Normas e Cálculo da Proba LTAC para Transformadores de Potencia

1 Introducción

Según las disposicións do estándar nacional GB/T 1094.3-2017, o propósito principal da proba de resistencia a tensión alternativa (LTAC) no terminal de liña para transformadores eléctricos é avaliar a resistencia dieléctrica alternativa dende os terminais da bobina de alta tensión ata terra. Non serve para avaliar o aislamento entre espiras nin o aislamento entre fases.

En comparación con outras probas de aislamento (como a impulsión completa de raio LI ou a impulsión de conmutación SI), a proba LTAC impón unha valoración máis estrita da resistencia principal do aislamento entre os terminais da bobina de alta tensión, os terminais dos conductos de alta tensión e os compoñentes metálicos aterrados como as estruturas de aperto, as unidades de elevación e o tanque, debido á súa maior duración (típicamente 30 segundos para transformadores de 50 Hz e 36 segundos para transformadores de 60 Hz).

Numerosos casos de fallo en probas de aislamento demostraron que moitos transformadores eléctricos poden soportar as probas de impulsión completa de raio (LI) e de impulsión de conmutación (SI) pero aínda así experimentan rotura durante a proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC), coas roturas ocorrendo a miúdo nos últimos segundos da proba. Isto demostra claramente a importancia crítica da duración da proba na avaliación do aislamento principal e resalta a natureza rigorosa da proba LTAC na avaliación da resistencia do aislamento principal.

polo tanto, é esencial que os xénieos de deseño de transformadores calculen correctamente a distribución de potencial da bobina durante a proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC) na etapa de deseño, para realizar un deseño científico e racional do aislamento principal, asegurando un margen suficiente de aislamento desde a fonte de deseño.

2 Interpretación dos estándares

A proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC) para transformadores eléctricos é un novo elemento de proba de aislamento de alta tensión introducido no último estándar nacional GB/T 1094.3-2017. Evolucionou e separouse da proba de resistencia inducida de breve duración (ACSD) especificada no estándar anterior GB/T 1094.3-2003. As disposicións relevantes sobre a proba LTAC están listadas na táboa a continuación:

O estándar proporciona a seguinte interpretación da proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC) para transformadores eléctricos:

• Para transformadores eléctricos con Um ≤ 72.5 kV, que están totalmente aislados, a resistencia principal do aislamento entre a bobina de alta tensión, os terminais dos conductos de alta tensión e terra pode ser completamente avaliada pola proba de tensión aplicada (AV). Polo tanto, non se require a proba LTAC.

• Para transformadores eléctricos con 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Se están totalmente aislados, aínda que a resistencia principal do aislamento poida ser adequadamente verificada pola proba de tensión aplicada (AV), a proba LTAC está especificada como unha proba especial. Isto significa que xeralmente non se require durante as probas rutinarias, pero debe realizarse se o usuario a solicita explicitamente.

• Se están aterrados neutrales (aislamento graduado), a proba LTAC está especificada como unha proba rutinaria e debe realizarse en cada unidade durante as probas de aceptación en fábrica. No entanto, con acordo do usuario, pódese substituír por unha proba de impulsión de conmutación no terminal de liña (SI).

• Para transformadores eléctricos con Um > 170 kV, xa sexa totalmente aislados ou con aislamento graduado, a proba LTAC está clasificada como unha proba especial—xeralmente non obrigatória a menos que o usuario a requira específicamente. Neste caso, no obstante, non se pode substituír por unha proba de impulsión de conmutación no terminal de liña (SI).

Na práctica, para transformadores eléctricos totalmente aislados, independentemente do nivel de tensión, a proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC) nunca se realiza, porque a resistencia principal do aislamento entre a bobina/terminais de alta tensión e terra pode ser verificada de forma máis rigorosa pola proba de tensión aplicada (AV) de 1 minuto rutinaria.

Debe notarse que para transformadores eléctricos con Um > 170 kV, a proba LTAC non se pode substituír pola proba SI. Cálculos teóricos e experiencia histórica mostran que para avaliar o aislamento principal dende o terminal de liña ata terra en transformadores superiores a 170 kV, a proba LTAC é aproximadamente un 10% máis rigorosa que a proba SI.

