มาตรฐานและวิธีการคำนวณทดสอบ LTAC สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า

1 บทนำ

ตามข้อกำหนดของมาตรฐานแห่งชาติ GB/T 1094.3-2017 วัตถุประสงค์หลักของการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าคือการประเมินความแข็งแกร่งทางไฟฟ้าสลับจากเทอร์มินัลวงจรแรงดันสูงไปยังพื้นดิน มันไม่ได้มีวัตถุประสงค์ในการประเมินฉนวนระหว่างช่วงหรือฉนวนระหว่างเฟส

เมื่อเทียบกับการทดสอบฉนวนอื่นๆ (เช่น แรงกระแทกเต็ม LI หรือ SI การเปลี่ยนสถานะ) การทดสอบ LTAC ทำการประเมินความแข็งแกร่งของฉนวนหลักระหว่างเทอร์มินัลวงจรแรงดันสูง เทอร์มินัลสายแรงดันสูง และส่วนประกอบโลหะที่ต่อลงดิน เช่น โครงสร้างคลัมป์ หน่วยเรซิสเตอร์ และถัง อย่างเข้มงวดมากขึ้นเนื่องจากระยะเวลาที่ยาวนานกว่า (โดยทั่วไป 30 วินาทีสำหรับหม้อแปลง 50 Hz และ 36 วินาทีสำหรับหม้อแปลง 60 Hz)

กรณีที่เกิดความผิดพลาดจากการทดสอบฉนวนจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าหม้อแปลงไฟฟ้าหลายตัวสามารถทนทานต่อการทดสอบแรงกระแทก LI และ SI แต่ยังคงเกิดการแตกในระหว่างการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) โดยการแตกมักจะเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่วินาทีสุดท้ายของการทดสอบ นี่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญอย่างยิ่งของระยะเวลาในการทดสอบในการประเมินฉนวนหลักและเน้นย้ำถึงความเข้มงวดของการทดสอบ LTAC ในการประเมินความแข็งแกร่งของฉนวนหลัก

ดังนั้นจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรออกแบบหม้อแปลงที่จะคำนวณการกระจายศักย์ของวงจรในระหว่างการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) ในขั้นตอนการออกแบบ เพื่อทำการออกแบบฉนวนหลักอย่างวิทยาศาสตร์และสมเหตุสมผล ทำให้มั่นใจว่ามีขอบเขตฉนวนเพียงพอตั้งแต่แหล่งออกแบบ

2 การแปลความหมายของมาตรฐาน

การทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นรายการทดสอบฉนวนแรงดันสูงใหม่ที่ถูกเพิ่มเข้ามาในมาตรฐานแห่งชาติฉบับล่าสุด GB/T 1094.3-2017 ซึ่งแยกออกมาจากการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำระยะสั้น (ACSD) ที่ระบุไว้ในมาตรฐานก่อนหน้านี้ GB/T 1094.3-2003 ข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบ LTAC แสดงในตารางด้านล่าง:

มาตรฐานให้คำแปลความหมายของการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าดังนี้:

• สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ Um ≤ 72.5 kV ซึ่งเป็นฉนวนแบบสมบูรณ์ ความแข็งแกร่งของฉนวนหลักระหว่างเทอร์มินัลวงจรแรงดันสูงและเทอร์มินัลสายแรงดันสูงและพื้นดินสามารถประเมินได้อย่างครบถ้วนโดยการทดสอบแรงดันที่ประยุกต์ (AV) ดังนั้นการทดสอบ LTAC ไม่จำเป็น

• สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ 72.5 < Um ≤ 170 kV:

• หากเป็นฉนวนแบบสมบูรณ์ แม้ว่าความแข็งแกร่งของฉนวนหลักสามารถตรวจสอบได้เพียงพอโดยการทดสอบแรงดันที่ประยุกต์ (AV) การทดสอบ LTAC ถูกกำหนดเป็นการทดสอบพิเศษ หมายความว่าโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องดำเนินการในระหว่างการทดสอบประจำ แต่ต้องดำเนินการหากผู้ใช้ขออย่างชัดเจน

• หากเป็นฉนวนแบบต่อลงดิน (ฉนวนแบบเกรด) การทดสอบ LTAC ถูกกำหนดเป็นการทดสอบประจำและต้องดำเนินการบนทุกหน่วยในระหว่างการทดสอบการยอมรับจากโรงงาน อย่างไรก็ตาม ด้วยความตกลงของผู้ใช้ อาจถูกแทนที่ด้วยการทดสอบแรงกระแทกการเปลี่ยนสถานะที่ปลายสาย (SI)

• สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ Um > 170 kV ไม่ว่าจะเป็นฉนวนแบบสมบูรณ์หรือแบบเกรด การทดสอบ LTAC ถูกจำแนกเป็นการทดสอบพิเศษ—โดยทั่วไปไม่จำเป็นเว้นแต่ผู้ใช้จะขออย่างชัดเจน ในกรณีนี้ ไม่สามารถแทนที่ด้วยการทดสอบแรงกระแทกการเปลี่ยนสถานะที่ปลายสาย (SI)

ในการปฏิบัติงาน สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่เป็นฉนวนแบบสมบูรณ์ ไม่ว่าจะเป็นระดับแรงดันใด การทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) ไม่เคยดำเนินการ เนื่องจากความแข็งแกร่งของฉนวนหลักระหว่างเทอร์มินัลวงจรแรงดันสูง/เทอร์มินัลสายแรงดันสูงและพื้นดินสามารถตรวจสอบได้เข้มงวดมากขึ้นโดยการทดสอบแรงดันที่ประยุกต์ (AV) ประจำ 1 นาที

ควรสังเกตว่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ Um > 170 kV การทดสอบ LTAC ไม่สามารถแทนที่ด้วยการทดสอบ SI ได้ ทั้งการคำนวณเชิงทฤษฎีและการทดสอบในอดีตแสดงให้เห็นว่าในการประเมินฉนวนหลักจากปลายสายไปยังพื้นดินในหม้อแปลงที่มีแรงดันสูงกว่า 170 kV การทดสอบ LTAC มีความเข้มงวดประมาณ 10% มากกว่าการทดสอบ SI

3 วิธีการคำนวณ

วัตถุประสงค์ของการดำเนินการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) บนหม้อแปลงไฟฟ้าคือการเหนี่ยวนำแรงดันทดสอบที่ระบุที่เทอร์มินัลแรงดันสูง ในขณะเดียวกันก็ต้องทำให้แรงดันที่เทอร์มินัลแรงดันต่ำเข้าใกล้ค่าที่ระบุมากที่สุด ไม่มีข้อกำหนดใดๆ เกี่ยวกับวิธีการทดสอบที่เฉพาะเจาะจง วิธีการทดสอบ LTAC ที่พบบ่อยที่สุดคือ "วิธีการสนับสนุนที่ตรงข้ามและต่อลงดิน" หัวข้อนี้แนะนำวิธีการนี้โดยย่อโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้า SZ18-100000/220 เป็นตัวอย่าง

3.1 พารามิเตอร์ของหม้อแปลง

อัตราส่วนแรงดัน: 230 ± 8 × 1.25% / 37 kV
อัตราส่วนกำลัง: 100 / 100 MVA
ความถี่ที่กำหนด: 50 Hz
กลุ่มเวกเตอร์: YNd11
ระดับฉนวน: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 วงจรทดสอบ

แผนภาพวงจรสำหรับการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายสาย (LTAC) ของหม้อแปลงไฟฟ้านี้แสดงดังนี้:

แผนภาพวงจรทดสอบ LTAC (ตัวอย่างเฟส A)

ฝั่งแรงดันสูงที่ตำแหน่ง tap 9 ฝั่งแรงดันต่ำได้รับแรงดัน 2.0 เท่าของแรงดันที่กำหนด

ประเด็นสำคัญของวงจรทดสอบ LTAC คือดังนี้:

• การทดสอบ LTAC ต้องดำเนินการทีละเฟส คือการทดสอบแรงดันเหนี่ยวนำแบบเฟสเดียวโดยมีแฟกเตอร์เหนี่ยวนำประมาณ 2 เท่าของแรงดันที่กำหนด ในบางกรณี อาจไม่สามารถทำให้ได้ 2 เท่าอย่างแม่นยำ แต่อนุญาตให้มีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อย

• ตัวอย่างการทดสอบ LTAC บนเฟส A ของวงจรแรงดันสูง: แรงดัน Uax ถูกนำไปวางระหว่างเทอร์มินัล ax ที่ฝั่งแรงดันต่ำ โดยเทอร์มินัล x ต่อลงดิน; เทอร์มินัล b และ c ที่ฝั่งแรงดันต่ำปล่อยลอย ในฝั่งแรงดันสูง เทอร์มินัล B และ C ถูกต่อสั้นและต่อลงดิน ในขณะที่เทอร์มินัล A และเทอร์มินัลกลาง (0) ปล่อยลอย (ไม่ต่อ)

