Trasformatori di tensione per condensatori di accoppiamento (CCVT)
Autore: Volney Naranjo
Introduzione
I trasformatori di misura svolgono l'importante funzione di fornire finestre sul comportamento elettrico della rete di distribuzione. I dispositivi di protezione, controllo e misurazione richiedono queste "finestre" ma necessitano anche dell'isolamento elettrico dalla rete poiché funzionano a tensioni e correnti molto più basse. I trasformatori di misura offrono la soluzione, fungendo da intermediari che forniscono isolamento, accoppiando magneticamente i dispositivi secondari di monitoraggio e misurazione alla rete. Esistono diversi tipi di trasformatori di misura, ma uno dei più comuni nei sistemi di trasmissione ad alta tensione è il trasformatore di tensione con condensatore di accoppiamento (CCVT).
I CCVT sono dispositivi in grado di svolgere una doppia funzione. Una è quella di fornire una conversione di tensione estremamente precisa per dispositivi di misurazione, relè di protezione e sistemi di controllo automatico, mentre l'altra è accoppiare i segnali PLC (Power-Line Carrier) ad alta frequenza al sistema di trasmissione, per scopi di comunicazione e controllo.
Struttura dei trasformatori CCVT
In termini di struttura, un CCVT è sia un divisore di tensione capacitivo (CVD) che un'unità elettromagnetica. Il divisore capacitivo è un gruppo di elementi capacitivi che abbassa gradualmente la tensione primaria alta o extra alta a un livello di tensione intermedio (generalmente da 5 a 20 kV) mentre l'unità elettromagnetica (EMU) fa scendere ulteriormente la tensione fino al livello di uscita richiesto, di solito a un valore inferiore a 120 V. L'EMU incorpora generalmente avvolgimenti di regolazione per garantire che vengano raggiunti i livelli di precisione richiesti.
Essenzialmente un CVD è composto da due condensatori, C1 e C2, sebbene in pratica C1 possa essere costituito da un singolo stack di condensatori o da più stack di condensatori collegati in serie. Quando sono presenti più stack, questi sono designati come C1-1, C1-2, ecc., o in casi rari, B1, B2, ecc. Ogni CVD ha, come minimo, un condensatore C2 e uno C1-1 (o B1). Quando sono presenti solo questi due condensatori, il CCVT è definito come dispositivo a unità singola o a stack singolo. Il condensatore C1-1 è posizionato direttamente sopra C2 nell'alloggiamento più in basso (isolatore) del dispositivo e l'aspetto del CCVT è simile a una morsettiera con un isolatore sulla parte superiore. Un CCVT a due unità, dove C1 è costituito da C1-1 e C1-2, ha due isolatori con C1-2 nell'isolatore superiore e C1-1 e C2 nell'isolatore inferiore; un CCVT a tre unità è dotato di tre isolatori con C1-3 nell'isolatore superiore, C1-2 nell'isolatore centrale e C1-1 e C2 nell'isolatore inferiore, e così via.
L'EMU, oltre a un trasformatore di tensione induttivo, contiene un circuito di sintonizzazione e una protezione contro i valori di ferrorisonanza (Figura 1). Il circuito di sintonizzazione è un reattore che compensa gli errori di ampiezza e lo spostamento di fase causati dal CVD, rendendo possibile avere un CCVT con una caratteristica sul lato secondario simile, in termini di errore e deviazione di fase, a quella di un trasformatore di tensione puramente induttivo.
Figura 1: schema elettrico tipico del CCVT
In alcune circostanze, la reattanza capacitiva del CVD può risuonare con la reattanza di magnetizzazione del trasformatore di tensione induttivo e dei nuclei del reattore di compensazione. Questo effetto indesiderato è chiamato ferrorisonanza e può dare origine a tensioni elevate e dannose negli elementi induttivi e capacitivi. Per evitare questo problema, viene installato un circuito di smorzamento della ferrorisonanza in parallelo con uno degli avvolgimenti secondari.
Test CCVT
Rispetto ai trasformatori di tensione puramente induttivi, a tensioni di circa 72 kV e superiori, i CCVT sono componenti più economici. Pertanto, se il costo di sostituzione fosse l'unico criterio di valutazione, sarebbe difficile giustificare un'ampia attività di test. Tuttavia, possono verificarsi guasti singoli o multipli nello stack di condensatori, che causano una diminuzione del rapporto e un aumento dell'errore di fase. Il deterioramento del dielettrico nello stack di condensatori può anche portare a un'esplosione catastrofica dell'apparecchiatura. L'EMU può subire deterioramento a causa dell'invecchiamento, dell'esposizione alle vibrazioni o per altri motivi, con conseguente riduzione della precisione o guasto dell'isolamento. Come ausilio per la protezione da tali eventualità, i test sono pienamente giustificati. È possibile utilizzare varie tecniche di test, come descritto nelle sezioni seguenti.
