Standarder og beregning av LTAC-test for krafttransformatorer

1 Introduksjon

Ifølge bestemmelsene i nasjonale standard GB/T 1094.3-2017, er det primære formålet med strømterminals prøve for vekselstrøms spenningstålighet (LTAC) for krafttransformatorer å evaluere vekselstrøms dielektriske styrke fra høyspenningsvindingsslutninger til jord. Denne prøven har ikke til hensikt å vurdere mellomvindingsisolering eller fase til fase isolering.

Sammenlignet med andre isolasjonsprøver (som full lynimpuls LI eller skiftimpuls SI), pålegger LTAC-prøven en relativt strengere vurdering av hovedisoleringens styrke mellom høyspenningsvindingsslutninger, høyspenningsledningslutninger og jordede metallkomponenter som klampet strukturer, riser-enheter og tanken, på grunn av dens lengre varighet (vanligvis 30 sekunder for 50 Hz-transformatorer og 36 sekunder for 60 Hz-transformatorer).

Mange tilfeller av mislykkede isolasjonsprøver har vist at mange krafttransformatorer kan tåle lynimpuls (LI) og skiftimpuls (SI) prøver, men fremdeles opplever nedbrytning under strømterminaler prøve for vekselstrøms spenningstålighet (LTAC), ofte mot slutten av prøvetiden. Dette viser tydelig betydningen av prøveduration for å evaluere hovedisolering og fremhever den strenge natur ved LTAC-prøven i vurderingen av hovedisoleringens styrke.

Derfor er det essensielt for transformator designingeniører å beregne potensialfordelingen i vindinger nøyaktig under strømterminaler prøve for vekselstrøms spenningstålighet (LTAC) i designfasen, slik at de kan utføre vitenskapelig og rasjonell hovedisoleringdesign, og sikre tilstrekkelig isolasjonsmarg i designkilden.

2 Standardfortolkning

Strømterminaler prøve for vekselstrøms spenningstålighet (LTAC) for krafttransformatorer er et nytt høyspenningsisolasjonsprøveelement introdusert i den nyeste nasjonale standarden GB/T 1094.3-2017. Den utviklet seg og separerte seg fra korttid indusert spenningstålighetprøven (ACSD) angitt i den tidligere standarden GB/T 1094.3-2003. De relevante bestemmelsene om LTAC-prøven er oppført i tabellen nedenfor:

Standarden gir følgende fortolkning av strømterminaler AC spenningstålighetprøve (LTAC) for krafttransformatorer:

• For krafttransformatorer med Um ≤ 72.5 kV, som alle er fullt isolert, kan hovedisoleringens styrke mellom høyspenningsvinding og høyspenningsledningslutninger og jord være fullstendig vurdert ved anvendt spenningprøve (AV). Derfor er LTAC-prøven ikke nødvendig.

• For krafttransformatorer med 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Hvis fullt isolert, kan hovedisoleringens styrke fremdeles være tilstrekkelig verifisert ved anvendt spenningprøve (AV), men LTAC-prøven er spesifisert som en spesiell prøve. Dette betyr at den generelt ikke kreves under vanlige prøver, men må utføres hvis spesifikt forespurt av brukeren.

• Hvis neutralt koblet (gradert isolering), er LTAC-prøven spesifisert som en vanlig prøve og må utføres på hver enhet under fabrikkakseptansepøyer. Imidlertid, med brukerens samtykke, kan den erstattes av en strømterminal skiftimpulsprøve (SI).

• For krafttransformatorer med Um > 170 kV, enten fullt isolert eller gradert isolert, er LTAC-prøven klassifisert som en spesiell prøve—generelt ikke obligatorisk unntatt hvis spesifikt forespurt av brukeren. I dette tilfellet kan den imidlertid ikke erstattes av en strømterminal skiftimpulsprøve (SI).

I praksis utføres strømterminaler AC spenningstålighetprøve (LTAC) aldri for fullt isolerte krafttransformatorer, uansett spenningsnivå, fordi hovedisoleringens styrke mellom høyspenningsvinding/ledningslutninger og jord kan mer strengt verifiseres ved vanlig 1-minutters anvendt spenningprøve (AV).

Det bør merkes at for krafttransformatorer med Um > 170 kV, kan LTAC-prøven ikke erstattes av SI-prøven. Ba teoretiske beregninger og historisk erfaring viser at for å evaluere hovedisolering fra strømterminal til jord i transformatorer over 170 kV, er LTAC-prøven omtrent 10% strengere enn SI-prøven.

