전력 변압기의 LTAC 테스트 기준 및 계산

1 소개

국가 표준 GB/T 1094.3-2017의 규정에 따르면, 전력 변압기의 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC)의 주요 목적은 고전압 감속 단자에서 지상까지의 교류 절연 강도를 평가하는 것이다. 이는 회전체 간 절연이나 상간 절연을 평가하기 위한 것은 아니다.

다른 절연 시험(예: 완전 번개 임펄스 LI 또는 스위칭 임펄스 SI)과 비교하여 LTAC 시험은 그 기간이 더 길기 때문에(일반적으로 50 Hz 변압기는 30초, 60 Hz 변압기는 36초) 고전압 감속 단자, 고전압 리드 단자, 클램핑 구조물, 라이저 유닛, 탱크 등의 접지된 금속 부품 사이의 주요 절연 강도에 대해 상대적으로 더 엄격한 평가를 한다.

많은 절연 시험 실패 사례가 보여주듯, 많은 전력 변압기는 번개 임펄스(LI)와 스위칭 임펄스(SI) 시험을 견딜 수 있지만, 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC) 중에 여전히 파괴되는 경우가 많으며, 이러한 파괴는 시험의 마지막 몇 초 동안 자주 발생한다. 이는 시험 기간이 주요 절연 평가에서 중요한 역할을 함을 분명히 보여주며, LTAC 시험이 주요 절연 강도 평가에서 얼마나 엄격한지를 강조한다.

따라서 변압기 설계 엔지니어는 설계 단계에서 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC) 중의 감속 전위 분포를 정확하게 계산하여 과학적이고 합리적인 주요 절연 설계를 수행하고, 충분한 절연 여유를 설계 원천부터 보장해야 한다.

2 표준 해석

전력 변압기의 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC)은 최신 국가 표준 GB/T 1094.3-2017에서 새롭게 추가된 고전압 절연 시험 항목이다. 이는 이전 표준 GB/T 1094.3-2003에서 규정된 단시간 유도 내전압 시험(ACSD)에서 발전하고 분리되었다. LTAC 시험과 관련된 규정은 아래 표에 나열되어 있다:

표준은 전력 변압기의 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC)에 대해 다음과 같이 해석한다:

• Um ≤ 72.5 kV의 모든 전력 변압기는 완전 절연이며, 고전압 감속 단자와 고전압 리드 단자 및 지상 사이의 주요 절연 강도는 적용 전압 시험(AV)으로 충분히 평가될 수 있다. 따라서 LTAC 시험은 필요하지 않다.

• 72.5 < Um ≤ 170 kV의 전력 변압기:

• 완전 절연인 경우, 주요 절연 강도는 적용 전압 시험(AV)으로 충분히 검증될 수 있지만, LTAC 시험은 특별 시험으로 지정된다. 이는 일반적으로 정규 시험에서는 요구되지 않지만, 사용자가 명시적으로 요청하는 경우 수행되어야 한다.

• 중성점 접지(등급 절연)인 경우, LTAC 시험은 정규 시험으로 지정되며, 공장 수용 시험 중 모든 단위에서 수행되어야 한다. 그러나 사용자 동의 하에, 라인 단자 스위칭 임펄스 시험(SI)으로 대체될 수 있다.

• Um > 170 kV의 전력 변압기, 완전 절연이나 등급 절연 여부에 관계없이, LTAC 시험은 특별 시험으로 분류되며, 일반적으로 사용자가 특정하게 요구하지 않는 한 의무적이지 않다. 그러나 이 경우, 라인 단자 스위칭 임펄스 시험(SI)으로 대체될 수 없다.

실제로, 완전 절연 전력 변압기의 경우, 전압 수준에 관계없이 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC)은 수행되지 않는다. 이는 고전압 감속/리드 단자와 지상 사이의 주요 절연 강도가 정규 1분 적용 전압 시험(AV)으로 더욱 엄격하게 검증되기 때문이다.

주의할 점은 Um > 170 kV의 전력 변압기의 경우, LTAC 시험은 SI 시험으로 대체될 수 없다는 것이다. 이론적 계산과 역사적 경험 모두, 170 kV 이상의 변압기에서 라인 단자에서 지상까지의 주요 절연을 평가하는데 있어 LTAC 시험이 SI 시험보다 약 10% 더 엄격하다는 것을 보여준다.

