Normy i obliczenia testu LTAC dla transformatorów elektrycznych

1 Wprowadzenie

Zgodnie z przepisami narodowego standardu GB/T 1094.3-2017, głównym celem testu wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) w zakończeniach linii transformatorów elektrycznych jest ocena siły dielektrycznej napięcia przemiennego od zakończeń zwinięć wysokiego napięcia do ziemi. Nie służy do oceny izolacji między zwierciadłami ani izolacji między fazami.

W porównaniu z innymi testami izolacji (takimi jak pełny impuls grzmotowy LI lub impuls przełącznikowy SI), test LTAC poddaje bardziej rygorystycznemu ocenianiu główne siły izolacji między zakończeniami zwinięć wysokiego napięcia, zakończeniami przewodów wysokiego napięcia i zziemionymi elementami metalowymi, takimi jak struktury chwytne, jednostki wzrostowe i kadłub, ze względu na dłuższy czas trwania (zwykle 30 sekund dla transformatorów 50 Hz i 36 sekund dla transformatorów 60 Hz).

Wiele przypadków awarii testów izolacji pokazało, że wiele transformatorów elektrycznych może wytrzymać testy impulsów grzmotowych (LI) i impulsów przełącznikowych (SI), ale nadal ulega przepaleniu podczas testu wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC), z przepaleniami często występującymi w ostatnich kilku sekundach testu. To jasno pokazuje kluczowe znaczenie czasu trwania testu w ocenie głównej izolacji i podkreśla rygorystyczny charakter testu LTAC w ocenie siły głównej izolacji.

Dlatego inżynierowie projektujący transformatory muszą dokładnie obliczać rozkład potencjałów w zwinięciach podczas testu wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) na etapie projektowania, aby przeprowadzić naukowe i racjonalne projektowanie głównej izolacji, zapewniając wystarczającą margines izolacji od źródła projektu.

2 Interpretacja standardów

Test wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) w zakończeniach linii transformatorów elektrycznych to nowo dodany element testu izolacji wysokiego napięcia wprowadzony w najnowszym narodowym standardzie GB/T 1094.3-2017. Wyewoluował i został oddzielony od krótkotrwałego indukowanego testu wytrzymałości na napięcie (ACSD) określonego w poprzednim standardzie GB/T 1094.3-2003. Odpowiednie przepisy dotyczące testu LTAC są wymienione w poniższej tabeli:

Standard interpretuje test wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) w zakończeniach linii transformatorów elektrycznych następująco:

• Dla transformatorów elektrycznych z Um ≤ 72.5 kV, które są całkowicie izolowane, główna siła izolacji między zakończeniami zwinięć wysokiego napięcia, zakończeniami przewodów wysokiego napięcia a ziemią może być w pełni oceniona przez test napięcia zastosowanego (AV). Dlatego test LTAC nie jest wymagany.

• Dla transformatorów elektrycznych z 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Jeśli są całkowicie izolowane, choć główna siła izolacji nadal może być adekwatnie zweryfikowana przez test napięcia zastosowanego (AV), test LTAC jest określony jako specjalny test. Oznacza to, że zazwyczaj nie jest wymagany podczas rutynowych testów, ale musi być wykonany, jeśli zostanie jawnie zażądany przez użytkownika.

• Jeśli są zziemione neutralnie (izolacja stopniowana), test LTAC jest określony jako rutynowy test i musi być wykonany na każdej jednostce podczas testów akceptacyjnych fabrycznych. Jednakże, z zgodą użytkownika, może być zastąpiony testem impulsu przełącznika (SI) w zakończeniach linii.

• Dla transformatorów elektrycznych z Um > 170 kV, niezależnie od tego, czy są całkowicie izolowane, czy stopniowane, test LTAC jest klasyfikowany jako specjalny test - zazwyczaj nie jest obowiązkowy, chyba że specjalnie wymagany przez użytkownika. W tym przypadku jednak nie może być zastąpiony testem impulsu przełącznika (SI) w zakończeniach linii.

W praktyce, dla całkowicie izolowanych transformatorów, niezależnie od poziomu napięcia, test wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) w zakończeniach linii nigdy nie jest wykonywany, ponieważ główna siła izolacji między zakończeniami zwinięć/liniowymi a ziemią może być bardziej rygorystycznie zweryfikowana przez rutynowy 1-minutowy test napięcia zastosowanego (AV).

Warto zauważyć, że dla transformatorów o Um > 170 kV, test LTAC nie może być zastąpiony testem SI. Obliczenia teoretyczne i historyczne doświadczenia pokazują, że dla oceny głównej izolacji od zakończenia linii do ziemi w transformatorach powyżej 170 kV, test LTAC jest około 10% bardziej rygorystyczny niż test SI.

