Standarder och beräkning av LTAC-test för strömförstärkare

1 Introduktion

Enligt bestämmelserna i den nationella standarden GB/T 1094.3-2017 är huvudsaken med linjeterminalernas AC-durabilitetstest (LTAC) för strömförstärkare att utvärdera AC-dielektriska styrkan mellan högspänningsvindningsterminaler och mark. Detta test syftar inte till att bedöma vridningsisolation eller fas-till-fasisolation.

Jämfört med andra isolationstester (som fullt blixtimpulstest LI eller växlingsimpulstest SI) ger LTAC-testet en relativt mer sträng utvärdering av huvudisolationsstyrkan mellan högspänningsvindningsterminaler, högspänningsledningsterminaler och jordade metallkomponenter som klamringar, uppbyggande enheter och tanken, på grund av dess längre varaktighet (typiskt 30 sekunder för 50 Hz-transformatorer och 36 sekunder för 60 Hz-transformatorer).

Många fall av isolationsprovfall har visat att många strömförstärkare kan klara blixtimpulstester (LI) och växlingsimpulstester (SI), men fortfarande upplever kortsiktiga under LTAC-testet, där brytningar ofta inträffar under de sista sekunderna av testet. Detta visar tydligt den kritiska betydelsen av testets varaktighet vid utvärdering av huvudisolering och lyfter fram LTAC-testets stränghet i utvärderingen av huvudisolationsstyrka.

Därför är det nödvändigt för transformatorutformningsingenjörer att exakt beräkna vindningspotentialens fördelning under LTAC-testet vid designfasen, för att kunna genomföra vetenskaplig och rationell huvudisolationsdesign, vilket säkerställer tillräcklig isolationsmarginal från designkällan.

2 Tolkningsstandarder

Linjeterminalernas AC-durabilitetstest (LTAC) för strömförstärkare är ett nytt högspänningsisolationsprovningsmoment som införts i den senaste nationella standarden GB/T 1094.3-2017. Det utvecklades och separerades från korttidig inducerad durabilitetstest (ACSD) som anges i den tidigare standarden GB/T 1094.3-2003. De relevanta bestämmelserna om LTAC-testet visas i tabellen nedan:

Standarden ger följande tolkning av linjeterminalernas AC-durabilitetstest (LTAC) för strömförstärkare:

• För strömförstärkare med Um ≤ 72.5 kV, vilka är helt isolerade, kan huvudisolationsstyrkan mellan högspänningsvindning och högspänningsledningsterminaler och mark fullt utvärderas genom tillämpat spänningstest (AV). Därför krävs inget LTAC-test.

• För strömförstärkare med 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• Om helt isolerade, kan huvudisolationsstyrkan fortfarande adekvat verifieras av tillämpat spänningstest (AV), men LTAC-testet specificeras som ett specialtest. Detta innebär att det generellt inte krävs under rutintester, men måste utföras om explicit begärt av användaren.

• Om neutralt jordad (graderad isolering), specificeras LTAC-testet som ett vanligt test och måste utföras på varje enhet under fabriksacceptanstester. Dock, med användarsamtycke, kan det ersättas av ett linjeterminal växlingsimpulstest (SI).

• För strömförstärkare med Um > 170 kV, oavsett om de är helt isolerade eller graderat isolerade, klassificeras LTAC-testet som ett specialtest - generellt inte obligatoriskt om inte specifikt begärt av användaren. I detta fall kan det dock inte ersättas av ett linjeterminal växlingsimpulstest (SI).

I praktiken, för helt isolerade strömförstärkare, oavsett spänningsnivå, utförs aldrig linjeterminalernas AC-durabilitetstest (LTAC), eftersom huvudisolationsstyrkan mellan högspänningsvindning/ledningsterminaler och mark kan mer rigoröst verifieras av det rutinmässiga 1-minuters tillämpade spänningstestet (AV).

Det bör noteras att för strömförstärkare med Um > 170 kV, kan LTAC-testet inte ersättas av SI-testet. Både teoretiska beräkningar och historisk erfarenhet visar att för att utvärdera huvudisoleringen från linjeterminal till mark i transformatorer över 170 kV, är LTAC-testet ungefär 10% strängare än SI-testet.

