Padrões e Cálculo do Teste LTAC para Transformadores de Energia

1 Introdução

De acordo com as disposições da norma nacional GB/T 1094.3-2017, o principal objetivo do teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) para transformadores de potência é avaliar a resistência dielétrica alternada entre os terminais da bobina de alta tensão e a terra. Não serve para avaliar a isolamento entre espiras ou isolamento fase a fase.

Comparado com outros testes de isolamento (como o impulso total de relâmpago LI ou o impulso de comutação SI), o teste LTAC impõe uma avaliação mais rigorosa sobre a resistência principal do isolamento entre os terminais da bobina de alta tensão, os terminais dos condutores de alta tensão e componentes metálicos aterrados, como estruturas de aperto, unidades elevatórias e a caixa, devido à sua duração mais longa (geralmente 30 segundos para transformadores de 50 Hz e 36 segundos para transformadores de 60 Hz).

Vários casos de falha em testes de isolamento mostraram que muitos transformadores de potência podem suportar testes de impulso total de relâmpago (LI) e impulso de comutação (SI), mas ainda assim apresentam falhas durante o teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC), com as falhas frequentemente ocorrendo nos últimos segundos do teste. Isso demonstra claramente a importância crítica da duração do teste na avaliação do isolamento principal e destaca a natureza rigorosa do teste LTAC na avaliação da resistência do isolamento principal.

Portanto, é essencial que os engenheiros de projeto de transformadores calculem com precisão a distribuição de potencial da bobina durante o teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) na fase de projeto, a fim de realizar um projeto de isolamento principal científico e racional, garantindo uma margem de isolamento suficiente desde a fonte de design.

2 Interpretação das Normas

O teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) para transformadores de potência é um novo item de teste de isolamento de alta tensão introduzido na norma nacional mais recente GB/T 1094.3-2017. Evoluiu e se separou do teste de resistência induzida de curta duração (ACSD) especificado na norma anterior GB/T 1094.3-2003. As disposições relevantes relacionadas ao teste LTAC estão listadas na tabela abaixo:

A norma fornece a seguinte interpretação do teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) para transformadores de potência:

• Para transformadores de potência com Um ≤ 72.5 kV, que são totalmente isolados, a resistência principal do isolamento entre a bobina de alta tensão e os terminais de alta tensão e a terra pode ser plenamente avaliada pelo teste de tensão aplicada (AV). Portanto, o teste LTAC não é necessário.

• Para transformadores de potência com 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Se totalmente isolados, embora a resistência principal do isolamento possa ser adequadamente verificada pelo teste de tensão aplicada (AV), o teste LTAC é especificado como um teste especial. Isso significa que geralmente não é necessário durante testes rotineiros, mas deve ser realizado se explicitamente solicitado pelo usuário.

• Se aterradamente neutro (isolamento graduado), o teste LTAC é especificado como um teste rotineiro e deve ser realizado em cada unidade durante os testes de aceitação de fábrica. No entanto, com o acordo do usuário, pode ser substituído por um teste de impulso de comutação no terminal de linha (SI).

• Para transformadores de potência com Um > 170 kV, seja totalmente isolados ou isolamento graduado, o teste LTAC é classificado como um teste especial—geralmente não obrigatório, a menos que especificamente exigido pelo usuário. Neste caso, no entanto, não pode ser substituído por um teste de impulso de comutação no terminal de linha (SI).

Na prática, para transformadores de potência totalmente isolados, independentemente do nível de tensão, o teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) nunca é realizado, porque a resistência principal do isolamento entre a bobina/terminais de alta tensão e a terra pode ser verificada de forma mais rigorosa pelo teste de tensão aplicada rotineiro de 1 minuto (AV).

Deve-se notar que, para transformadores de potência com Um > 170 kV, o teste LTAC não pode ser substituído pelo teste SI. Cálculos teóricos e experiência histórica mostram que, para avaliar o isolamento principal do terminal de linha até a terra em transformadores acima de 170 kV, o teste LTAC é aproximadamente 10% mais rigoroso do que o teste SI.

3 Método de Cálculo

O objetivo de realizar o teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) em um transformador de potência é induzir a tensão de teste especificada no terminal de alta tensão, enquanto se garante que o terminal de baixa tensão atinja um valor de tensão o mais próximo possível do nível especificado. Não há requisitos obrigatórios quanto ao método de teste específico. O método de teste LTAC mais comum é o "método de apoio oposto-fase e aterrado". Esta seção apresenta brevemente este método usando o transformador de potência SZ18-100000/220 como exemplo.

