Standardi e Calcolo del Test LTAC per Trasformatori Elettrici

1 Introduzione

Secondo le disposizioni della norma nazionale GB/T 1094.3-2017, lo scopo principale del test di resistenza a tensione alternata (LTAC) ai terminali di linea per trasformatori di potenza è valutare la resistenza dielettrica in corrente alternata dai terminali dell'avvolgimento ad alta tensione al terreno. Non serve a valutare l'isolamento tra spire o l'isolamento tra fasi.

A confronto con altri test di isolamento (come l'impulso fulmineo completo LI o l'impulso di commutazione SI), il test LTAC impone una valutazione relativamente più rigorosa sulla resistenza principale dell'isolamento tra i terminali dell'avvolgimento ad alta tensione, i terminali dei cavi ad alta tensione e componenti metallici a terra come strutture di serraggio, unità di risalita e la vasca, a causa della sua maggiore durata (tipicamente 30 secondi per trasformatori a 50 Hz e 36 secondi per trasformatori a 60 Hz).

Numerosi casi di fallimento nei test di isolamento hanno dimostrato che molti trasformatori di potenza possono sopportare i test di impulso fulmineo (LI) e di impulso di commutazione (SI), ma ancora subiscono un guasto durante il test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC), con i guasti che spesso si verificano negli ultimi pochi secondi del test. Questo dimostra chiaramente l'importanza critica della durata del test nella valutazione dell'isolamento principale e mette in evidenza la natura rigorosa del test LTAC nella valutazione della resistenza dell'isolamento principale.

Pertanto, è essenziale che gli ingegneri progettisti di trasformatori calcolino accuratamente la distribuzione del potenziale degli avvolgimenti durante il test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC) nella fase di progettazione, al fine di realizzare un progetto scientifico e razionale dell'isolamento principale, garantendo un margine di isolamento sufficiente dalla fonte del progetto.

2 Interpretazione delle Norme

Il test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC) per trasformatori di potenza è un nuovo test di isolamento ad alta tensione introdotto nella norma nazionale più recente GB/T 1094.3-2017. È evoluto e separato dal test di resistenza indotta a breve termine (ACSD) specificato nella norma precedente GB/T 1094.3-2003. Le disposizioni relative al test LTAC sono elencate nella tabella sottostante:

La norma fornisce la seguente interpretazione del test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC) per trasformatori di potenza:

• Per i trasformatori di potenza con Um ≤ 72.5 kV, tutti completamente isolati, la resistenza principale dell'isolamento tra i terminali dell'avvolgimento ad alta tensione e i terminali dei cavi ad alta tensione e il terreno può essere valutata completamente dal test di tensione applicata (AV). Pertanto, il test LTAC non è richiesto.

• Per i trasformatori di potenza con 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Se completamente isolati, anche se la resistenza principale dell'isolamento può essere adeguatamente verificata dal test di tensione applicata (AV), il test LTAC è specificato come un test speciale. Ciò significa che generalmente non è richiesto durante i test routinari, ma deve essere eseguito se esplicitamente richiesto dall'utente.

• Se a terra neutrale (isolamento graduato), il test LTAC è specificato come un test routinario e deve essere eseguito su ogni unità durante i test di accettazione in fabbrica. Tuttavia, con l'accordo dell'utente, può essere sostituito da un test di impulso di commutazione ai terminali di linea (SI).

• Per i trasformatori di potenza con Um > 170 kV, sia completamente isolati che con isolamento graduato, il test LTAC è classificato come un test speciale—generalmente non obbligatorio a meno che non richiesto specificamente dall'utente. In questo caso, tuttavia, non può essere sostituito da un test di impulso di commutazione ai terminali di linea (SI).

In pratica, per i trasformatori di potenza completamente isolati, indipendentemente dal livello di tensione, il test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC) non viene mai eseguito, poiché la resistenza principale dell'isolamento tra i terminali dell'avvolgimento/terminali dei cavi ad alta tensione e il terreno può essere verificata più rigorosamente dal test routinario di tensione applicata (AV) di 1 minuto.

Si noti che per i trasformatori di potenza con Um > 170 kV, il test LTAC non può essere sostituito dal test SI. I calcoli teorici e l'esperienza storica mostrano che per valutare l'isolamento principale dai terminali di linea al terreno in trasformatori superiori a 170 kV, il test LTAC è approssimativamente 10% più rigoroso del test SI.

3 Metodo di Calcolo

Lo scopo di eseguire il test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC) su un trasformatore di potenza è indurre la tensione di prova specificata al terminale ad alta tensione, assicurando che il terminale a bassa tensione raggiunga un valore di tensione il più vicino possibile al livello specificato. Non ci sono requisiti obbligatori riguardo al metodo di prova specifico. Il metodo LTAC più comune è il "metodo di supporto a corto circuito in fase opposta e a terra". Questa sezione introduce brevemente questo metodo utilizzando come esempio il trasformatore di potenza SZ18-100000/220.

