Procedury testowania transformatorów zgodne ze standardami IEEE C57 i GB 1094

1. Podstawy testowania transformatorów

1.1 Przegląd
Transformatory są jednymi z najważniejszych urządzeń w transmisji energii elektrycznej. Ich jakość i niezawodność bezpośrednio wpływają na bezpieczną i pewną dostawę energii. Uszkodzenie transformatorów generatorowych lub kluczowych transformatorów stacjonarnych może zakłócać transmisję energii, a naprawa lub transport tak dużych jednostek często trwa kilka miesięcy.

W tym czasie przerwy w dostawie energii negatywnie wpływają na produkcję przemysłową i rolniczą oraz na zużycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych—co prowadzi do znacznych strat ekonomicznych.

W miarę jak wzrastają wymagania dotyczące bezpiecznej i niezawodnej pracy transformatorów, technologie testowania transformatorów znacznie się rozwinęły w ciągu ostatnich dwóch dekad. Znaczące postępy obejmują:

• Testy krótkiego spięcia dużych transformatorów przy nominalnym napięciu,

• Techniki pomiaru i lokalizacji częściowych wyładowań,

• Zastosowanie funkcji przejściowych do wykrywania uszkodzeń impulsowych,

• Użycie technologii cyfrowych do pomiaru strat,

• Wprowadzenie metod intensywności dźwięku w pomiarach hałasu,

• Analiza widmowa do diagnozy deformacji wirowań, oraz

• Coraz powszechniejsze zastosowanie analizy gazów rozpuszczonych (DGA) w oleju transformatorowym.

1.2 Standardy testowania transformatorów
Aby zapewnić, że transformatory spełniają wymagane standardy jakości i niezawodności transmisji energii, ustanowiono krajowe standardy zarówno dla transformatorów, jak i procedur ich testowania:

• GB 1094.1–1996: Transformatory energetyczne – Część 1: Ogólne

• GB 1094.2–1996: Transformatory energetyczne – Część 2: Wzrost temperatury

• GB 1094.3–1985: Transformatory energetyczne – Część 3: Poziomy izolacji, próby dielektryczne i odstępy zewnętrzne w powietrzu

• GB 1094.5–1985: Transformatory energetyczne – Część 5: Odporność na krótkie spięcie

• GB 6450–1986: Transformatory suchotłoczeniowe

1.3 Elementy testów transformatorów

1.3.1 Testy rutynowe

• Pomiar oporu wirowego

• Pomiar stosunku napięć i strat własnych

• Pomiar impedancji krótkiego spięcia i strat własnych

• Pomiar prądu bezobciążeniowego i strat bezobciążeniowych

• Pomiar oporu izolacyjnego między wirowaniami a ziemią

• Rutynowe próby dielektryczne — zobacz tabela 1-3 dla elementów testów izolacji fabrycznej

• Testy przełączników pod obciążeniem

1.3.2 Testy typowe

• Test wzrostu temperatury.

• Testy typu izolacji (zobacz tabela 1).

1.3.3 Specjalne testy

• Pomiar impedancji zerowej dla trójfazowych transformatorów.

• Test wytrzymałości na zacinanie.

• Pomiar poziomu dźwięku.

• Pomiar składowych harmonicznych w prądzie bezobciążenia.

2. Pomiar stosunku napięć i weryfikacja oznaczenia grupy połączeń

2.1 Przegląd
Pomiar stosunku napięć jest rutynowym testem dla transformatorów. Jest on wykonany nie tylko w fabryce podczas produkcji, ale także na miejscu przed wprowadzeniem transformatora do eksploatacji.

2.1.1 Cel pomiaru stosunku napięć

• Aby zapewnić, że stosunki napięć we wszystkich pozycjach przestawek mieszczą się w dopuszczalnej tolerancji określonej przez normy lub techniczne wymagania kontraktowe.

• Aby zweryfikować, że równolegle połączone cewki lub sekcje cewek (np. przestawione sekcje) mają taką samą liczbę zwojów.

• Aby potwierdzić, że przewody przestawkowe i połączenia z przestawką są poprawnie skonfigurowane.

Stosunek napięć jest kluczowym parametrem wydajności transformatora. Ponieważ ten test wykorzystuje niskie napięcie i jest prosty do wykonania, jest on wielokrotnie przeprowadzany podczas produkcji, aby zagwarantować zgodność z specyfikacjami projektowymi.

3. Pomiar oporu stałoprądowego cewek

3.1 Cele i wymagania
Zgodnie z GB 1094.1–1996 „Transformatory mocy – Część 1: Ogólne,” pomiar oporu stałoprądowego jest klasyfikowany jako rutynowy test. Dlatego każdy transformator musi poddać się temu testowi zarówno podczas, jak i po produkcji.

Głównymi celami pomiaru oporu stałoprądowego są sprawdzenie następujących aspektów:

• Jakość spawów lub mechanicznych połączeń między przewodnikami cewek — sprawdzenie słabych połączeń;

• Ciągłość połączeń między przewodami i izolatorami, oraz między przewodami a przestawką;

• Niezawodność spawów lub mechanicznych połączeń między przewodami;

• Czy wymiary i opór właściwy przewodników spełniają specyfikacje;

• Zrównoważenie oporów między fazami;

• Obliczenie wzrostu temperatury cewek, co wymaga pomiaru zimnego oporu przed testem wzrostu temperatury i gorącego oporu natychmiast po odłączeniu zasilania podczas testu.

