Transformer Testing

TRANSFORMER TESTING

VIVEK JHA

Transformers: 

core of electricity supply

Transformer: most vital equipment of the supply system

Types:

•

EHV Transformer

•

HT Transformer

•

LT Transformer

•

Instrument Transformers

•

To prove that the design meets the specified job requirements and to obtain transformer 

characteristics.

•

To check that the quality requirements have been met and that performance is within the 

tolerance guaranteed.

Tests performed for the former purpose are referred to as 

Type tests

and that for the later 

purpose are referred to as 

Routine tests

(carried out on every unit manufactured). 

In Addition to these two category of tests, 

special tests

May also be performed to obtain information useful to the

User during operation or maintenance of the transformer.

NECESSITY OF TESTS

Transformer Tests

EXAMPLE: 

ROUTINE TESTS

• Measurement of winding resistance • Measurement of voltage ratio, polarity and check of voltage vector relationship • Measurement of no‐load loss and excitation current • Measurement of short‐circuit impedance and load loss • Measurement of insulation resistance • Switching impulse voltage withstand test • Lightning impulse voltage withstand test • Magnetic circuit (isolation) test  EXAMPLE:

TYPE TESTS

• Meaurement of power taken by cooling circuits • Temp Rise Test

ADDITIONAL TESTS

• TEST WITH LIGHTNING IMPULSE CHOPPED ON THE TAIL • MAGNETIC CIRCUIT (ISOLATION) TEST  • MAGNETIC BALANCE TEST ON THREE‐PHASE TRANSFORMERS • DISSOLVED GAS ANALYSIS ( DGA ) OF OIL FILLED IN THE TRANSFORMER • DETERMINATION OF CAPACITANCES  AND TAN DELTA BETWEEN WINDING‐TO‐EARTH AND BETWEEN  WINDINGS

MECHANICAL TESTS

• MEASUREMENT OF VIBRATION ON TRANSFORMER TANK • VACUUM TEST ON TRANSFORMER TANK • OIL PRESSURE TEST ON COMPLETELY ASSEMBLED TRANSFORMER • JACKING TEST AND DYE‐PENETRATION TEST • PRESSURE RELIEF DEVICE TEST

Tests on Transformers

•

Erection tests (installation Tests)

•

Pre‐commissioning tests

•

Commissioning Tests

Erection tests:

•

Thorough checking for any damage

• Verification of technical specifications

• Foundation etc

ERECTION AT SITE : INSPECTION

y

Make visual inspection for any transit damage

y

Check nitrogen pressure.

y

Check various accessories for any type of transit damage.

y

Make internal inspection of the transformer to the extent 

possible for any visible discrepancy.

OIL FILLING

y

Before filling the oil into transformer check the oil carefully for

y

Break down voltage

y

Moisture content

y

Tan delta and capacitance

y

If the oil is not having the properties as recommended by the 

standards,it must be filtered with filters with built in heaters and 

vacuum pumps for improving the quality of oil.

y

For transformers dispatched gas filled ,oil filling must always be 

done under vacuum

.

GENERAL TESTS  AFTER TRAFO INSTALLATION

(Get Clearance for Testing & Commissioning activities)

•

Physical inspection

•

Fire protection system available

•

Oil level checking, no oil leakage

•

Power and control cabling  checking, 

•

Cooler fan and Pump control ckt checking

•

Buch. Relay correctly mounted, air released from Buch relay, 

•

Cooling system & radiators, OLTC

•

Breather installation Ok, silica gel colour blue

•

OTI & WTI Calibration

•

IR value of transformer and cables

•

Winding Resistance

•

Transformer Turns Ratio

•

Polarity Test

•

Magnetizing Current

•

Vector Group

•

Magnetic Balance

•

Bushing & Winding Tan Delta (HV )

•

Protective relay testing

•

Transformer oil testing

•

Hi‐pot test 

Pre commissioning Tests

Commissioning Tests:

•

Remote Annunciation and control schemes

•

Power cable Identification & Tests

•

Charging the transformer : no load and full load operation 

and Observation for any abnormality

•

Confirming the operation of all protection, interlocks and 

metering schemes

1. Check the operation of the Buchholtz alarm and trip by injecting air through the test pet 

cock.

2. Test the OTI for alarm and trip.

3. Test the WTI for alarm and trip.

4. Check the working of the WTI / RTD (Resistance Temperature Device) repeaters at the

control room.

5. Test the OLTC – Oil surge relay for trip.

6. Check alarm for low oil level .

7. Check various relays for current & time settings

8. Check the cooler unit for 

∙ over current setting of fans and oil pumps

∙ cooler supply failure alarm

∙ fan/pump trip alarm

. any mal‐ operation of the transformer Buchholtz relay when all the oil pumps are 

switched on simultaneously in forced oil cooled transformers

FIELD TESTS :

No Load

•

Winding resistance

•

Turns Ratio. 

