Analyse zweier AC-Serienresonanz-Spannungsfestigkeitstechnologien: Anwendungen von ACRL und ACRF bei Hochspannungskabelprüfungen

Zusammenfassung: Im Bereich der Wechselspannungsprüfung kapazitiver Hochspannungsanlagen wie XLPE-Hochspannungskabel und GIS sind das induktiv modulierte Netzfrequenz-Resonanzsystem ACRL und das frequenzmodulierte Wechselrichter-Resonanzsystem ACRF die beiden gängigsten Serienresonanzprüfverfahren. Beide basieren auf dem LC-Serienresonanzprinzip, um mit geringer Leistungsaufnahme eine hohe Prüfspannung zu erzielen. Ihre Abstimmmechanismen, Ausgangsfrequenzen und Anwendungsbereiche unterscheiden sich jedoch deutlich. Sie spielen eine unverzichtbare Rolle bei Typprüfungen im Labor, Werksprüfungen und Inbetriebnahmeprüfungen vor Ort. Dieser Artikel bietet eine umfassende Erläuterung der Prinzipien, technischen Merkmale, Hauptanwendungen und Auswahlkriterien dieser beiden Systeme auf Grundlage nationaler und internationaler Normen und Verfahren der Energiewirtschaft.

Mit der großflächigen Inbetriebnahme von Hochspannungskabeln zur Versorgung städtischer Stromnetze und neuer Energiequellen in China ist die Prüfung der Isolationsspannungsfestigkeit von vernetzten Polyethylenkabeln (XLPE) zu einem entscheidenden Faktor für die Sicherheit des Stromnetzes geworden. Da Hochspannungskabel typischerweise kapazitive Prüfobjekte mit hoher Kapazität darstellen, stoßen herkömmliche Aufwärtstransformatoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und ihres Gewichts an ihre Grenzen, wodurch die Anforderungen an die Spannungsfestigkeitsprüfung von Langstreckenkabeln nur schwer erfüllt werden können . Die Wechselstrom-Spannungsfestigkeitsprüfung mittels Reihenresonanz hat sich daher als Standardlösung in der Branche etabliert.

In den europäischen und amerikanischen Normen für Hochspannungsprüfungen werden Reihenresonanz-Stehspannungsprüfsysteme in zwei Kategorien unterteilt: ACRL (AC Resonant-L, induktiv moduliertes Reihenresonanzsystem mit Netzfrequenz) und ACRF (AC Resonant-F, frequenzmoduliertes Reihenresonanzsystem mit variabler Frequenz) . In der heimischen Energiewirtschaft werden hauptsächlich ACRF-Resonanzgeräte mit variabler Frequenz eingesetzt, während ACRL-Resonanzsysteme mit induktiver Modulation und 50 Hz Frequenz häufiger in den Laboren von Kabelherstellern und bei unabhängigen Prüfinstituten verwendet werden. Es gibt keine absolute Überlegenheit oder Unterlegenheit zwischen den beiden Gerätetypen; die Auswahl richtet sich vielmehr nach dem Prüfziel, dem Prüfort und der Frage, ob gleichzeitig Teilentladungen gemessen werden sollen.

I. Grundlegendes Funktionsprinzip

ACRL-Induktor-moduliertes Resonanzsystem (feste Netzfrequenz 50 Hz)

Die Ausgangsleistung des ACRL-Systems ist auf eine Netzfrequenz von 50 Hz festgelegt . Durch Anpassen des Induktivitätswerts L der Drosselspule (einstellbare Luftspalt-/Mehrfachabgriff-Drosselspule) wird die induktive Reaktanz des Stromkreises an die kapazitive Reaktanz des Prüfkabels angepasst, wodurch die Resonanzbedingung erfüllt wird. Eine Serienresonanz-Spannungserhöhung wurde bei einer Frequenz von 50 Hz erzielt. Die Frequenz der Prüfspannung entsprach vollständig der tatsächlichen Betriebsfrequenz des Stromnetzes, und die elektrische Feldverteilung sowie die Polarisationscharakteristik im Isolationsmedium entsprachen vollständig den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Kabels.