Test dell'isolamento
Le misurazioni della capacità e del fattore di potenza della frequenza di linea (PF) devono essere eseguite regolarmente sui CCVT. I test del fattore di potenza di isolamento sono più informativi quando la quantità di isolamento inclusa nel test è ridotta al minimo. Per questo motivo, i test vengono eseguiti su ogni singolo componente del CVD (ad es. C1-1, C1-2, … e C2). I valori tipici complessivi del PF sono compresi tra lo 0,2% e lo 0,5%, ma i valori del fattore di potenza inferiori allo 0,05% sono normali a seconda dei materiali isolanti utilizzati per la costruzione.
Il test di C2 è generalmente considerato più difficile perché l'isolamento del componente C2 non è sempre semplice. C2 è "racchiuso" da un terminale di potenziale e da un terminale portante. Il terminale portante, situato nella "morsettiera" (se disponibile), consente di accedere alla parte inferiore di C2. Questo terminale, denominato "HF" da alcuni produttori, è identificabile e facilmente accessibile nella maggior parte dei CCVT. Non è sempre vero, però, per il terminale di potenziale, che si trova tra C2 e C1 (o tra C2 e C1-1 nei CCVT a più stack).
Nei CCVT di tipo precedente, il terminale potenziale è generalmente accessibile. Tuttavia, per i moderni CCVT come quelli forniti da Trench, il terminale potenziale è inaccessibile. Anche in questi casi, tuttavia, è ancora possibile testare C2. I CCVT sono dotati di un interruttore di messa a terra del potenziale che fornisce il mezzo per collegare a terra il terminale di potenziale. Con l'interruttore di messa a terra del potenziale chiuso, il terminale portante può essere eccitato, un cavo a bassa tensione può essere collegato al terminale di linea (parte superiore di C1) e può essere eseguito un test di C2 in modalità GST-Guard. Tenere presente che il terminale portante deve essere scollegato e isolato dal potenziale di terra e dalla bobina di scarico (e, se applicabile, da eventuali cavi accessori) per il test di C2. Inoltre, la tensione di prova (generalmente 500 V) utilizzata per eccitare il terminale portante non deve superare la tensione nominale del terminale. In sintesi:
- Il terminale di uscita portante deve essere scollegato da terra
- Interruttore di messa a terra: CHIUSO
- Interruttore di messa a terra del gruppo portante: APERTO
- Modalità di test: GSTg-R
- Tensione di prova massima: 2 kV RMS
I risultati del test di capacità devono essere confrontati con i valori riportati sulla targhetta dati e, se disponibili, con i risultati di test di capacità precedenti. Purtroppo, tali confronti spesso determinano confusione. La targhetta dati del CCVT, applicata alla scatola di base, fornisce spesso il valore della capacità nominale di progetto CN (chiamato anche CT). Il valore CN per un divisore capacitivo è la capacità risultante calcolata dalle misurazioni C1 e C2 utilizzando la formula (C1*C2/(C1 + C2)). Nei CCVT di Trench, il valore CN si trova su un'altra targhetta più piccola applicata alla parte superiore del primo stack (cioè quello inferiore). Ciò rappresenta la capacità dell'intero stack inferiore, o C1-1 in serie con C2. Inoltre, è importante notare che i dati della targhetta possono fornire valori di progetto piuttosto che valori misurati. Ciò è particolarmente probabile se i valori sono cifre tonde.
La targhetta solitamente include il valore misurato di C2. Tuttavia, per un CCVT a due unità, i valori di capacità di C1-1 e C1-2 potrebbero non essere separatamente indicati sulla targhetta; spesso viene fornita solo la capacità di C1. Se si esegue la verifica di un CCVT a tre unità, allora il valore di capacità C1-3 potrebbe essere stampato su un'altra piccola targhetta attaccata allo stack dell'isolatore più in alto. I risultati del test di capacità devono essere compresi tra l'1% e il 2% dei valori indicati sulla targhetta e delle misurazioni precedenti.