•

Polarity, 

•

connection group and 

•

Excitation current.

On‐load

•

short circuit test, 

•

Impedance measurement

Insulation Resistance

y

_{This test has been the most usual} 

historically, being called to “

megger

” the transformer

(the term comes from the firm of 

the first IR systems).

Insulation Resistance and Polarization Index

Equivalent diagram of the dielectric circuit of a transformer.

Ri is the insulation resistance, Cg the geometric capacitance

Winding Resistance

y

This is nothing but the resistance measurement of the windings by applying a small 

d.c voltage to the winding and measuring the current through the same

y

The measured resistance should be corrected to a common temperature such as 

75°C or 85°C using the following formula:

where

y

RC is the corrected resistance, RM is the measured resistance

y

CF is the correction factor for copper (234.5) or aluminum (225) windings

y

CT is the corrected temperature (75°C or 85°C)

y

WT is the winding temperature (°C) at time of test

Winding Resistance.

y

With this test we determinate the pure 

ohmic resistance from each phase windings 

both in high and low voltage and each 

position of tap changer.

y

in a first approach seems easy to measure, 

its not so, because it is necessary to make 

flow relatively high currents to register the 

usual low resistance values µΩ/m Ω / Ω with 

the required precision. This currents must 

also flow through the equivalent inductance 

of the transformer.

Transformer Turns Ratio (TTR):

Transformer Turns Ratio (TTR): quotient between high voltage / low

voltage. Must match with protocol /nameplate values.

In the power transformer with tap changer, take readings for each

position (giving extra information on its status and that of the On Line Tap

Changer (OLTC)

Open circuit test & Excitation current

y

_{Excitation current is the current flowing into the high voltage winding} 

FIELD TESTS : Load test

y

short circuit test, 

Short Circuit test

y

“short circuit test” is based in the application of a voltage in one winding 

(high voltage one) with the other winding short‐circuited. It is usual to 

register nominal and extreme positions if the transformer had an OLTC.

Impedance measurement

y

Short circuit voltage: voltage required to circulate full load current.

y

should be near the protocol /nameplate value from the transformer. 

y

It’s change will indicate irregularities in the magnetic core, winding, 

displacement, short‐circuits, mechanical deformations…

Frequency Response Analysis

y

_{The main purpose of this test is to determinate the frequency response} 

graph of the equivalent electric / dielectric / magnetic / mechanic 

altogether evaluated.

DIELECTRIC SYSTEM TESTS

. 

Liquid dielectric (usually mineral oil) 

OR solid dielectric (usually paper)

Dielectric circuit tests.

y

Insulation Resistance and Polarization Index (IR, PI).

y

Capacitance, Dissipation (power) factor (tan δ) and insulation losses 

in dielectric bushing.

y

Partial Discharge (PD).

Oil sampling.

y

Dielectric Strength.

y

Moisture content.

y

Dissolved Gases.

y

Furan Analysis.

Oil testing and maintenance

There are three important purposes of the oil in a 

transformer:

1. Good dielectric strength

2. Efficient heat transfer and cooling

3. To preserve the core and assembly

y

By filling voids (to eliminate partial discharge)

y

By preventing chemical attack of core, copper and insulation by 

having

y

low gas content and natural resistance to ageing.

Oil Testing

y

Visual checks

y

Oil BDV test

y

Power factor ( tan delta ) test

y

_{Acidity test}

y

Moisture ( ppm )

y

D G A

Breakdown voltage.

y

Oil degradation can be easily appreciated with this parameter 

tested. The test is based in the insertion of electrodes immersed in 

oil and increasing voltage up to breakdown. 

y

Test is repeated six times to get a repeatable measurement. 

y

The only disadvantage is that it is necessary to extract from the 

transformer a significant sample (test cell will have 350...600ml).

Transformer Oil Specifications

Transformer Oil Specifications

Characteristics

Requirement as per  

IS:1866‐1983

Breakdown voltage

50KV(min) for >145KV 

40KV(min) for 72.5KV to 145KV

30KV(min) for < 72.5KV

Water content

25ppm(max) for >145KV

35ppm (max)for < 145KV

Tan delta at 50 deg.C

0.2(max) for >145KV 

1.0(max) for < 145KV

Specific resistance at 90 deg.C ohm‐cm

>0.1 X 10E12

Neutralization value mgKOH/gm

<0.5

Flash point (degree C)

>140

Capacitance / Tan delta

(Dissipation Factor)

Capacitance / Tan delta 

(Dissipation Factor)

y

_{Another usual approach when performing dielectric evaluation is tan} 

delta. This test uses AC and pursues to know loss angle of the tested 

element.

y

This measurement includes information of the moisture and 

contamination degree and emulates the behaviour and voltage 

aggressions similar to service ones. 

y

_{It is important to take note of transformer temperature and} 

environmental moisture (surface leakage).