3 Beregningsmetode

Formålet med å utføre strømterminaler AC spenningstålighetprøve (LTAC) på en krafttransformator er å inducere den angitte prøvespenningen på høyspenningslutningen, samtidig som det sikres at lavspenningslutningen når en spenningsverdi så nærme som mulig den angitte nivået. Det er ingen obligatoriske krav angående den spesifikke prøvemetoden. Den mest vanlige LTAC-prøvemetoden er "motfasede kortsluttede og jordede støtte metode." Denne seksjonen gir en kort introduksjon til denne metoden ved hjelp av SZ18-100000/220 krafttransformator som eksempel.

3.1 Transformatorparametre

Spenningforhold: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Kapasitetsforhold: 100 / 100 MVA
Nominell frekvens: 50 Hz
Vektgruppe: YNd11
Isoleringnivåer: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Prøvekrets

Kretssidet for strømterminaler AC spenningstålighetprøve (LTAC) for denne krafttransformatoren er vist nedenfor:

LTAC Prøvekretsdiagram (Fase A som eksempel)

Høyspennings side på tap 9, lavspennings side energisert ved 2.0 ganger nominell spenning

Nøkkelpunkter for LTAC-prøvekretsen er som følger:

• LTAC-prøven skal utføres fase for fase, altså en enkeltfase induert overspenningsprøve med en induksjonsfaktor på omtrent 2 ganger nominell spenning. I noen tilfeller kan det ikke være nøyaktig mulig å nå nøyaktig 2 ganger, og små avvik er tillatt.

• Som eksempel på LTAC-prøven på fase A av høyspenningsvinding: en viss spenning Uax settes på lavspenningslutningene ax, med terminal x jordet; terminaler b og c på lavspennings siden er ubeskyttet. På høyspennings siden er terminaler B og C kortsluttet sammen og jordet, mens terminal A og neutrale (0) terminal er ubeskyttet (ikke tilkoblet).

• Høyspenningsvindingen må settes på en spesifikk angitt tap-posisjon for å sikre at den ønskede prøvespenningen på 395 kV (med en tillatt avvik på ±3%) induceres på høyspenningsstrømterminal A.

3.3 Beregningsprosess

Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induksjon og prinsippet om magnetflukstetthet, vil under ovennevnte prøveoppsett, magnetflukset i kjernelimbene for fase B og C være lik halvparten av magnetflukset i fase A's kjernelimbe, og i motsatt retning. Derfor vil den induerte spenningen i vindinger for fase B og C ha en amplitud lik halvparten av den induerte spenningen i fase A.

Skjema for kjernemagnetfluksfordeling under LTAC-prøve
(Høyspennings fase A som eksempel)

La induksjonsfaktoren for oppladningsspenningen på lavspennings fase a være K, og la høyspennings siden være på tap-posisjon N. Følgende ligning kan etableres:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Ettersom fase B er jordet, Uᵦ = 0)

Gitt at amplituden av magnetflukset i kjernelimben for fase B er halvparten av fase A, følger det at:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Derfor:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Ved å substituere transformatorens spenningforhold og tapsinnstillinger:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Denne ligningen inneholder to ukjente, N og K, og derfor har den teoretisk uendelig mange løsninger. Imidlertid, fra et fysisk synspunkt, er begge variabler begrenset: N må være et heltall mellom 1 og 17, og K er omtrent lik 2.

Løsningen av ligningen med N = 9 gir K = 1.98.
Alternativt, ved å sette K = 2 og N = 9 gir den induerte spenningen Uₐ = 398.4 kV.

Ved hjelp av den ovennevnte formelen kan den induerte jordpotensialet på hvilken som helst punkt på transformatorvindinger under LTAC-prøven beregnes.

3.4 Spenningsfordeling

Ved å bruke den ovennevnte beregningsmetoden, kan potensialfordelingen over vindinger under LTAC-isolasjonsprøve på fase A av høyspenningsvindingen fastsettes som følger:

Vindingpotensialfordeling under enkeltfase LTAC-prøve på fase A

Fra det ovennevnte diagrammet for induert spenning, kan man se at under en enkeltfase LTAC-prøve, er den induerte potensialforskjellen mellom vindinger relativt liten. Derfor legger LTAC-prøven ikke en streng vurdering - eller en fullstendig vurdering - av hovedisoleringens styrke mellom vindinger. Imidlertid er vurderingen av hovedisoleringens styrke fra høyspenningsstrømterminal til jord den mest strengen under denne prøven (dette resultatet gjelder spesielt for gradert isolerte transformatorer). Under design, må spesiell oppmerksomhet gi seg på å verifisere hovedisoleringens styrke mellom høyspenningsvindingsslutning, høyspenningsledningslutning, og jordede komponenter som klemmekonstruksjoner, tankvegger, og høyspenningsbushing risere under LTAC-prøveforhold.