3 Método de cálculo

O propósito de realizar a proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC) nun transformador eléctrico é inducir a tensión de proba especificada no terminal de alta tensión, mentres se asegura que o terminal de baixa tensión alcance un valor de tensión o máis próximo posible ao nivel especificado. Non hai requisitos obrigatorios respecto ao método de proba específico. O método de proba LTAC máis común é o "método de apoio contrafaseado e aterrado". Esta sección presenta brevemente este método utilizando o transformador eléctrico SZ18-100000/220 como exemplo.

3.1 Parámetros do transformador

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

3.2 Circuito de proba

O diagrama de circuito para a proba de resistencia a tensión alternativa no terminal de liña (LTAC) deste transformador eléctrico amósase a continuación:

Diagrama de circuito da proba LTAC (Fase A como exemplo)

Lado de alta tensión no reborde 9, lado de baixa tensión alimentado a 2.0 veces a tensión nominal

Os puntos clave do circuito de proba LTAC son os seguintes:

• A proba LTAC debe realizarse fase por fase, é dicir, unha proba de sobretensión monofásica inducida con un factor de indución de aproximadamente 2 veces a tensión nominal. En algúns casos, pode non ser posíbel lograr exactamente 2 veces, e permítense pequenas desviacións.

• Tomando como exemplo a proba LTAC na fase A da bobina de alta tensión: aplícase unha certa tensión Uax entre os terminais ax de baixa tensión, con o terminal x aterrado; os terminais b e c no lado de baixa tensión quedan flotantes. No lado de alta tensión, os terminais B e C están cortocircuitados e aterrados, mentres que o terminal A e o terminal neutro (0) quedan abertos (non conectados).

• A bobina de alta tensión debe estar establecida en unha posición de reborde específica para asegurar que se induce a tensión de proba necesaria de 395 kV (con unha desviación permisible de ±3%) no terminal de liña de alta tensión A.

3.3 Proceso de cálculo

Segundo a lei de indución electromagnética de Faraday e o principio de continuidade do fluxo magnético, baixo a configuración de proba mencionada, o fluxo magnético nas pernas do núcleo das fases B e C é igual á metade do fluxo magnético na perna do núcleo da fase A, e en dirección oposta. Polo tanto, a tensión inducida nas bobinas das fases B e C terá unha amplitud igual á metade da tensión inducida na fase A.

Diagrama esquemático da distribución do fluxo do núcleo durante a proba LTAC
(Fase A de alta tensión como exemplo)

Sexa K o factor de inducción da tensión de excitación na fase a de baixa tensión, e sexa N a posición de reborde no lado de alta tensión. Pode establecerse a seguinte ecuación:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Como a fase B está aterrada, Uᵦ = 0)

Dado que a amplitud do fluxo magnético na perna do núcleo da fase B é a metade da da fase A, segue que:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Polo tanto:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Substituíndo a relación de tensión do transformador e as posicións de reborde:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Esta ecuación contén dúas incógnitas, N e K, e teoricamente ten infinitas solucións. No entanto, dende un punto de vista físico, ambas as variables están restrinxidas: N debe ser un enteiro entre 1 e 17, e K é aproximadamente igual a 2.

Resolvendo a ecuación con N = 9 obtense K = 1.98.
Alternativamente, estabelecendo K = 2 e N = 9, obtense unha tensión inducida Uₐ = 398.4 kV.

Utilizando a fórmula anterior, pódese calcular o potencial de tierra inducido en calquera punto das bobinas do transformador durante a proba LTAC.

3.4 Distribución de tensión

Utilizando o método de cálculo anterior, pódese determinar a distribución de potencial a través das bobinas durante a proba de aislamento LTAC na fase A da bobina de alta tensión como segue:

Distribución de potencial das bobinas durante a proba LTAC monofásica na fase A

Do diagrama de distribución de tensión inducida anterior, pódese ver que durante a proba LTAC monofásica, a diferenza de potencial inducida entre as bobinas é relativamente pequena. Polo tanto, a proba LTAC non impón unha avaliación rigorosa—nem tampouco completa—da resistencia do aislamento principal entre as bobinas. No entanto, a avaliación da resistencia do aislamento principal dende o terminal de liña de alta tensión ata terra é a máis severa nesta proba (esta conclusión aplica-se especificamente a transformadores con aislamento graduado). Durante o deseño, debe prestar-se especial atención a verificar a resistencia do aislamento principal entre o terminal da bobina de alta tensión, o terminal do conducto de alta tensión e os compoñentes aterrados como as estruturas de aperto, as paredes do tanque e os elevadores de bornes de alta tensión baixo as condicións da proba LTAC.