Сухие трансформаторы занимают особое место в системах распределения электроэнергии. Хотя они редко привлекают к себе основное внимание на подстанции, именно они зачастую служат последним рубежом между энергосетью и зданием, где находятся люди, чувствительная электроника или производственная линия, критически зависимая от бесперебойного питания. В отличие от маслонаполненных аналогов, в них вместо привычного минерального масла (выполняющего функции охлаждающей и изолирующей среды) используются воздух и твердая изоляция — как правило, литая смола или бумага, пропитанная компаундом под вакуумом и давлением. Именно это различие определяет все последующие характеристики оборудования: пожаробезопасность, экологичность и, что особенно важно, порядок проведения испытаний на протяжении всего срока службы.

Испытания — это не разовое мероприятие, а многоэтапный процесс, который начинается еще до отгрузки оборудования с завода и продолжается на стадиях ввода в эксплуатацию и периодического технического обслуживания. Перечень необходимых испытаний зависит от конструкции, класса напряжения и применяемого стандарта (чаще всего это IEC 60076-11 или IEEE C57.12.01). Независимо от стандарта, все испытания делятся на три группы: приемо-сдаточные (обязательные для каждого изделия), типовые (подтверждающие соответствие конструкции установленным требованиям) и специальные (проводимые для проверки работы в особых условиях или решения специфических задач).

1. Приемо-сдаточные испытания — обязательный минимум

Приемо-сдаточные испытания проводятся для каждого трансформатора перед его отгрузкой. Они служат базовым подтверждением того, что оборудование изготовлено надлежащим образом и функционирует в соответствии с проектными характеристиками. Приведенный ниже перечень составлен на основе стандарта IEC 60076-11 и аналогичен требованиям стандартов IEEE.

Испытание	Что проверяет	Типовой критерий приёмки
Сопротивление обмоток постоянному току	Целостность проводников, качество соединений, правильность подключения ответвлений	Измеряется на каждом ответвлении; отклонение между фазами в пределах нескольких процентов
Коэффициент трансформации и угол сдвига фаз	Что агрегат выдаёт заказанное напряжение и что группа соединений (например, Dyn11) корректна для параллельной работы	Измеряется на каждом ответвлении; коэффициент в пределах допуска по IEC 60076-1 (обычно ±0,5 %)
Импеданс короткого замыкания и потери нагрузки	Ограничение тока КЗ, распределение нагрузки, потери I²R и добавочные потери	Импеданс в пределах ±10 % от гарантированного значения; потери нагрузки — в пределах гарантии
Потери холостого хода и ток холостого хода	Качество электротехнической стали, жёсткость прессовки магнитопровода, намагничивающий ток	В пределах гарантии; обычно допуск +15 % по потерям холостого хода
Испытание приложенным напряжением от внешнего источника (AV)	Целостность главной изоляции относительно земли и между обмотками	Одна минута на заданном уровне испытательного напряжения без пробоя
Испытание индуцированным напряжением (IV / ACSD)	Витковая и межслоевая изоляция, которую испытание от внешнего источника нагружает не полностью	Отсутствие пробоя на уровне индуцированного напряжения
Частичные разряды (ЧР)	Пустоты, расслоение или слабые места в литой эпоксидной изоляции	Как правило, ≤ 10 пКл для исполнения с литой изоляцией
Сопротивление изоляции и индекс поляризации	Влагосодержание и общее состояние системы изоляции	Отношение и абсолютные значения по IEEE 43 или по пределу изготовителя

Два из этих параметров заслуживают особого упоминания. Полное сопротивление и потери короткого замыкания определяются путем замыкания одной обмотки накоротко и подачи пониженного напряжения на другую; затем на основе значений напряжения, тока и мощности рассчитывается полное сопротивление. Полученный результат определяет поведение трансформатора в аварийных режимах и эффективность распределения нагрузки при параллельной работе с другими трансформаторами. Потери и ток холостого хода измеряются при подаче на одну из обмоток номинального напряжения и разомкнутой цепи другой обмотки; потребляемая при этом мощность представляет собой, по сути, потери в сердечнике и служит наиболее точным показателем качества электротехнической стали. Трансформатор с аномально высокими потерями холостого хода сильнее нагревается в процессе работы и влечет за собой повышенные эксплуатационные расходы.