3.2 Metody pomiarowe
Zgodnie z JB/T 501–91 „Przewodnik testów transformatorów mocy,” istnieją dwie standardowe metody pomiaru oporu stałoprądowego cewek transformatorów:

• Metoda mostkowa (np. mostek Kelvina)

• Metoda napięcie-prąd (V-A)

4. Test bez obciążenia

4.1 Przegląd
Pomiar strat bez obciążenia i prądu bez obciążenia to rutynowy test transformatora. Pełne charakterystyki magnetyzacyjne transformatora są określone za pomocą testu bez obciążenia.

Cele tego testu to:

• Pomiar strat bez obciążenia i prądu bez obciążenia;

• Weryfikacja, czy projekt i proces produkcji rdzenia spełniają odpowiednie normy i specyfikacje techniczne;

• Wykrywanie potencjalnych defektów rdzenia, takich jak lokalne przeogrzanie lub słabe izolacje.

4.2 Straty bez obciążenia
Straty bez obciążenia składają się głównie ze strat hysteresyjnych i wirnikowych w laminatach stalowych elektrycznych. Obejmują one również dodatkowe straty, takie jak straty rozproszone powodowane przez przeciekowe pole magnetyczne.

4.3 Prąd bez obciążenia
Wielkość prądu bez obciążenia zależy głównie od krzywej B–H (magnetyzacji) stali elektrycznej użytej w rdzeniu.

5. Pomiar strat przy obciążeniu i impedancji krótkiego spięcia

5.1 Przegląd testu obciążeniowego
Pomiar strat przy obciążeniu i impedancji krótkiego spięcia to rutynowy test.

Producenci wykonują ten test, aby:

• Określić wartości strat przy obciążeniu i impedancji krótkiego spięcia;

• Zweryfikuj zgodność ze standardami i umowami technicznymi;

• Wykryj potencjalne wady w cewkach.

Podczas testu napięcie jest podawane do jednej cewki, podczas gdy druga jest zakłócająco połączona. Zgodnie z bilansem amperowo-obrotowym, gdy prąd w napędzanej cewce osiąga swoją nominalną wartość, zakłócająco połączona cewka również przepuszcza nominalny prąd.

Chociaż główny strumień magnetyczny w rdzeniu jest bardzo mały podczas tego testu, generowane są znaczne strugi przeciekowe z powodu dużego przepływu prądu. Te strugi przeciekowe powodują:

• Straty wirujące w przewodnikach cewek;

• Straty przez prądy wirowe w równoległych przewodnikach;

• Dodatkowe straty w konstrukcjach zaciskowych, ściankach zbiornika, ekranach elektromagnetycznych, ramach rdzenia i płytach łączących.

Wszystkie te straty zależą od prądu i są zbiorczo klasyfikowane jako straty obciążeniowe.

6. Test wytrzymałości na napięcie przemiennoprądowe

6.1 Przegląd
Aby zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność transformatorów w operacji sieciowej, ich izolacja musi spełniać nie tylko normy wydajności, ale także wymagane wartości wytrzymałości dielektrycznej. Wytrzymałość dielektryczna określa, czy transformator może wytrzymać normalne napięcia robocze oraz nietypowe warunki, takie jak skoki spowodowane uderzeniami piorunów lub nadnapięcia przełączania.

Tylko po pomyślnym przejściu testów, w tym krótkotrwałego testu wytrzymałości na napięcie częstotliwości sieciowej, testu wytrzymałości na impulsy i pomiarów częściowych rozładowań, transformator może być uznany za gotowy do połączenia z siecią.

Test wytrzymałości na napięcie przemiennoprądowe ocenia głównie wytrzymałość głównej izolacji między cewkami a ziemią oraz między cewkami.

• Dla transformatorów całkowicie izolowanych ten test pełnym zakresem sprawdza główną izolację.

• Dla transformatorów z izolacją stopniową ocenia on tylko izolację końcówek blisko juka i izolację niektórych odcinków przewodów do ziemi. Nie może on ocenić pełnej wytrzymałości izolacji między cewkami a ziemią ani między cewkami.

Dla transformatorów z izolacją stopniową wymagany jest zamiast tego test napięcia indukowanego, aby kompleksowo ocenić wytrzymałość izolacji między cewkami, do ziemi i dla związanych przewodów.

7. Test wytrzymałości na indukowane nadnapięcia

7.1 Przegląd
Test wytrzymałości na indukowane nadnapięcia to kolejny kluczowy test dielektryczny po teście napięcia przemiennoprądowego.

• Dla transformatorów całkowicie izolowanych test napięcia przemiennoprądowego sprawdza tylko główną izolację, podczas gdy izolacja między zwitkami, warstwami i sekcjami jest weryfikowana przez test napięcia indukowanego.

• Dla transformatorów z izolacją stopniową test napięcia przemiennoprądowego weryfikuje tylko izolację punktu neutralnego. Test napięcia indukowanego jest niezbędny do oceny:

• Izolacja podłużna (między zwitkami, warstwami i sekcjami);

• Izolacja między cewkami a ziemią;

• Izolacja między cewkami i między fazami.

Zatem test napięcia indukowanego jest kluczowym sposobem oceny integralności zarówno głównej, jak i podłużnej izolacji.

7.2 Wymagania dotyczące testu
Test napięcia indukowanego zwykle polega na zastosowaniu podwójnej wartości napięcia nominalnego do zacisków cewki niskiego napięcia, z pozostawieniem wszystkich innych cewek otwartymi. Fala napięcia powinna być jak najbardziej zbliżona do czystej sinusoidy.