Vector Group Test : Dy11

Partial Discharge test.

y

Partial discharge are small discharges that appear inside of the dielectric as a sign of its 

degeneration. They appear as a result of the increase of the electric field in small 

gaseous voids inside the oil and also inside the paper, epoxy or as a result of the 

presence of metallic contamination, etc. This discharge accelerate the thermal 

degradation effects and lead sometimes exponentially to the power transformer 

destruction.

y

There are two usual detection systems, 

y

Acoustic 

system uses sound mechanic manifestation (in ultrasonic range 

y

Electric

systems determinates discharges and correlates them with Insulation 

healthiness.

Some other Tests, normally performed 

at Manufacturer’s works

‰

Temperature Rise Test

‰

Lightening Impulse  Test

‰

Vacuum And Pressure Test

‰

Lightning Impulse Withstand

‰

Switching Impulse Withstand

Conclusion

Testing is an art & science of managing Machine, Manpower, Material, 

Quality, Time

y

People responsible for upkeep of electrical apparatus need to 

cultivate a watchful attitude to

y

Look (eye)

Listen (ear)

y

Smell (nose)

Feel ( finger / skin) 

for  symptoms of impending trouble

y

Adapt new techniques.

y

Keep on learning from the experiences world‐wide, avoid 

obsolescence

Conclusion

y

Safety First 

y

Good Test equipment

y

people to have a deep knowledge

y

Take care of environmental conditions while comparing results

y

Work pressure and short downtime

y

Keep your mind cool

Some References

y NATIONAL STANDARDS IS 2026 (PART‐III)  y IEC 60076‐5:2000. Power transformers. Part 5: Ability to withstand short circuit. y IEC 60726:2003. Dry‐type power transformers. y IEC 60076‐3 Test levels & test method requirement for different tests y ANSI/IEEE Std 62‐1995. IEEE Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus‐ Part1:Oil Filled Power Transformers, Regulators, and Reactors. IEEE Power Engineering Society‐1995. y ANSI/IEEE Std C57.12.90‐1993. IEEE Standard Test Code for Liquid‐Immersed Distribution. Power  and Regulating Transformers and IEEE Guide for Short‐Circuit Testing of Distribution and Power  Transformers. y ANSI/IEEE Std. C57.12.00‐1993. IEEE Standard General Requirements for Liquid‐Immersed  Distribution, Power and Regulating Transformers. y EN 60156‐1995. “Insulating liquids. Determination of the breakdown voltage at power frequency.  Test method.”. y EN 60814‐1997. “Insulating liquids. Oil‐impregnated paper and pressboard. Determination of water  by automatic coulometric Karl Fischer Titration”. y EN 60567‐1992. “Guide for the sampling of gases and of oil from oil‐filled electrical equipment and  for the analysis of free and dissolved gases” . y EN 60599:1999. “Mineral oil‐impregnated electrical equipment in service – Guide to the  interpretation of dissolved and free gases analysis.”. y EN 61620:1999. “Insulating liquids. Determination of the dielectric dissipation factor by  measurement of the conductance and capacitance. Test method. y

y

LIGHTNING IMPULSE TEST

TESTING OF TRANSFORMERS

‰ To simulate the system disturbances due to Lightning stroke  ‰ Can be represented by three basic wave shapes  ¾ Full wave LI ¾ Chopped wave (Chopped on tail) ¾ Chopped wave (Chopped on front) ‰

Lightning disturbances do not always have these basic wave shapes. However, by 

defining the amplitude and shape of these waves, it is possible to establish a minimum 

impulse dielectric strength that a transformer should meet.

y If a lightning disturbance travels some distance along the line before it reaches a transformer, its  wave shape approaches that of the full wave. It is generally referred to as 1.2/50 wave. A wave  traveling along the line might cause flashover across an insulator after the peak of the wave has  been reached. This wave is simulated by a chopped wave which is of the same magnitude as the full  wave. If a lightning stroke hits directly at or very near to a transformer terminal, the impulse  voltage may rise steeply until it is relieved by a flashover, causing sudden, very steep collapse in  voltage. This condition is represented by the front of wave 

