Monografia omawia zagadnienia związane z narażeniami eksploatacyjnymi transformatorów ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania przepięć na ich uzwojeniach. Pomiary przebiegów przepięć mogą być podstawą oceny narażeń układu izolacyjnego oraz mogą być wykorzystane w celach diagnostycznych. W pracy przedstawiono pomiary laboratoryjne oddziaływania przepięć o zróżnicowanych kształtach na uzwojenia badanych transformatorów o rdzeniu amorficznym oraz rdzeniu z blachy krzemowej, omówiono możliwość wykorzystania sygnałów przejściowych występujących w napięciu zasilającym jako sygnały diagnostyczne umożliwiające wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych w sposób online. Pokazano możliwości wykorzystania filtrów w celu wyodrębnienia napięć przejściowych, a także możliwość wyodrębnienia różnych stanów nieustalonych w napięciu zasilania, w szczególności szumu sieci, do zastosowań w badaniach diagnostycznych. Zaprezentowano wyniki badań laboratoryjnych charakterystyk częstotliwościowych uzwojeń wyznaczone dzięki pomiarom odfiltrowanych napięć przejściowych. Na końcu przeprowadzono analizę rozkładów przepięć rezonansowych wewnątrz uzwojeń, opartą na wysokoczęstotliwościowym modelu RLC uzwojenia, który został omówiony w monografii. Przedstawiono metodykę opracowania wysokoczęstotliwościowego modelu uzwojenia uwzględniającą uproszczenie optymalizujące jego złożoność obliczeniową. Pokazano wpływ liczby zwojów oraz liczby warstw na charakter rozkładów przepięć rezonansowych, przeanalizowano przepięcia rezonansowe w uzwojeniu średniego napięcia cewki transformatora dystrybucyjnego.
The monograph discusses issues related to operational exposures of transformers, focusing on the impact of overvoltages on their windings. Overvoltages expose winding insulation systems during normal operation as well as during voltage tests. The diverse nature of overvoltages causes the risk of exposures of the insulation system exceeding permissible values, especially during the occurrence of overvoltages of non-standard shapes that excite the resonance frequencies of the windings. The laboratory measurements of the impact of overvoltages of various shapes on the windings of the tested transformers with an amorphous core and with silicon steel core are presented. The possibility of using transient signals occurring in the voltage as diagnostic signals enabling the determination of frequency characteristics online is shown. The analysis of resonant overvoltage distributions inside the windings based on the high-frequency RLC winding model is presented. The resonant overvoltages phenomenon in the medium voltage winding of the distribution transformer coil is analysed.
- Contents
-
Streszczenie 7
Summary 8
Introduction 9
1. Transformers in electrical power systems 14
1.1. Introduction 14
1.2. A classification of power transformers 16
1.3. Materials used in the construction of power transformers 18
1.4. Design of the transformer windings 20
1.5. Maintenance strategies for power equipment 23
1.6. Diagnostics measurements of power transformers 24
1.7. Conclusions 26
2. Operational exposure of transformers 27
2.1. Introduction 27
2.2. Electrical stresses 28
2.3. Thermal stresses 29
2.4. Mechanical stresses 30
2.5. Chemical stresses 30
2.6. Synergy of stresses 31
2.7. Conclusions 31
3. Characteristics of overvoltages in electrical networks 32
3.1. Introduction 32
3.2. Temporary overvoltages 34
3.3. Slow transient overvoltages 34
3.4. Fast front transients 36
3.5. Very fast front transients 38
3.6. Resonant overvoltages 41
3.7. Non standardized overvoltages 42
3.8. Ferroresonance 47
3.9. Transients generated by power electronics 49
3.10. Conclusions 50
4. Investigations of the impact of overvoltages on transformers 52
4.1. Introduction 52
4.2. Measurement setup and test objects 55
4.3. Investigation results of overvoltages in transformer windings 57
4.3.1. The 33 kVA transformer with an amorphous core 57
4.3.2. The 160 kVA transformer with silicon steel core 61
4.3.3. Correlation between the frequency characteristics of overvoltages in transformers windings and it admittances characteristics 66
4.3.4. Distribution of non standardized surges 68
4.3.4.1. Full lightning voltage impulse 69
4.3.4.2. Chopped lightning voltage impulse 69
4.3.4.3. Rectangular voltage impulse 72
4.3.4.4. Lightning voltage impulse with superimposed oscillating wavelet 74
4.4. Conclusions 76
5. Determination of the transformer frequency response with usage of voltage transients 78
5.1. Introduction 78
5.2. Frequency Response Analysis diagnostics method for power transformers 80
5.3. Transfer function evaluation with usage of wideband signals 83
5.3.1. Transfer function measurements 84
5.3.2. Application of SFRA method 89
5.3.3. Application of LVI method 91
5.3.4. Transformer diagnostics with white-noise 93
5.4. Investigations 93
5.4.1. Investigations of small signal usage for TF determination 94
5.4.2. Simulation analyses of usage of voltage filters for TF determination 97
5.4.3. Laboratory investigations of extracting voltage transients for TF determination 101
5.5. Conclusions 127
6. Modelling of transformer windings used for high frequency resonant overvoltages distribution analysis 129
6.1. Introduction 129
6.2. Equivalent circuit of transformer winding 133
6.2.1. Low frequency model 133
6.2.2. Black box model 134
6.2.3. The RLC model 136
6.3. Validation of the proposed model on the air core coil model 151
6.4. Simulations of overvoltages distribution in a model winding structure 164
6.4.1. Model winding 10 × 100 164
6.4.2. Model winding 10 × 200 168
6.4.3. Model winding 40 × 100 176
6.4.4. Model winding 10 × 200, the same wound direction of layer 182
6.5. Simulation of overvoltages distribution in 160 kVA 15 kV transformer winding 187
6.6. Application of high frequency winding model as a benchmark for computer aided diagnostics 196
6.7. Conclusions 198
7. Summary 200
Literature 203
