTAC رایج‌ترین آزمون "روش پشتیبانی کوتاه‌شده و زمین‌شده در فاز‌های مخالف" است. این بخش به طور خلاصه این روش را با استفاده از ترانسفورماتور قدرت SZ18-100000/220 مثال می‌زند.

3.1 پارامترهای ترانسفورماتور

نسبت ولتاژ: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
نسبت ظرفیت: 100 / 100 MVA
فرکانس اسمی: 50 Hz
گروه برداری: YNd11
سطح عایق: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 مدار آزمون

نمودار مدار آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه خط (LTAC) این ترانسفورماتور قدرت به شرح زیر است:

نمودار مدار آزمون LTAC (به عنوان مثال فاز A)

طرف بالاولتن در نقطه تماس 9، طرف پایین‌ولتا با 2.0 برابر ولتاژ اسمی تغذیه می‌شود

نکات کلیدی مدار آزمون LTAC به شرح زیر است:

• آزمون LTAC باید فاز به فاز انجام شود، یعنی یک آزمون ولتاژ اضافی تک‌فاز با عامل القایی تقریباً 2 برابر ولتاژ اسمی. در برخی موارد، ممکن است دقیقاً 2 برابر به دست نیاید و انحرافات کوچک مجاز است.

• به عنوان مثال آزمون LTAC روی فاز A سیم‌پیچ بالاولتن: ولتاژ خاص Uax روی پایانه‌های پایین‌ولتا ax اعمال می‌شود، با پایانه x زمین شده؛ پایانه‌های b و c روی طرف پایین‌ولتا آزاد می‌مانند. روی طرف بالاولتن، پایانه‌های B و C با هم کوتاه شده و زمین شده، در حالی که پایانه A و پایانه متعادل (0) باز (متصل نشده) می‌مانند.

• سیم‌پیچ بالاولتن باید در موقعیت تماس خاصی تنظیم شود تا مطمئن شود که ولتاژ آزمون مورد نیاز 395 kV (با انحراف مجاز ±3%) در پایانه خط بالاولتن A القاء شود.

3.3 فرآیند محاسبه

بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و اصل پیوستگی شار مغناطیسی، در پیکربندی آزمون فوق، شار مغناطیسی در اعضای هسته فاز‌های B و C برابر با نیمی از شار مغناطیسی در عضو هسته فاز A و در جهت مخالف است. بنابراین، ولتاژ القایی در سیم‌پیچ‌های فاز‌های B و C دامنه‌ای برابر با نیمی از ولتاژ القایی فاز A خواهد داشت.

نمودار توزیع شار مغناطیسی هسته در طول آزمون LTAC
(به عنوان مثال فاز بالاولتن A)

عامل القای ولتاژ تحریک در فاز پایین‌ولتا a را K و طرف بالاولتن را N در نظر بگیرید. می‌توان معادله زیر را تشکیل داد:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(چون فاز B زمین شده است، Uᵦ = 0)

با توجه به اینکه دامنه شار مغناطیسی در عضو هسته فاز B نصف دامنه شار مغناطیسی فاز A است، داریم:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

بنابراین:
1.5 × Uₐ₀ = 395

جایگزینی نسبت ولتاژ و تنظیمات تپ ترانسفورماتور:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

این معادله دو مجهول، N و K را شامل می‌شود و بنابراین در نظریه بی‌نهایت جواب دارد. با این حال، از نظر فیزیکی هر دو متغیر محدود هستند: N باید یک عدد صحیح بین 1 تا 17 باشد و K تقریباً برابر با 2 است.

حل معادله با N = 9 نتیجه می‌دهد K = 1.98.
به طور جایگزین، تنظیم K = 2 و N = 9 ولتاژ القایی Uₐ = 398.4 kV را به دست می‌آورد.

با استفاده از فرمول فوق، پتانسیل زمین‌نشین در هر نقطه از سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور در طول آزمون LTAC محاسبه می‌شود.

3.4 توزیع ولتاژ

با استفاده از روش محاسبه فوق، توزیع پتانسیل در سیم‌پیچ‌ها در طول آزمون عایق‌بندی LTAC بر روی فاز A سیم‌پیچ ولتاژ بالا به شرح زیر تعیین می‌شود:

توزیع پتانسیل سیم‌پیچ در طول آزمون LTAC تک‌فاز بر روی فاز A

از نمودار توزیع ولتاژ القایی فوق مشخص است که در طول آزمون LTAC تک‌فاز، اختلاف پتانسیل القایی بین سیم‌پیچ‌ها نسبتاً کم است. بنابراین، آزمون LTAC ارزیابی دقیق—یا کامل—قوی عایق‌بندی بین سیم‌پیچ‌ها را انجام نمی‌دهد. با این حال، ارزیابی قوی عایق‌بندی از ترمینال خط ولتاژ بالا تا زمین در این آزمون شدیدترین است (این نتیجه به طور خاص به ترانسفورماتورهای با عایق‌بندی لایه‌ای اعمال می‌شود). در طراحی، باید توجه خاصی به تأیید قوی عایق‌بندی بین ترمینال سیم‌پیچ ولتاژ بالا، ترمینال خط ولتاژ بالا و اجزای زمین‌دار مانند ساختارهای ضربه‌گیر، دیواره ظرف و ساقه‌های بوش ولتاژ بالا در شرایط آزمون LTAC شود.