Стандарти та розрахунок випробування LTAC для електроперетворювачів

1 Вступ

Згідно з положеннями національного стандарту GB/T 1094.3-2017, основна мета випробування на стійкість до промислового напруги (LTAC) для силових трансформаторів полягає в оцінці електричної стійкості від високонапіжних витків до землі. Воно не призначено для оцінки міжвиткової ізоляції або ізоляції між фазами.

У порівнянні з іншими випробуваннями ізоляції (такими як повний громовий імпульс LI або комутаційний імпульс SI), випробування LTAC надає більш строгу оцінку основної ізоляційної стійкості між високонапіжними витками, високонапіжними кабельними кінцями та заземленими металевими компонентами, такими як зажимні конструкції, підйомні блоки та резервуар, через його тривалість (зазвичай 30 секунд для трансформаторів 50 Гц та 36 секунд для трансформаторів 60 Гц).

Багато випадків невдач випробувань ізоляції показали, що багато силових трансформаторів можуть витримати випробування громовим імпульсом (LI) та комутаційним імпульсом (SI), але все ж дістають пробій під час випробування на стійкість до промислової напруги (LTAC), причому пробії часто відбуваються у останніх декількох секундах випробування. Це чітко демонструє ключову важливість тривалості випробування для оцінки основної ізоляції та підкреслює строгий характер випробування LTAC для оцінки основної ізоляційної стійкості.

Тому проектувальникам трансформаторів необхідно точно обчислити розподіл потенціалу витків під час випробування на стійкість до промислової напруги (LTAC) на етапі проектування, щоб провести наукове та раціональне проектування основної ізоляції, забезпечуючи достатній ізоляційний запас з самого початку проектування.

2 Тлумачення стандартів

Випробування на стійкість до промислової напруги (LTAC) для силових трансформаторів - це новий пункт випробувань високого напруги, доданий до найновішого національного стандарту GB/T 1094.3-2017. Він виник і відокремився від короткочасного випробування на стійкість до викликаної напруги (ACSD), визначеного в попередньому стандарті GB/T 1094.3-2003. Пов'язані з випробуванням LTAC положення наведені в нижче зазначеній таблиці:

Стандарт надає таке тлумачення тесту на стійкість до напруги чергової стріми (LTAC) для електроенергетичних перетворювачів:

• Для електроенергетичних перетворювачів з Um ≤ 72.5 кВ, які повністю ізольовані, основна міцність ізоляції між високовольтними обмотками та високовольтними кінцевими клемами та землею може бути повністю оцінена за допомогою тесту на прикладену напругу (AV). Тому тест LTAC не потрібен.

• Для електроенергетичних перетворювачів з 72.5 < Um ≤ 170 кВ:

• Якщо повністю ізольовані, хоча основна міцність ізоляції все ще може бути достатньо перевірена за допомогою тесту на прикладену напругу (AV), тест LTAC визначається як спеціальний тест. Це означає, що він загалом не потрібен під час типових тестів, але повинен бути проведенний, якщо це явно запитано користувачем.

• Якщо нейтраль заземлена (градуйована ізоляція), тест LTAC визначається як типовий тест і повинен бути проведений на кожному пристрої під час заводських приймальних тестів. Однак, зgodи користувача, його можна замінити тестом на комутаційну імпульсну напругу (SI).

• Для електроенергетичних перетворювачів з Um > 170 кВ, незалежно від того, чи повністю ізольовані, чи градуйовані, тест LTAC класифікується як спеціальний тест — загалом не обов'язковий, якщо це не вимагається користувачем. В цьому випадку, однак, його не можна замінити тестом на комутаційну імпульсну напругу (SI).

На практиці, для повністю ізольованих електроенергетичних перетворювачів, незалежно від рівня напруги, тест на стійкість до напруги чергової стріми (LTAC) ніколи не проводиться, оскільки основна міцність ізоляції між високовольтними обмотками/кінцевими клемами та землею може бути більш строго перевірена за допомогою типового 1-хвилинного тесту на прикладену напругу (AV).

Слід зазначити, що для електроенергетичних перетворювачів з Um > 170 кВ, тест LTAC не може бути замінений тестом SI. Теоретичні розрахунки та історичний досвід показують, що для оцінки основної ізоляції від кінцевої клеми до землі у перетворювачах вище 170 кВ, тест LTAC наближено на 10% більш строгий, ніж тест SI.

