Normes et calcul du test LTAC pour les transformateurs de puissance

1 Introduction

Selon les dispositions de la norme nationale GB/T 1094.3-2017, l'essai de tenue à la tension alternative (LTAC) aux bornes de ligne des transformateurs de puissance a pour but principal d'évaluer la résistance diélectrique alternative entre les bornes de l'enroulement haute tension et la terre. Il ne sert pas à évaluer l'isolation intertour ou phase-à-phase.

Comparé à d'autres essais d'isolation (comme l'impulsion de foudre complète LI ou l'impulsion de commutation SI), l'essai LTAC impose une évaluation plus stricte de la résistance principale de l'isolation entre les bornes de l'enroulement haute tension, les bornes de connexion haute tension et les composants métalliques mis à la terre tels que les structures de serrage, les unités d'élévation et le bac, en raison de sa durée plus longue (généralement 30 secondes pour les transformateurs 50 Hz et 36 secondes pour les transformateurs 60 Hz).

De nombreux cas de défaillance d'essais d'isolation ont montré que de nombreux transformateurs de puissance peuvent supporter les essais d'impulsion de foudre (LI) et d'impulsion de commutation (SI) mais subissent encore une rupture lors de l'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC), avec des ruptures se produisant souvent dans les dernières secondes de l'essai. Cela démontre clairement l'importance critique de la durée de l'essai dans l'évaluation de l'isolation principale et souligne la rigueur de l'essai LTAC dans l'évaluation de la résistance de l'isolation principale.

Il est donc essentiel que les ingénieurs de conception de transformateurs calculent précisément la répartition du potentiel de l'enroulement lors de l'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC) au stade de la conception, afin de réaliser une conception d'isolation principale scientifique et rationnelle, garantissant une marge d'isolation suffisante à la source de la conception.

2 Interprétation des normes

L'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC) des transformateurs de puissance est un nouvel essai d'isolation haute tension ajouté dans la dernière norme nationale GB/T 1094.3-2017. Il a évolué et s'est séparé de l'essai de tenue à la tension induite à court terme (ACSD) spécifié dans l'ancienne norme GB/T 1094.3-2003. Les dispositions pertinentes concernant l'essai LTAC sont répertoriées dans le tableau ci-dessous :

La norme fournit l'interprétation suivante de l'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC) des transformateurs de puissance :

• Pour les transformateurs de puissance avec Um ≤ 72.5 kV, qui sont tous entièrement isolés, la résistance principale de l'isolation entre les bornes de l'enroulement haute tension et de connexion haute tension et la terre peut être pleinement évaluée par l'essai de tension appliquée (AV). Par conséquent, l'essai LTAC n'est pas nécessaire.

• Pour les transformateurs de puissance avec 72.5 < Um ≤ 170 kV :

• Si entièrement isolés, bien que la résistance principale de l'isolation puisse toujours être adéquatement vérifiée par l'essai de tension appliquée (AV), l'essai LTAC est spécifié comme un essai spécial. Cela signifie qu'il n'est généralement pas requis lors des essais de routine, mais doit être effectué si explicitement demandé par l'utilisateur.

• Si la terre est neutre (isolation graduée), l'essai LTAC est spécifié comme un essai de routine et doit être effectué sur chaque unité lors des essais d'acceptation en usine. Cependant, avec l'accord de l'utilisateur, il peut être remplacé par un essai d'impulsion de commutation aux bornes de ligne (SI).

• Pour les transformateurs de puissance avec Um > 170 kV, qu'ils soient entièrement isolés ou à isolation graduée, l'essai LTAC est classé comme un essai spécial - généralement non obligatoire sauf si expressément exigé par l'utilisateur. Dans ce cas, cependant, il ne peut pas être remplacé par un essai d'impulsion de commutation aux bornes de ligne (SI).

En pratique, pour les transformateurs de puissance entièrement isolés, quelle que soit la tension, l'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC) n'est jamais effectué, car la résistance principale de l'isolation entre les bornes de l'enroulement/connexion haute tension et la terre peut être vérifiée de manière plus rigoureuse par l'essai de tension appliquée (AV) de routine de 1 minute.

Il convient de noter que pour les transformateurs de puissance avec Um > 170 kV, l'essai LTAC ne peut pas être substitué par l'essai SI. Les calculs théoriques et l'expérience historique montrent que pour évaluer l'isolation principale de la borne de ligne à la terre dans les transformateurs au-dessus de 170 kV, l'essai LTAC est environ 10% plus strict que l'essai SI.