Особого внимания в трансформаторах сухого типа заслуживает частичный разряд (ЧР). Частичные разряды представляют собой микроскопические разряды внутри пустот или на краях изоляции; они являются одновременно и признаком, и причиной деградации изоляции. Трансформатор может успешно пройти испытания на электрическую прочность, но при этом иметь скрытый дефект, связанный с частичными разрядами, который впоследствии приведет к выходу оборудования из строя. Для трансформаторов с литой изоляцией установлены жесткие ограничения (обычно не более 10 пКл), поэтому измерение уровня частичных разрядов стало обязательной, а не факультативной процедурой.

Завершающим этапом является измерение сопротивления изоляции (часто с расчетом коэффициента поляризации для выявления наличия влаги), а также проверка изоляции и функциональные испытания вспомогательного оборудования: датчиков температуры, вентиляторов и устройств регулирования напряжения (при их наличии).

2. Типовые испытания — подтверждение проектных решений

Типовые испытания не проводятся для каждого отдельного изделия. Они выполняются на репрезентативном образце для подтверждения того, что конструкция соответствует заданным техническим характеристикам; серийные изделия, изготовленные по утвержденной конструкции, как правило, повторным типовым испытаниям не подвергаются.

Самым требовательным является испытание на повышение температуры. Оно имеет большее значение для сухих трансформаторов, чем для любого другого типа, поскольку срок службы изоляции напрямую зависит от рабочей температуры. Устройство работает при номинальной нагрузке — иногда с указанной перегрузкой — до достижения теплового равновесия, что может занять много часов. Температура обмотки измеряется с помощью встроенных датчиков или методом сопротивления, при котором повышение сопротивления обмотки преобразуется в среднюю температуру обмотки. Повышение температуры должно оставаться в пределах, допустимых для класса изоляции — например, 100 К для класса F при номинальных условиях. Испытание проверяет как тепловое проектирование, так и систему охлаждения.

Испытание молниевым импульсом является вторым важным аспектом, хотя для критических применений его иногда применяют как рутинное испытание. Каждому высоковольтному выводу подается стандартная волна 1,2/50 мкс, и регистрируются полученные графики напряжения и тока. Любое отклонение от ожидаемой волны — например, внезапное падение напряжения — указывает на пробой в какой-либо части обмотки. Импульсное испытание более требовательно к сухим конструкциям, поскольку твердая изоляция ведет себя иначе, чем масло, но оно остается лучшим доказательством способности выдерживать перенапряжения.

Определение уровня звука приобрело большее значение по мере того, как сухие трансформаторы перемещаются ближе к жилым помещениям. Гудение устройства на уровне 65 дБ в специально оборудованном электрощитке — это одно дело; то же самое устройство рядом с больничной палатой или офисом открытой планировки — совсем другое. Звуковое давление измеряется в определенных точках вокруг трансформатора при номинальном напряжении, как для подтверждения гарантированного уровня, так и для выявления аномальных источников шума.

3. Специальные испытания — когда стандарта недостаточно

Специальные испытания не являются ни рутинными, ни повсеместно обязательными. Они проводятся по требованию заказчика, по требованию заказчика или когда рутинные и типовые испытания оставляют вопросы без ответа.

Испытание на устойчивость к короткому замыканию является наиболее жестким. Одна обмотка закорочена, в то время как к другой приложено номинальное напряжение; результирующие токи во много раз превышают номинальные, а электромагнитные силы внутри обмоток огромны. Испытание доказывает, что обмотки и их опорная конструкция выдерживают испытание без деформации или повреждения изоляции. Оно особенно актуально для устройств сухого типа, поскольку твердая изоляция не обладает самовосстанавливающимися свойствами масла. Обмотка, которая слегка смещается под действием сил короткого замыкания, может не выйти из строя сразу, но механическое напряжение, которое она создает в изоляции, приводит к преждевременному выходу из строя.

Анализ частотной характеристики (АЧХ) стал стандартным методом диагностики механической целостности. В одну обмотку подается диапазон частот, а отклик измеряется на другой, что позволяет получить характеристику, отражающую физическую геометрию обмоток и сердечника. При сравнении с заводскими или предыдущими базовыми показателями, эта характеристика выявляет деформацию обмотки, смещение сердечника или другие механические изменения, невидимые при обычных электрических испытаниях. Метод FRA особенно ценен после воздействия токов короткого замыкания (протекающих через оборудование) или после грубого обращения при транспортировке.

Если оборудование предназначено для эксплуатации в суровых или специфических условиях, могут быть предусмотрены испытания на стойкость к климатическим и внешним воздействиям, а также на пожаробезопасность. Стандарт IEC 60076-11 устанавливает приведенные ниже классификации.