Стандарты и расчеты испытания LTAC для силовых трансформаторов

1 Введение

Согласно положениям национального стандарта GB/T 1094.3-2017, основная цель испытания на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) для силовых трансформаторов состоит в оценке диэлектрической прочности переменного тока от высоковольтных обмоточных выводов до земли. Оно не предназначено для оценки межвитковой изоляции или фазовой изоляции.

В сравнении с другими испытаниями изоляции (например, полным импульсом молнии LI или коммутационным импульсом SI), испытание LTAC накладывает относительно более строгую оценку на основную диэлектрическую прочность между высоковольтными обмоточными выводами, высоковольтными выводами и заземленными металлическими элементами, такими как стяжные конструкции, подъемные блоки и бак, благодаря его большей продолжительности (обычно 30 секунд для трансформаторов с частотой 50 Гц и 36 секунд для трансформаторов с частотой 60 Гц).

Множество случаев отказа при испытаниях изоляции показали, что многие силовые трансформаторы могут выдерживать испытания полным импульсом молнии (LI) и коммутационным импульсом (SI), но все же разрушаются во время испытания на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC), причем разрушения часто происходят в последние несколько секунд испытания. Это явно демонстрирует критическую важность продолжительности испытания при оценке основной изоляции и подчеркивает строгость испытания LTAC в оценке основной диэлектрической прочности.

Поэтому крайне важно, чтобы инженеры-конструкторы трансформаторов точно рассчитывали распределение потенциала обмоток во время испытания на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) на этапе проектирования, чтобы проводить научный и рациональный дизайн основной изоляции, обеспечивая достаточный запас изоляции на уровне проектирования.

2 Интерпретация стандартов

Испытание на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) для силовых трансформаторов является новым видом высоковольтного испытания изоляции, введенным в последнем национальном стандарте GB/T 1094.3-2017. Оно развилось и отделилось от кратковременного индуцированного испытания на выдержку напряжения (ACSD), указанного в предыдущем стандарте GB/T 1094.3-2003. Соответствующие положения относительно испытания LTAC приведены в таблице ниже:

Стандарт предоставляет следующую интерпретацию испытания на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) для силовых трансформаторов:

• Для силовых трансформаторов с Um ≤ 72.5 кВ, которые полностью изолированы, основная диэлектрическая прочность между высоковольтными обмоточными выводами, высоковольтными выводами и землей может быть полностью оценена при помощи испытания на применяемое напряжение (AV). Поэтому испытание LTAC не требуется.

• Для силовых трансформаторов с 72.5 < Um ≤ 170 кВ:

• Если они полностью изолированы, хотя основная диэлектрическая прочность может быть адекватно проверена при помощи испытания на применяемое напряжение (AV), испытание LTAC определено как специальное. Это означает, что обычно оно не требуется при рутинных испытаниях, но должно выполняться, если это явно запрошено пользователем.

• Если они нейтрально заземлены (градуированная изоляция), испытание LTAC определено как рутинное и должно выполняться на каждом изделии во время заводских приемочных испытаний. Однако, с согласия пользователя, оно может быть заменено коммутационным импульсным испытанием на линейных выводах (SI).

• Для силовых трансформаторов с Um > 170 кВ, будь то полностью изолированные или градуированной изоляции, испытание LTAC классифицируется как специальное—обычно необязательное, если только оно не явно требуемо пользователем. В этом случае, однако, оно не может быть заменено коммутационным импульсным испытанием на линейных выводах (SI).

На практике, для полностью изолированных силовых трансформаторов, независимо от уровня напряжения, испытание на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) никогда не выполняется, потому что основная диэлектрическая прочность между высоковольтными обмоточными/выводами и землей может быть более строго проверена при помощи рутинного испытания на применяемое напряжение (AV) в течение 1 минуты.

Следует отметить, что для силовых трансформаторов с Um > 170 кВ, испытание LTAC не может быть заменено испытанием SI. Теоретические расчеты и исторический опыт показывают, что для оценки основной изоляции от линейного вывода до земли в трансформаторах выше 170 кВ, испытание LTAC примерно на 10% строже, чем испытание SI.