3 Méthode de calcul

Le but de l'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC) sur un transformateur de puissance est d'induire la tension d'essai spécifiée à la borne haute tension, tout en assurant que la borne basse tension atteigne une valeur de tension aussi proche que possible du niveau spécifié. Il n'y a pas de exigences obligatoires concernant la méthode d'essai spécifique. La méthode LTAC la plus courante est la "méthode de soutien opposée et mise à la terre". Cette section présente brièvement cette méthode en utilisant le transformateur de puissance SZ18-100000/220 comme exemple.

3.1 Paramètres du transformateur

Rapport de tension : 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Rapport de capacité : 100 / 100 MVA
Fréquence nominale : 50 Hz
Groupe vectoriel : YNd11
Niveaux d'isolation : LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Circuit d'essai

Le schéma du circuit de l'essai de tenue à la tension alternative aux bornes de ligne (LTAC) de ce transformateur de puissance est illustré ci-dessous :

Schéma du circuit d'essai LTAC (exemple de la phase A)

Côté haute tension au cran 9, côté basse tension alimenté à 2,0 fois la tension nominale

Les points clés du circuit d'essai LTAC sont les suivants :

• L'essai LTAC doit être effectué phase par phase, c'est-à-dire un essai de surtension monophasée induite avec un facteur d'induction d'environ 2 fois la tension nominale. Dans certains cas, il peut ne pas être possible de réaliser exactement 2 fois, et des écarts mineurs sont permis.

• Prenons l'exemple de l'essai LTAC sur la phase A de l'enroulement haute tension : une certaine tension Uax est appliquée entre les bornes ax de basse tension, avec la borne x mise à la terre ; les bornes b et c du côté basse tension sont laissées flottantes. Du côté haute tension, les bornes B et C sont raccordées ensemble et mises à la terre, tandis que la borne A et la borne neutre (0) sont laissées ouvertes (non connectées).

• L'enroulement haute tension doit être réglé sur une position de cran spécifique pour s'assurer que la tension d'essai requise de 395 kV (avec une tolérance de ±3%) est induite à la borne de ligne haute tension A.

3.3 Processus de calcul

Selon la loi de l'induction électromagnétique de Faraday et le principe de continuité du flux magnétique, sous la configuration d'essai ci-dessus, le flux magnétique dans les jambages de fer des phases B et C est égal à la moitié de celui dans le jambage de fer de la phase A, et dans la direction opposée. Par conséquent, la tension induite dans les enroulements des phases B et C aura une amplitude égale à la moitié de la tension induite dans la phase A.

Schéma de distribution du flux de noyau lors de l'essai LTAC
(exemple de la phase A haute tension)

Soit le facteur d'induction de la tension d'excitation sur la phase a de basse tension K, et que le côté haute tension soit à la position de cran N. L'équation suivante peut être établie :

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Puisque la phase B est mise à la terre, Uᵦ = 0)

Comme l'amplitude du flux magnétique dans le jambage de fer de la phase B est la moitié de celle de la phase A, il s'ensuit que :
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Par conséquent :
1.5 × Uₐ₀ = 395

En substituant le rapport de tension du transformateur et les positions de cran :
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Cette équation contient deux inconnues, N et K, et a donc théoriquement une infinité de solutions. Cependant, du point de vue physique, les deux variables sont contraintes : N doit être un entier entre 1 et 17, et K est approximativement égal à 2.

En résolvant l'équation avec N = 9, on obtient K = 1.98.
Ou en fixant K = 2 et N = 9, on obtient une tension induite Uₐ = 398.4 kV.

En utilisant la formule ci-dessus, le potentiel au sol induit à n'importe quel point des enroulements du transformateur lors de l'essai LTAC peut être calculé.

3.4 Distribution de tension

En utilisant la méthode de calcul ci-dessus, la répartition du potentiel à travers les enroulements lors de l'essai d'isolation LTAC sur la phase A de l'enroulement haute tension peut être déterminée comme suit :

Distribution du potentiel des enroulements lors de l'essai LTAC monophasé sur la phase A

D'après le diagramme de distribution de la tension induite ci-dessus, on peut voir que lors d'un essai LTAC monophasé, la différence de potentiel induite entre les enroulements est relativement faible. Par conséquent, l'essai LTAC n'impose pas une évaluation rigoureuse - ni ne vérifie pleinement - la résistance de l'isolation principale entre les enroulements. Cependant, l'évaluation de la résistance de l'isolation principale de la borne de ligne haute tension à la terre est la plus sévère sous cet essai (cette conclusion s'applique spécifiquement aux transformateurs à isolation graduée). Lors de la conception, une attention particulière doit être portée à la vérification de la résistance de l'isolation principale entre la borne de l'enroulement haute tension, la borne de connexion haute tension et les composants mis à la terre tels que les structures de serrage, les parois du bac et les élévateurs de broches haute tension, dans les conditions d'essai LTAC.