3 Beräkningsmetod

Syftet med att utföra linjeterminalernas AC-durabilitetstest (LTAC) på en strömförstärkare är att inducera den angivna provspänningen vid högspänningsterminalen, samtidigt som man ser till att lågspänningsterminalen når en spänningsnivå så nära den angivna nivån som möjligt. Det finns inga obligatoriska krav gällande den specifika provningsmetoden. Den vanligaste LTAC-provmetoden är "motfas shorted and grounded support method". Detta avsnitt ger en kort introduktion till denna metod med SZ18-100000/220 strömförstärkaren som exempel.

3.1 Transformatorparametrar

Spänningsförhållande: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
Kapacitetsförhållande: 100 / 100 MVA
Nominell frekvens: 50 Hz
Vektorgrupp: YNd11
Isolationsnivåer: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Provningsschema

Kretsschemat för linjeterminalernas AC-durabilitetstest (LTAC) av denna strömförstärkare visas nedan:

LTAC Testkretsschema (Fas A som exempel)

Högspänningsidan vid tapposition 9, lågspänningsidan mättes vid 2.0 gånger nominell spänning

De viktigaste punkterna i LTAC-provkretsen är följande:

• LTAC-testet ska utföras fas för fas, det vill säga, ett enfasinducerat överspänningsprov med en induktionsfaktor på ungefär 2 gånger nominell spänning. I vissa fall kan det inte vara exakt möjligt att nå exakt 2 gånger, och små avvikelser tillåts.

• Med LTAC-testet på fas A av högspänningsvindningen som exempel: en viss spänning Uax appliceras över lågspänningskontakterna ax, med kontakt x jordad; kontakterna b och c på lågspänningsidan lämnas flytande. På högspänningsidan kortslutsas kontakterna B och C tillsammans och jordas, medan kontakt A och neutral (0) kontakt lämnas öppna (oanknutna).

• Högspänningsvindningen måste sättas på en specifik angiven tapposition för att säkerställa att den krävda provspänningen på 395 kV (med en tillåten avvikelse på ±3%) induceras vid högspänningslinjeterminal A.

3.3 Beräkningsprocess

Enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion och principen om magnetflödeskontinuitet, under ovanstående provkonfiguration, är magnetflödet i kärnbenen av faserna B och C lika med hälften av magnetflödet i fas A:s kärnben, och i motsatt riktning. Därför kommer den inducerade spänningen i vindningarna av faserna B och C ha en amplitud lika med hälften av den inducerade spänningen i fas A.

Schematisk bild av kärnmagnetflödesfördelning under LTAC-testet
(Högspänningsfas A som exempel)

Låt induktionsfaktorn för uppmuntningsspänningen på lågspänningsfas a vara K, och låt högspänningsidan vara vid tapposition N. Följande ekvation kan ställas upp:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(Eftersom fas B är jordad, Uᵦ = 0)

Givet att amplituden av magnetflödet i kärnbenet av fas B är hälften av fas A, följer det att:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Därför:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Genom att ersätta transformatorns spänningsförhållande och tapinställningar:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Denna ekvation innehåller två okända, N och K, och har därför teoretiskt oändligt många lösningar. Men ur ett fysiskt perspektiv är båda variablerna begränsade: N måste vara ett heltal mellan 1 och 17, och K är ungefär lika med 2.

Lösningen av ekvationen med N = 9 ger K = 1.98.
Alternativt, genom att sätta K = 2 och N = 9 erhålls en inducerad spänning Uₐ = 398.4 kV.

Med hjälp av ovanstående formel kan den inducerade markpotentialet vid vilken punkt som helst på transformatorvindningarna under LTAC-testet beräknas.

3.4 Spänningsfördelning

Genom att använda ovanstående beräkningsmetod kan potentialfördelningen över vindningarna under LTAC-isolationsprov på fas A av högspänningsvindningen fastställas som följer:

Vindningspotentialfördelning under enfas-LTAC-test på fas A

Från ovanstående diagram över inducerade spänningar kan det ses att under enfas-LTAC-testet är den inducerade potentialskillnaden mellan vindningar relativt liten. Därför ger LTAC-testet inte en rigorös utvärdering - eller fullständig utvärdering - av huvudisolationsstyrkan mellan vindningar. Emellertid är utvärderingen av huvudisolationsstyrkan från högspänningslinjeterminal till mark den mest stränga under detta test (denna slutsats gäller specifikt för graderade isolerade transformatorer). Vid design måste särskild uppmärksamhet ägnas åt att verifiera huvudisolationsstyrkan mellan högspänningsvindnings-terminal, högspänningslednings-terminal och jordade komponenter som klamringar, tankväggar och högspänningsbushings riser under LTAC-testvillkor.