3 Метод расчета

Цель проведения испытания на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) на силовом трансформаторе заключается в индукции заданного испытательного напряжения на высоковольтном выводе, при этом необходимо, чтобы низковольтный вывод достигал значения напряжения, максимально близкого к заданному уровню. Нет обязательных требований к конкретному методу испытания. Наиболее распространенный метод испытания LTAC — это "метод противофазного короткого замыкания и заземления". В этом разделе кратко описывается этот метод на примере силового трансформатора SZ18-100000/220.

3.1 Параметры трансформатора

Отношение напряжений: 230 ± 8 × 1.25% / 37 кВ
Отношение мощностей: 100 / 100 МВА
Номинальная частота: 50 Гц
Группа соединений: YNd11
Уровни изоляции: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Схема испытания

Схема цепи для испытания на переменное напряжение на линейных выводах (LTAC) этого силового трансформатора показана ниже:

Схема цепи для испытания LTAC (на примере фазы A)

Высоковольтная сторона на выводе 9, низковольтная сторона питается при 2.0 раза номинального напряжения

Основные моменты схемы испытания LTAC следующие:

• Испытание LTAC должно выполняться пофазно, то есть однофазное индуцированное испытание на перенапряжение с коэффициентом индукции около 2 раз номинального напряжения. В некоторых случаях может быть невозможно точно достичь именно 2 раз, допускаются небольшие отклонения.

• На примере испытания LTAC на фазе A высоковольтной обмотки: определенное напряжение Uax прикладывается к низковольтным выводам ax, вывод x заземлен; выводы b и c на низковольтной стороне остаются свободными. На высоковольтной стороне, выводы B и C коротко замкнуты и заземлены, а вывод A и нейтральный (0) вывод остаются открытыми (не соединены).

• Высоковольтная обмотка должна быть установлена на определенной позиции вывода, чтобы обеспечить необходимое испытательное напряжение 395 кВ (с допустимым отклонением ±3%) на высоковольтном линейном выводе A.

3.3 Процесс расчета

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея и принципу непрерывности магнитного потока, при указанной выше конфигурации испытания, магнитный поток в сердечниках фаз B и C равен половине магнитного потока в сердечнике фазы A, но направлен в противоположную сторону. Поэтому индуцированное напряжение в обмотках фаз B и C будет иметь амплитуду, равную половине индуцированного напряжения в фазе A.

Схематическое изображение распределения магнитного потока в сердечнике при испытании LTAC
(на примере фазы A высоковольтной стороны)

Пусть коэффициент индукции возбуждающего напряжения на низковольтной фазе a равен K, а высоковольтная сторона находится на позиции вывода N. Можно составить следующее уравнение:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Поскольку фаза B заземлена, Uᵦ = 0)

Учитывая, что амплитуда магнитного потока в сердечнике фазы B составляет половину амплитуды магнитного потока в фазе A, следует, что:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Следовательно:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Подставляя отношение напряжений трансформатора и позицию вывода:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Это уравнение содержит два неизвестных, N и K, и теоретически имеет бесконечно много решений. Однако, с физической точки зрения, обе переменные ограничены: N должно быть целым числом от 1 до 17, а K приближенно равно 2.

Решение уравнения с N = 9 дает K = 1.98.
Альтернативно, установка K = 2 и N = 9 дает индуцированное напряжение Uₐ = 398.4 кВ.

Используя приведенную выше формулу, можно рассчитать индуцированный потенциал земли в любой точке обмоток трансформатора при испытании LTAC.

3.4 Распределение напряжения

Используя указанный выше метод расчета, можно определить распределение потенциала по обмоткам при испытании LTAC на фазе A высоковольтной обмотки следующим образом:

Распределение потенциала по обмоткам при однофазном испытании LTAC на фазе A

Из приведенной выше диаграммы распределения индуцированного напряжения видно, что при однофазном испытании LTAC, индуцированная разность потенциалов между обмотками относительно мала. Поэтому, испытание LTAC не накладывает строгую оценку, ни полностью не оценивает основную диэлектрическую прочность между обмотками. Однако, оценка основной диэлектрической прочности от высоковольтного линейного вывода до земли является наиболее строгой при этом испытании (этот вывод применим конкретно к трансформаторам с градуированной изоляцией). При проектировании следует уделить особое внимание проверке основной диэлектрической прочности между высоковольтным выводом обмотки, высоковольтным выводом и заземленными элементами, такими как стяжные конструкции, стенки бака и высоковольтные вводы, в условиях испытания LTAC.