3 계산 방법

전력 변압기에 대한 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC)의 목적은 고전압 단자에서 지정된 시험 전압을 유도하면서 저전압 단자가 가능한 한 지정된 수준에 가까운 전압 값을 달성하는 것이다. 특정 시험 방법에 대한 필수 요구사항은 없다. 가장 일반적인 LTAC 시험 방법은 "반대 위상 단락 및 접지 지원 방법"이다. 이 섹션에서는 SZ18-100000/220 전력 변압기를 예로 들어 이 방법을 간략히 소개한다.

3.1 변압기 매개변수

전압 비율: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
용량 비율: 100 / 100 MVA
정격 주파수: 50 Hz
벡터 그룹: YNd11
절연 수준: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 시험 회로

이 전력 변압기의 라인 단자 교류 내전압 시험(LTAC) 회로도는 다음과 같다:

LTAC 시험 회로도 (A 상을 예로)

고전압 측 9단, 저전압 측 2.0 배 정격 전압으로 전원 공급

LTAC 시험 회로의 주요 포인트는 다음과 같다:

• LTAC 시험은 상별로 수행되어야 한다. 즉, 약 2배 정격 전압의 유도 인자로 단일 상 유도 과전압 시험이다. 일부 경우에는 정확하게 2배를 달성하기 어려울 수 있으며, 소폭의 편차는 허용된다.

• 고전압 감속 A 상의 LTAC 시험을 예로 들면: 저전압 단자 ax 사이에 특정 전압 Uax를 가하며, x 단자는 접지되고, 저전압 측 b와 c 단자는 부동 상태로 유지된다. 고전압 측에서는 B와 C 단자가 함께 단락되어 접지되며, A 단자와 중성(0) 단자는 개방(연결되지 않음) 상태로 유지된다.

• 고전압 감속은 특정 지정된 단자 위치에 설정되어야 하며, 이를 통해 고전압 라인 단자 A에서 395 kV(±3% 허용 오차)의 필요한 시험 전압이 유도되도록 한다.

3.3 계산 과정

Faraday의 전자기 유도 법칙과 자기 유량 연속성 원칙에 따르면, 위의 시험 구성 하에서 B와 C 상의 코어 지지부의 자기 유량은 A 상의 코어 지지부의 자기 유량의 절반이며 반대 방향이다. 따라서 B와 C 상의 감속에서 유도되는 전압의 진폭은 A 상에서 유도되는 전압의 절반이 된다.

LTAC 시험 중 코어 유량 분포 도식도 (고전압 A 상을 예로)

저전압 a 상의 권장 전압의 유도 인자를 K, 고전압 측의 단자 위치를 N이라고 하면, 다음 식을 세울 수 있다:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(B 상이 접지되어 있으므로, Uᵦ = 0)

B 상의 코어 지지부의 자기 유량 진폭이 A 상의 절반이라는 점을 고려하면:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

따라서:
1.5 × Uₐ₀ = 395

변압기의 전압 비율과 단자 설정을 대입하면:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

이 방정식에는 두 개의 미지수, N과 K가 포함되어 있으며, 이론적으로 무한히 많은 해가 존재한다. 그러나 물리적 관점에서 보면, 두 변수 모두 제약을 받는다: N은 1부터 17 사이의 정수여야 하며, K는 약 2에 가깝다.

N = 9로 방정식을 풀면 K = 1.98이 된다.
또는 K = 2, N = 9로 설정하면 유도 전압 Uₐ = 398.4 kV가 된다.

위의 공식을 사용하여 LTAC 시험 중 변압기 감속의 어느 지점에서든 유도되는 지상 전위를 계산할 수 있다.

3.4 전압 분포

위의 계산 방법을 사용하여, 고전압 감속 A 상의 LTAC 절연 시험 중 감속의 전위 분포를 다음과 같이 결정할 수 있다:

A 상의 단일 상 LTAC 시험 중 감속 전위 분포

위의 유도 전압 분포 도식도에서 볼 수 있듯이, 단일 상 LTAC 시험 중 감속 사이의 유도 전위 차이는 상대적으로 작다. 따라서 LTAC 시험은 감속 사이의 주요 절연 강도를 엄격하게 평가하거나 완전히 평가하지는 않는다. 그러나 고전압 라인 단자에서 지상까지의 주요 절연 강도 평가는 이 시험에서 가장 엄격하다(이 결론은 특히 등급 절연 변압기에 적용된다). 설계 시 LTAC 시험 조건에서 고전압 감속 단자, 고전압 리드 단자, 클램핑 구조물, 탱크 벽, 고전압 부싱 라이저 등 접지된 부품 사이의 주요 절연 강도를 특별히 확인해야 한다.