3.1 Parametri del Trasformatore

Rapporto di tensione: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Rapporto di capacità: 100 / 100 MVA
Frequenza nominale: 50 Hz
Gruppo vettoriale: YNd11
Livelli di isolamento: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Circuito di Prova

Il diagramma del circuito per il test di resistenza a tensione alternata ai terminali di linea (LTAC) di questo trasformatore di potenza è mostrato di seguito:

Diagramma del Circuito del Test LTAC (Esempio Fase A)

Lato ad alta tensione alla presa 9, lato a bassa tensione alimentato a 2,0 volte la tensione nominale

I punti chiave del circuito del test LTAC sono i seguenti:

• Il test LTAC deve essere eseguito fase per fase, cioè un test di sovratensione monofase indotta con un fattore di induzione di circa 2 volte la tensione nominale. In alcuni casi, potrebbe non essere precisamente possibile ottenere esattamente 2 volte, e piccole deviazioni sono ammesse.

• Prendendo come esempio il test LTAC sulla fase A dell'avvolgimento ad alta tensione: una certa tensione Uax viene applicata ai terminali a bassa tensione ax, con il terminale x a terra; i terminali b e c sul lato a bassa tensione sono lasciati galleggianti. Sul lato ad alta tensione, i terminali B e C sono collegati insieme e a terra, mentre il terminale A e il terminale neutro (0) sono lasciati aperti (non collegati).

• L'avvolgimento ad alta tensione deve essere impostato su una posizione di presa specifica designata per assicurare che la tensione di prova richiesta di 395 kV (con una tolleranza del ±3%) sia indotta al terminale ad alta tensione A.

3.3 Processo di Calcolo

Secondo la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica e il principio di continuità del flusso magnetico, con la configurazione di prova sopra menzionata, il flusso magnetico nelle gambe del nucleo delle fasi B e C è uguale a metà di quello nella gamba del nucleo della fase A, e in direzione opposta. Pertanto, la tensione indotta negli avvolgimenti delle fasi B e C avrà un'ampiezza uguale a metà della tensione indotta nella fase A.

Schema della Distribuzione del Flusso del Nucleo Durante il Test LTAC
(Esempio Fase A Ad Alta Tensione)

Indicando con K il fattore di induzione della tensione di eccitazione sulla fase a a bassa tensione, e con N la posizione di presa sul lato ad alta tensione, si può stabilire la seguente equazione:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Poiché la fase B è a terra, Uᵦ = 0)

Dato che l'ampiezza del flusso magnetico nella gamba del nucleo della fase B è la metà di quella della fase A, segue che:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Quindi:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Sostituendo il rapporto di tensione del trasformatore e le impostazioni delle prese:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Questa equazione contiene due incognite, N e K, e quindi teoricamente ha infinite soluzioni. Tuttavia, dal punto di vista fisico, entrambe le variabili sono vincolate: N deve essere un intero compreso tra 1 e 17, e K è approssimativamente uguale a 2.

Risolvendo l'equazione con N = 9 si ottiene K = 1.98.
Oppure, ponendo K = 2 e N = 9, si ottiene una tensione indotta Uₐ = 398.4 kV.

Utilizzando la formula sopra, si può calcolare il potenziale di terra indotto in qualsiasi punto degli avvolgimenti del trasformatore durante il test LTAC.

3.4 Distribuzione della Tensione

Utilizzando il metodo di calcolo sopra, si può determinare la distribuzione del potenziale attraverso gli avvolgimenti durante il test di isolamento LTAC sulla fase A dell'avvolgimento ad alta tensione come segue:

Distribuzione del Potenziale degli Avvolgimenti Durante il Test LTAC Monofase sulla Fase A

Dal diagramma sopra della distribuzione della tensione indotta, si può vedere che durante un test LTAC monofase, la differenza di potenziale indotta tra gli avvolgimenti è relativamente piccola. Pertanto, il test LTAC non impone una valutazione rigorosa—né completa—della resistenza dell'isolamento principale tra gli avvolgimenti. Tuttavia, la valutazione della resistenza dell'isolamento principale dal terminale ad alta tensione al terreno è la più severa in questo test (questa conclusione si applica specificamente ai trasformatori con isolamento graduato). Durante la progettazione, è necessario prestare particolare attenzione alla verifica della resistenza dell'isolamento principale tra il terminale dell'avvolgimento ad alta tensione, il terminale del cavo ad alta tensione e i componenti a terra come strutture di serraggio, pareti della vasca e risalite di bushing ad alta tensione nelle condizioni del test LTAC.