TESTS ON TRANSFORMERS

y LIGHTNING IMPULSE TEST

TESTS ON TRANSFORMERS

y LIGHTNING IMPULSE TEST

SWITCHING IMPULSE TEST

y Switching impulse level is conducted to verify the integrity of transformer under various  switching surges on AC/DC line. y The typical wave shape of Switching impulse is 250/2500 µS as per IEC 60060 & its magnitude is  lower than the corresponding LI wave but for longer duration. y In view of the difficulties in generating these wave‐shapes in laboratories and more to minimize  the core saturation during testing of transformers, IEC‐60076 Part 3 has specified a switching  impulse wave having a virtual front time of at least 100 µs, duration above 90% of the specified  amplitude of at least 200 µs and a total duration to the first zero passage of at least 1000 µs.  y Unlike in the case of ac winding, both the terminals of valve winding experience full dc voltage  of the bridge to which they are connected. Therefore valve winding is tested to prove the  insulation of the winding with the respect to ground. Switching impulses are applied to the  valve winding terminals connected together. The other winding terminals not under test are  short‐circuited and grounded.

SWITCHING IMPULSE TEST

y

WAVE SHAPE OF SWITCHING IMPULSE AS PER IEC 60060

STANDARD 250/2500 µS SWITCHING 

IMPULSE  WAVE 

TYPICAL SWITCHING IMPULSE LEVELS :

H1 : 1080 kVp,

SWITCHING IMPULSE TEST

y Switching impulse level is conducted to verify the integrity of transformer under various  switching surges on AC/DC line. y The typical wave shape of Switching impulse is 250/2500 µS as per IEC 60060 & its magnitude is  lower than the corresponding LI wave but for longer duration. y In view of the difficulties in generating these wave‐shapes in laboratories and more to minimize  the core saturation during testing of transformers, IEC‐60076 Part 3 has specified a switching  impulse wave having a virtual front time of at least 100 µs, duration above 90% of the specified  amplitude of at least 200 µs and a total duration to the first zero passage of at least 1000 µs.  y Unlike in the case of ac winding, both the terminals of valve winding experience full dc voltage  of the bridge to which they are connected. Therefore valve winding is tested to prove the  insulation of the winding with the respect to ground. Switching impulses are applied to the  valve winding terminals connected together. The other winding terminals not under test are  short‐circuited and grounded.

SWITCHING IMPULSE TEST

y

WAVE SHAPE OF SWITCHING IMPULSE AS PER IEC 60060

STANDARD 250/2500 µS SWITCHING 

IMPULSE  WAVE 

TYPICAL SWITCHING IMPULSE LEVELS :

H1 : 1080 kVp,

Magnetic balance test

• Done on TRANSFORMER to see whether the transformer core is magnetically balanced or not...AND ALSO WINDING CONDITION....

• for example we r having delta HV and star winding LV side ... HV SIDE WE WIL BE HAVING THREE BUSHINGS....THOSE R 1U,1V,1W.. HV SIDE WE WIL BE HAVING FOUR

BUSHINGS...2U,2V,2W,2N... WE CAN DO THIS MBT (MAGNETIC BALANCE TEST)WITH 1PHASE SUPPLY(1PHASE AND NEUTRAL(230V)) OR WITH 2-PHASE

SUPPLY(2-PHASES(440V)) 1ST STEP OF MBT: GIVE POWER SUPPLY 1-PHASE OR 2 PHASE BETWEEN 1U AND 1V ,MEASURE THE VOLTAGES BETWEEN 1V-1W AND 1U-1W AND ALSO 2U-2N,2V-2N,2W-2N.. SO HERE IF THE CORE IS CORRECTLY BALANCED THEN WE WILL GET RESULTS AS FOLLOWS 1U-1V 1V-1W 1U-1W 2U-2N 2V-2N 2W-2N 440 300 140 90 50 40 THAT MEANS HV SIDE : 1U-1V = 1V-1W + 1U-1W I.E 440V = 300 + 140 AND ALSO LV SIDE : 2U-2N = 2V-2N + 2W-2N 90 = 50 + 40 STEP 2: AFTER DOING THIS ..INTERCHANGE THE CONNECTIONS BETWEEN 1V-1W AND MEASURE THE VALUES AS ABOVE... STEP 3: AFTER DOING THIS ..INTER CHANGE THE CONNECTIONS BETWEEN 1U-1W AND

MEASURE THE VALUES AS ABOVE... IF ANY FAULT IS THERE IN TRANSFORMER WE CAN NOT FIND GOOD RESULTS.... IF THE WINDING IS DAMAGED .... WE WILL GET ZERO

VALUES .... ex: HV SIDE 1U-1V = 1V-1W + 1U-1W 440V = 440 + 0 AND ALSO LV SIDE : 2U-2N = 2V-2N + 2W-2N 90 = 90 + 0 THIS IS THE ACTUAL APPLICATION OF MANGNETICA