3 Metoda obliczeń

Celem wykonania testu wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) w zakończeniach linii transformatora elektrycznego jest indukowanie określonego napięcia testowego w zakończeniu wysokiego napięcia, jednocześnie zapewniając, aby napięcie w zakończeniu niskiego napięcia osiągnęło wartość jak najbliżej określonego poziomu. Nie ma obowiązkowych wymogów dotyczących konkretnej metody testowej. Najczęstszą metodą testu LTAC jest "metoda przeciwfazowa z zaczepionym i zziemionym wspornikiem". Ta sekcja krótko przedstawia tę metodę na przykładzie transformatora elektrycznego SZ18-100000/220.

3.1 Parametry transformatora

Stosunek napięć: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Stosunek mocy: 100 / 100 MVA
Nominalna częstotliwość: 50 Hz
Grupa wektorowa: YNd11
Poziomy izolacji: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Układ testowy

Schemat obwodu do testu wytrzymałości na napięcie przemienną (LTAC) tego transformatora elektrycznego jest przedstawiony poniżej:

Schemat obwodu do testu LTAC (przykład fazy A)

Strona wysokiego napięcia na zaczepie 9, strona niskiego napięcia napędzana 2.0 razy napięciem nominalnym

Kluczowe punkty układu testowego LTAC są następujące:

• Test LTAC powinien być wykonywany fazowo, tj. pojedynczy test nadmiernego napięcia indukowanego z współczynnikiem indukcji około 2 razy napięcie nominalne. W niektórych przypadkach może nie być możliwe dokładne osiągnięcie dokładnie 2 razy, a drobne odchylenia są dopuszczalne.

• Biorąc za przykład test LTAC na fazie A zwinięcia wysokiego napięcia: pewne napięcie Uax jest zastosowane między zakończeniami niskiego napięcia ax, z zakończeniem x zziemionym; zakończenia b i c na stronie niskiego napięcia pozostają wolne. Na stronie wysokiego napięcia, zakończenia B i C są połączone i zziemione, podczas gdy zakończenie A i zakończenie neutralne (0) pozostają otwarte (niepołączone).

• Zwinięcie wysokiego napięcia musi być ustawione na określonym zaczepie, aby zapewnić, że wymagane napięcie testowe 395 kV (z dopuszczalnym odchyleniem ±3%) jest indukowane w zakończeniu linii wysokiego napięcia A.

3.3 Proces obliczeniowy

Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya i zasada ciągłości natężenia magnetycznego, przy powyższej konfiguracji testowej, natężenie magnetyczne w ramionach rdzenia faz B i C jest równe połowie natężenia magnetycznego w ramieniu rdzenia fazy A, ale w przeciwnym kierunku. Dlatego napięcie indukowane w zwinięciach faz B i C będzie miało amplitudę równą połowie napięcia indukowanego w fazie A.

Schemat rozkładu natężenia magnetycznego w rdzeniu podczas testu LTAC
(przykład fazy A wysokiego napięcia)

Niech współczynnik indukcji napięcia pobudzającego na fazie niskiego napięcia a będzie K, a strona wysokiego napięcia będzie na zaczepie N. Można ustawić następujące równanie:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Ponieważ faza B jest zziemiona, Uᵦ = 0)

Ponieważ amplituda natężenia magnetycznego w ramieniu rdzenia fazy B wynosi połowę amplitudy fazy A, wynika stąd, że:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Zatem:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Podstawiając stosunek napięć transformatora i ustawienia zaczepów:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

To równanie zawiera dwie niewiadome, N i K, i zatem teoretycznie ma nieskończenie wiele rozwiązań. Jednak z fizycznego punktu widzenia, obie zmienne są ograniczone: N musi być liczbą całkowitą między 1 a 17, a K jest przybliżone do 2.

Rozwiązując równanie z N = 9, otrzymujemy K = 1.98.
Alternatywnie, ustawiając K = 2 i N = 9, otrzymujemy napięcie indukowane Uₐ = 398.4 kV.

Korzystając z powyższego wzoru, można obliczyć potencjał zziemiony w dowolnym punkcie zwinięć transformatora podczas testu LTAC.

3.4 Rozkład napięć

Korzystając z powyższej metody obliczeniowej, można określić rozkład potencjałów w zwinięciach podczas testu izolacji LTAC na fazie A zwinięcia wysokiego napięcia, jak poniżej:

Rozkład potencjałów w zwinięciach podczas jednofazowego testu LTAC na fazie A

Z powyższego diagramu rozkładu napięć indukowanych można zobaczyć, że podczas jednofazowego testu LTAC, różnica potencjałów indukowanych między zwinięciami jest stosunkowo mała. Dlatego test LTAC nie poddaje rygorystycznej ocenie - ani nie ocenia w pełni - głównej siły izolacji między zwinięciami. Jednak ocena głównej siły izolacji od zakończenia linii wysokiego napięcia do ziemi jest najbardziej surowa podczas tego testu (ta konkluzja dotyczy specjalnie transformatorów z izolacją stopniowaną). Podczas projektowania należy zwracać szczególną uwagę na weryfikację głównej siły izolacji między zakończeniem zwinięcia wysokiego napięcia, zakończeniem przewodu wysokiego napięcia a zziemionymi elementami, takimi jak struktury chwytne, ściany kadłuba i podnośniki wysokonapięciowe, w warunkach testu LTAC.