Diagnostica avanzata dell'isolamento, tra cui test DFR a banda stretta, sui CCVT
I test di isolamento di base appena descritti possono essere utilmente integrati con misurazioni PF a frequenze diverse e un test di incremento del fattore di potenza. In particolare, un test del PF a 1 Hz fornisce un indicatore migliore di eventuali problemi in via di sviluppo, facilitando il rilevamento precoce. Il PF a 1 Hz è particolarmente sensibile alla contaminazione da umidità, una difetto comune nei CCVT. I test DFR a banda stretta includono test del fattore di potenza a diverse frequenze discrete, tra cui quelle da 1 Hz fino a 505 Hz.
Il test di incremento del fattore di potenza esamina il modo in cui il valore PF cambia all'aumentare della tensione del test. Se il valore PF aumenta con l'aumentare della tensione, ciò potrebbe indicare un problema meccanico nello stack capacitivo. I test di incremento del fattore di potenza possono essere eseguiti sullo stack complessivo o sui singoli condensatori che lo compongono, come supporto alla localizzazione dei problemi.
Test di rapporto
Un test di rapporto di base può essere effettuato eccitando il lato primario del CCVT con una sorgente di 10 kV e misurando la tensione secondaria con un multimetro digitale. Tuttavia, ciò non fornisce alcuna misurazione della deviazione di fase, che è invece necessaria per convalidare la precisione del CCVT.
La convalida del rapporto per confermare che le prestazioni del CCVT corrispondano al rapporto indicato sulla targhetta e la precisione di fase richiede l'uso di apparecchiature di test specializzate. Per questo motivo, generalmente non viene eseguito sul campo. Tuttavia, se viene eseguito un test di convalida, i risultati devono rientrare nei parallelogrammi di precisione appropriati indicati negli standard, come IEEE C57. 13- 2016. Un esempio di questo è riportato nella Figura 2, in cui un CCVT viene utilizzato a fini di misurazione.
Test in pratica
La convalida dell'isolamento, del rapporto e del carico a tensione nominale richiede l'uso di apparecchiature di verifica grandi e pesanti, in combinazione con strumenti costosi. Per questo motivo, questi test vengono comunemente utilizzati durante la produzione di CCVT, ma sono poco pratici sul campo. Tuttavia, è possibile effettuare misurazioni sul campo del carico del CCVT, per aiutare a garantire che il carico nominale del dispositivo non venga superato.
I test di isolamento di base, i test PF a 1 Hz e i test di incremento del fattore di potenza possono essere eseguiti con le apparecchiature di verifica Delta4000 di Megger; con l'aggiunta di un multimetro digitale, è possibile eseguire un test di rapporto di base. La convalida del rapporto con una precisione di ±0,1% può essere eseguita con l'apparecchiatura di verifica Delta4000 e un accessorio. Lo strumento MRCT di Megger può inoltre eseguire test dell'isolamento di base e convalida del rapporto con una precisione di ±0,1%, con il vantaggio aggiuntivo di poter misurare il carico complessivo del CCVT, garantendo in tal modo che il valore nominale di carico non sia stato superato.
La costruzione del CCVT varia a seconda dei produttori, dei modelli e dell'anno di fabbricazione. La conoscenza della struttura è fondamentale per decidere cosa e come testare. Come menzionato in precedenza, alcuni CCVT sono dotati di un interruttore di messa a terra del potenziale situato sotto C1, sul terminale di tensione intermedia (IVT) e di un interruttore di messa a terra del terminale portante sotto a C2 in corrispondenza del terminale a bassa tensione (LVT), come mostrato nella Figura 3. Tuttavia in alcuni CCVT, principalmente quelli moderni, il terminale a bassa tensione potrebbe non essere accessibile. La comprensione delle caratteristiche di costruzione e della posizione di IVT e LVT è quindi importante per determinare i collegamenti appropriati per i test e per decidere se gli interruttori di messa a terra devono essere aperti o chiusi per eseguire le misurazioni necessarie.
Conclusioni
Praticamente tutte le moderne reti di alimentazione incorporano i CCVT e, per il continuo funzionamento sicuro e affidabile di queste reti, è essenziale che i CCVT operino in modo affidabile, garantendo risultati sempre accurati. L'esecuzione regolare dei test è la chiave per garantire che ciò sia possibile. Come mostrato in questo articolo, la maggior parte dei tipi di test può essere eseguita facilmente sui CCVT sul campo, a condizione che la struttura e la configurazione del CCVT siano correttamente comprese e che venga utilizzata un'apparecchiatura di verifica appropriata. Speriamo che questo breve articolo abbia fornito informazioni su entrambi gli ambiti ma, se fosse necessario ulteriore supporto o consulenza, il team di assistenza tecnica Megger sarà lieto di essere d'aiuto. Per le informazioni di contatto, visitare il sito megger.com e scegliere il sito dedicato al proprio paese o sede.