• วงจรแรงดันสูงต้องตั้งที่ตำแหน่ง tap ที่ระบุเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันทดสอบที่ต้องการ 395 kV (อนุญาตให้มีความคลาดเคลื่อน ±3%) ถูกเหนี่ยวนำที่เทอร์มินัลแรงดันสูง A

3.3 กระบวนการคำนวณ

ตามกฎของ Faraday ของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและหลักการความต่อเนื่องของฟลักซ์แม่เหล็ก ภายใต้การกำหนดการทดสอบดังกล่าว ฟลักซ์แม่เหล็กในแขนขาแกนของเฟส B และ C เท่ากับครึ่งหนึ่งของฟลักซ์แม่เหล็กในแขนขาแกนของเฟส A และมีทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น แรงดันเหนี่ยวนำในวงจรของเฟส B และ C จะมีขนาดเท่ากับครึ่งหนึ่งของแรงดันเหนี่ยวนำในเฟส A

แผนภาพการกระจายฟลักซ์แม่เหล็กในระหว่างการทดสอบ LTAC
(ตัวอย่างเฟส A แรงดันสูง)

ให้แฟกเตอร์เหนี่ยวนำของแรงดันกระตุ้นในเฟสแรงดันต่ำ a เป็น K และให้ฝั่งแรงดันสูงอยู่ที่ตำแหน่ง tap N สามารถตั้งสมการดังนี้:

Uₐ₀ + U₀₈ = 395
(เนื่องจากเฟส B ต่อลงดิน Uᵦ = 0)

เนื่องจากขนาดของฟลักซ์แม่เหล็กในแขนขาแกนของเฟส B เท่ากับครึ่งหนึ่งของเฟส A ดังนั้น:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

ดังนั้น:
1.5 × Uₐ₀ = 395

แทนค่าอัตราส่วนแรงดันและตำแหน่ง tap ของหม้อแปลง:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

สมการนี้มีตัวแปรสองตัวคือ N และ K และดังนั้นมีคำตอบที่เป็นไปได้มากมาย อย่างไรก็ตาม จากมุมมองทางกายภาพ ตัวแปรทั้งสองถูกจำกัด: N ต้องเป็นจำนวนเต็มระหว่าง 1 ถึง 17 และ K ประมาณเท่ากับ 2

การแก้สมการเมื่อ N = 9 ได้ K = 1.98.
หรือตั้ง K = 2 และ N = 9 ได้แรงดันเหนี่ยวนำ Uₐ = 398.4 kV.

โดยใช้สูตรดังกล่าว สามารถคำนวณศักย์ที่เหนี่ยวนำที่จุดใดๆ บนวงจรหม้อแปลงในระหว่างการทดสอบ LTAC ได้

3.4 การกระจายแรงดัน

โดยใช้วิธีการคำนวณดังกล่าว สามารถกำหนดการกระจายศักย์ในวงจรในระหว่างการทดสอบฉนวน LTAC บนเฟส A ของวงจรแรงดันสูงได้ดังนี้:

การกระจายศักย์ในวงจรในระหว่างการทดสอบ LTAC แบบเฟสเดียวบนเฟส A

จากแผนภาพการกระจายแรงดันเหนี่ยวนำดังกล่าว สามารถเห็นได้ว่าในการทดสอบ LTAC แบบเฟสเดียว ความต่างศักย์ที่เหนี่ยวนำระหว่างวงจรค่อนข้างน้อย ดังนั้นการทดสอบ LTAC ไม่ได้ทำการประเมินอย่างเข้มงวด—หรือไม่ได้ประเมินอย่างครบถ้วน—ความแข็งแกร่งของฉนวนหลักระหว่างวงจร อย่างไรก็ตาม การประเมินความแข็งแกร่งของฉนวนหลักจากเทอร์มินัลแรงดันสูงไปยังพื้นดินเป็นการประเมินที่เข้มงวดที่สุดในการทดสอบนี้ (ข้อสรุปนี้ใช้เฉพาะกับหม้อแปลงที่มีฉนวนแบบเกรด) ในระหว่างการออกแบบ ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษในการตรวจสอบความแข็งแกร่งของฉนวนหลักระหว่างเทอร์มินัลวงจรแรงดันสูง เทอร์มินัลสายแรงดันสูง และส่วนประกอบที่ต่อลงดิน เช่น โครงสร้างคลัมป์ ผนังถัง และท่อแรงดันสูงในระหว่างการทดสอบ LTAC