استانداردها و محاسبه آزمون LTAC برای ترانسفورماتورهای قدرت

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 ولتاژ متناوب از پایانه‌های سیم‌پیچ فشار بالا تا زمین است. این آزمون برای ارزیابی عایق بین دورها یا عایق بین فازها مناسب نیست.

در مقایسه با سایر آزمون‌های عایق (مانند ضربه کامل برق (LI) یا ضربه تغییر وضعیت (SI))، آزمون LTAC به دلیل طولانی‌تر بودن مدت آزمون (معمولاً ۳۰ ثانیه برای ترانسفورماتورهای ۵۰ هرتز و ۳۶ ثانیه برای ترانسفورماتورهای ۶۰ هرتز)، ارزیابی دقیق‌تری از قدرت عایق اصلی بین پایانه‌های سیم‌پیچ فشار بالا، پایانه‌های سیم‌های فشار بالا و قطعات فلزی زمین شده مانند ساختارهای گیره‌ای، واحد‌های افزایشی و بدنه را انجام می‌دهد.

بسیاری از موارد شکست عایق نشان داده‌اند که بسیاری از ترانسفورماتورهای قدرت می‌توانند آزمون‌های ضربه کامل برق (LI) و ضربه تغییر وضعیت (SI) را تحمل کنند اما هنوز در آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه‌های خط (LTAC) شکست می‌خورند، و این شکست‌ها معمولاً در چند ثانیه آخر آزمون رخ می‌دهند. این موضوع به وضوح اهمیت حیاتی مدت آزمون در ارزیابی عایق اصلی را نشان می‌دهد و مشخص می‌کند که آزمون LTAC در ارزیابی قدرت عایق اصلی بسیار دقیق و سختگیرانه است.

بنابراین، برای مهندسان طراح ترانسفورماتور، محاسبه دقیق توزیع پتانسیل سیم‌پیچ در آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه‌های خط (LTAC) در مرحله طراحی ضروری است تا بتوان طراحی عایق اصلی علمی و منطقی انجام داد و اطمینان حاصل کرد که از طراحی منبع، حاشیه عایق کافی وجود دارد.

تفسیر استانداردها

آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه‌های خط (LTAC) برای ترانسفورماتورهای قدرت یک آیتم جدید آزمون عایق فشار بالا است که در آخرین استاندارد ملی GB/T 1094.3-2017 اضافه شده است. این آزمون از آزمون تحمل ولتاژ القایی کوتاه‌مدت (ACSD) که در استاندارد قبلی GB/T 1094.3-2003 تعریف شده بود، 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) در ترانسفورماتورهای قدرت ارائه می‌دهد:

• برای ترانسفورماتورهای قدرت با Um ≤ 72.5 kV که همه آنها به طور کامل عایق شده‌اند، قدرت عایق اصلی بین سیم‌پیچ فشار بالا و پایانه‌های خط فشار بالا 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 باشند، 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 عموماً در آزمون‌های معمولی مورد نیاز نیست، اما باید انجام شود اگر به صراحت توسط کاربر درخواست شود.

• اگر به طور خنثی زمین شده باشد (عایق‌بندی مرتبه‌ای)، آزمون LTAC به عنوان یک آزمون معمولی مشخص شده و باید در هر واحد در طی 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 یا عایق‌بندی مرتبه‌ای داشته باشند، آزمون LTAC به عنوان یک آزمون خاص طبقه‌بندی شده است - عموماً الزامی نیست مگر اینکه به صراحت توسط کاربر درخواست شود. 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 فشار بالا و زمین می‌تواند به طور دقیق‌تر با آزمون ولتاژ اعمال شده معمولی یک دقیقه‌ای (AV) 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 بالاتر از 170 kV، آزمون LTAC حدود 10٪ بیشتر از آزمون SI سختگیرانه است.

3 روش محاسبه

هدف انجام آزمون تحمل ولتاژ متناوب پایانه خط (LTAC) در یک ترانسفورماتور قدرت، القای ولتاژ آزمون مشخص شده در پایانه فشار بالا است، در حالی که مطمئن می‌شویم پایانه فشار پایین به مقداری نزدیک به سطح مشخص شده می‌رسد. هیچ الزامات اجباری در مورد روش آزمون خاص وجود ندارد. روش LTAC رایج‌ترین آزمون "روش پشتیبانی کوتاه‌شده و زمین شده ضدفاز" 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
سطح‌های 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 فشار بالا در پوزیشن تاپ 9، طرف فشار پایین با 2.0 برابر ولتاژ اسمی تغذیه می‌شود

نکات کلیدی مدار آزمون LTAC به شرح زیر است:

• آزمون LTAC باید به صورت فاز به فاز انجام شود، یعنی یک آزمون ولتاژ اضافی تک فاز با عامل القاء حدود 2 برابر ولتاژ اسمی. در برخی موارد، ممکن است دقیقاً 2 برابر نباشد و انحرافات کوچک مجاز هستند.

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

• سیم‌پیچ فشار بالا باید در یک پوزیشن تاپ مشخص قرار داده شود تا مطمئن شویم ولتاژ آزمون مورد نیاز 395 kV (با انحراف مجاز ±3%) در پایانه خط فشار بالا A القا شود.

3.3 فرآیند محاسبه

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

نمودار شماتیک توزیع شار هسته در طی آزمون LTAC
(به عنوان مثال فاز A فشار بالا)

فرض کنید عامل القاء ولتاژ تحریک در فاز a طرف فشار پایین K باشد و طرف فشار بالا در پوزیشن تاپ N باشد. می‌توان معادله زیر را تشکیل داد:

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

از آنجا که دامنه شار مغناطیسی در عضو هسته فاز B نصف دامنه شار مغناطیسی در فاز A است، داریم:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

بنابراین:
1.5 × Uₐ₀ = 395

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

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

حل معادله با N = 9 به K = 1.98 منجر می‌شود.
در مقابل، تنظیم K = 2 و N = 9 ولتاژ القایی Uₐ = 398.4 kV را می‌دهد.

با استفاده از فرمول فوق، پتانسیل زمینی القایی 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 صورت 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 کوچک است. بنابراین، آزمون LTAC ارزیابی دقیق و کامل قدرت عایق‌بندی اصلی بین سیم‌پیچ‌ها را فراهم نمی‌کند. با این حال، ارزیابی قدرت عایق‌بندی اصلی از پایانه خط ولتاژ بالا تا زمین در این آزمون بیشترین شدت را دارد (این نتیجه به طور خاص به ترانسفورماتورهای با عایق‌بندی لایه‌ای اعمال می‌شود). در مرحله طراحی، باید توجه خاصی به تأیید قدرت عایق‌بندی اصلی بین پایانه سیم‌پیچ ولتاژ بالا، پایانه سیم‌های ولتاژ بالا و المان‌های زمین‌دار مانند ساختارهای فشرده، دیواره ظرف و ستون‌های بوشینگ ولتاژ بالا در شرایط آزمون LTAC داشته باشد.