3 Метод розрахунку

Метою проведення тесту на стійкість до напруги чергової стріми (LTAC) електроенергетичного перетворювача є індукція вказаної тестової напруги на високовольтній клемі, забезпечуючи, щоб низьковольтна клема досягла напруги, яка максимально близька до вказаного рівня. Не має жодних обов'язкових вимог щодо конкретного методу тестування. Найпоширеніший метод тесту LTAC - "метод протилежнофазного заземленого підтримування". Цей розділ коротко представляє цей метод на прикладі електроенергетичного перетворювача SZ18-100000/220.

3.1 Параметри перетворювача

Співвідношення напруг: 230 ± 8 × 1.25% / 37 кВ
Співвідношення потужності: 100 / 100 МВА
Номінальна частота: 50 Гц
Група векторів: YNd11
Рівні ізоляції: LI950 AC395 – LI400 AC200 / LI200 AC85

3.2 Схема тесту

Схема тесту на стійкість до напруги чергової стріми (LTAC) цього електроенергетичного перетворювача представлена нижче:

Схема тесту LTAC (на прикладі фази A)

Високовольтна сторона на клемі 9, низьковольтна сторона живиться при 2.0 разів номінальної напруги

Основні моменти схеми тесту LTAC наступні:

• Тест LTAC повинен проводитися по фазам, тобто тест на одиночну фазу з індуктивним фактором приблизно 2 рази номінальної напруги. У деяких випадках може не бути точно можливим досягти саме 2 рази, і допускаються невеликі відхилення.

• На прикладі тесту LTAC на фазі A високовольтної обмотки: певна напруга Uax прикладається до низьковольтних клем ax, з клемою x заземленою; клеми b і c на низьковольтній стороні залишаються плавучими. На високовольтній стороні, клеми B і C короткозамкнені разом і заземлені, а клема A та нейтральна (0) клема залишаються відкритими (не з'єднаними).

• Високовольтна обмотка повинна бути встановлена на певній позначенній клемі, щоб забезпечити, що потрібна тестова напруга 395 кВ (з дозволеним відхиленням ±3%) буде індукована на високовольтній лінійній клемі A.

3.3 Процес розрахунку

Згідно з законом Фарадея про електромагнітну індукцію та принципом безперервності магнітного потоку, при вищезазначеній конфігурації тесту, магнітний потік в середовидях фаз B і C дорівнює половині магнітного потоку в середовиді фази A, і в протилежному напрямку. Тому, індукована напруга в обмотках фаз B і C матиме амплітуду, що дорівнює половині індукованої напруги в фазі A.

Схематичний діаграма розподілу магнітного потоку під час тесту LTAC
(на прикладі високовольтної фази A)

Нехай індуктивний фактор напруги збудження на низьковольтній фазі a становить K, а високовольтна сторона знаходиться на позиції клеми N. Можна встановити наступне рівняння:

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

Оскільки амплітуда магнітного потоку в середовиді фази B становить половину амплітуди фази A, отже:
U₀₈ = ½ Uₐ₀

Отже:
1.5 × Uₐ₀ = 395

Підставляючи відношення напруг трансформатора та налаштування відводів:
(230 / 1.732) × [1 + (9 − N) × 1.25%] × K × 1.5 = 395

Це рівняння містить дві невідомі, N та K, і таким чином теоретично має нескінченно багато розв'язків. Однак, з фізичної точки зору, обидві змінні обмежені: N повинен бути цілим числом від 1 до 17, а K приблизно дорівнює 2.

Розв'язання рівняння при N = 9 дає K = 1.98.
Альтернативно, встановлення K = 2 та N = 9 дає викликану напругу Uₐ = 398.4 кВ.

Використовуючи вищезазначену формулу, можна обчислити викликаний потенціал землі в будь-якій точці витків трансформатора під час тесту LTAC.

3.4 Розподіл напруги

Використовуючи вищезазначений метод обчислення, можна визначити розподіл потенціалу по витках під час тесту на діелектричну стійкість LTAC на фазі A високонапігного витка наступним чином:

Розподіл потенціалу витків під час однофазного тесту LTAC на фазі A

З вищезазначеного діаграми розподілу викликаної напруги видно, що під час однофазного тесту LTAC викликана різниця потенціалів між витками є відносно невеликою. Тому тест LTAC не надає жорсткої оцінки — ні повної оцінки — основної діелектричної стійкості між витками. Проте, оцінка основної діелектричної стійкості від високонапігного лінійного терміналу до землі є найбільш строгим у цьому тесті (цей висновок застосовується спеціально до трансформаторів з градуйованою ізоляцією). Під час проектування особлива увага повинна приділятися перевірці основної діелектричної стійкості між високонапігним витком, високонапігним провідником та заземленими компонентами, такими як структури зажимів, стіни баку та підйомники високонапігних изоляторів, у умовах тесту LTAC.