3.1 Parâmetros do Transformador

Razão de tensão: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Razão de capacidade: 100 / 100 MVA
Frequência nominal: 50 Hz
Grupo vetorial: YNd11
Níveis de isolamento: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Circuito de Teste

O diagrama do circuito para o teste de resistência à tensão alternada no terminal de linha (LTAC) deste transformador de potência é mostrado abaixo:

Diagrama do Circuito de Teste LTAC (Fase A como Exemplo)

Lado de alta tensão na derivação 9, lado de baixa tensão energizado a 2.0 vezes a tensão nominal

Os pontos-chave do circuito de teste LTAC são os seguintes:

• O teste LTAC deve ser realizado fase a fase, ou seja, um teste de sobretensão induzida monofásico com um fator de indução de aproximadamente 2 vezes a tensão nominal. Em alguns casos, pode não ser possível alcançar exatamente 2 vezes, e pequenas variações são permitidas.

• Tomando como exemplo o teste LTAC na fase A da bobina de alta tensão: uma certa tensão Uax é aplicada entre os terminais de baixa tensão ax, com o terminal x aterrado; os terminais b e c do lado de baixa tensão são deixados flutuantes. No lado de alta tensão, os terminais B e C são curtos juntos e aterrados, enquanto o terminal A e o terminal neutro (0) são deixados abertos (não conectados).

• A bobina de alta tensão deve ser ajustada em uma posição de derivação específica para garantir que a tensão de teste requerida de 395 kV (com uma tolerância de ±3%) seja induzida no terminal de linha A de alta tensão.

3.3 Processo de Cálculo

De acordo com a lei de Faraday de indução eletromagnética e o princípio de continuidade do fluxo magnético, na configuração de teste acima, o fluxo magnético nos membros do núcleo das fases B e C é igual a metade do fluxo magnético no membro do núcleo da fase A, e em direção oposta. Portanto, a tensão induzida nas bobinas das fases B e C terá uma amplitude igual a metade da tensão induzida na fase A.

Diagrama Esquemático da Distribuição de Fluxo do Núcleo Durante o Teste LTAC
(Fase A de Alta Tensão como Exemplo)

Seja o fator de indução da tensão de excitação na fase de baixa tensão a K, e o lado de alta tensão na posição de derivação N. A seguinte equação pode ser estabelecida:

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

Dado que a amplitude do fluxo magnético no membro do núcleo da fase B é metade da fase A, segue que:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Portanto:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Substituindo a razão de tensão do transformador e as configurações de derivação:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Esta equação contém duas incógnitas, N e K, e, portanto, teoricamente tem infinitas soluções. No entanto, do ponto de vista físico, ambas as variáveis são limitadas: N deve ser um inteiro entre 1 e 17, e K é aproximadamente igual a 2.

Resolvendo a equação com N = 9 resulta em K = 1.98.
Ou, definindo K = 2 e N = 9 resulta em uma tensão induzida Uₐ = 398.4 kV.

Usando a fórmula acima, o potencial induzido no solo em qualquer ponto das bobinas do transformador durante o teste LTAC pode ser calculado.

3.4 Distribuição de Tensão

Usando o método de cálculo acima, a distribuição de potencial nas bobinas durante o teste de isolamento LTAC na fase A da bobina de alta tensão pode ser determinada como segue:

Distribuição de Potencial nas Bobinas Durante o Teste LTAC Monofásico na Fase A

Do diagrama de distribuição de tensão induzida acima, pode-se observar que, durante um teste LTAC monofásico, a diferença de potencial induzida entre as bobinas é relativamente pequena. Portanto, o teste LTAC não impõe uma avaliação rigorosa—nem completa—da resistência principal do isolamento entre as bobinas. No entanto, a avaliação da resistência principal do isolamento do terminal de linha de alta tensão até a terra é a mais severa neste teste (esta conclusão se aplica especificamente a transformadores com isolamento graduado). Durante o projeto, deve-se prestar atenção especial à verificação da resistência principal do isolamento entre o terminal da bobina de alta tensão, o terminal do condutor de alta tensão e componentes aterrados, como estruturas de aperto, paredes da caixa e elevadores de buchas de alta tensão, sob condições de teste LTAC.