ACRF-Frequenzmodulations- und Frequenzumwandlungs-Resonanzsystem (20-300 Hz einstellbar)

In einem ACRF-System bleiben die Induktivitätsparameter der Drossel konstant. Die Ausgangsfrequenz f wird dynamisch mittels eines Frequenzumrichters an die Kapazität C des Prüfkabels angepasst, um Resonanz zu erzielen. Die Resonanzfrequenz ändert sich automatisch in Abhängigkeit von der Kabellänge (Kapazität) mit einem zulässigen Standardbetriebsbereich von 20–300 Hz; je ​​länger das Kabel und je größer die Kapazität, desto niedriger die Resonanzfrequenz. Dieses Verfahren basiert auf der Frequenzanpassung zur Abstimmung, und die Drossel verwendet standardisierte Festinduktivitätsmodule, die flexibel in Reihe und parallel geschaltet werden können.

II. Kerntechnologiemerkmale und wichtigste Branchenanwendungen

ACRL (Einstellbares Induktivitäts-50Hz-Netzfrequenz-Resonanzsystem)

Wichtigste Vorteile: Echte 50-Hz-Netzfrequenz-Prüfspannung, geringes elektromagnetisches Rauschen, native Unterstützung für die hochpräzise synchrone Teilentladungserkennung (PD) und Prüfbedingungen, die vollständig den Netzfrequenzanforderungen von IEC und GB für Kabeltypprüfungen entsprechen.

Hauptanwendungen:

1. Typprüfung und Vorqualifizierungsprüfung für Kabelhersteller Typprüfung neuer XLPE-Hochspannungs-/Ultrahochspannungskabel während der Produktentwicklung und bei Prozessänderungen. Die Norm schreibt eine Wechselspannungsfestigkeit von 50 Hz vor. ACRL kann die elektrischen Belastungsbedingungen des Kabels im realen Betrieb simulieren und dient der Überprüfung der Langzeit-Isolationsleistung von Kabelkörper, Zwischenmuffen und Anschlüssen. Es ist das bevorzugte Gerät für die Kabeltypprüfung.
2. Laborprobenprüfungen und wissenschaftliche Forschungstests Unabhängige Hochspannungsprüflaboratorien und Hochspannungsprüfhallen von Kabelherstellern führen an fertigen Kabelproben Spannungsfestigkeits- und Teilentladungsprüfungen durch. Während der Spannungsfestigkeitsprüfung werden Teilentladungssignale erfasst, um kleinste Luftspalte und Verunreinigungen in der Isolierung zu identifizieren.
3. Spannungsfestigkeitsprüfung bei Netzfrequenz für Statorwicklungen von Generatoren und Großmotoren Die Auslegungsnorm für die Isolation großer rotierender Motoren sieht eine Netzfrequenz von 50 Hz vor und erfordert die Verwendung der Wechselspannungsfestigkeit bei realer Netzfrequenz. ACRL kann die Isolationsbewertung solcher Geräte durchführen und auch Teilentladungsdiagnosen vornehmen.
4. Für Sonderprojekte mit zwingenden Anforderungen an die Netzfrequenz für die Prüfung Bei einigen Auslandsprojekten und anspruchsvollen Energietechnikverträgen wird ausdrücklich eine Prüfspannung mit einer Netzfrequenz von 45–55 Hz gefordert. In diesen Fällen sollte dem ACRL-System Vorrang eingeräumt werden.

Einschränkungen: Verstellbare Drosselspulen sind sperrig und schwer, was den Transport vor Ort erschwert; der Einstellbereich der Induktivität ist begrenzt, und ein einzelnes Gerät kann nur einen engen Bereich von Kabelkapazitäten abdecken. Bei sehr langen Kabelstrecken muss das Drosselspulenmodul ausgetauscht werden; für großflächige Übergabetests auf Baustellen ist es nicht geeignet.

ACRF (Adjustable Frequency Resonant System, 20-300Hz )

Hauptvorteile: Modulares Design, kontrollierbares Gerätegewicht, ein einzelnes Gerät deckt einen sehr breiten Bereich an Kabelkapazitäten ab und ist an Kabelstrecken unterschiedlicher Längen anpassbar; geringe Anforderungen an die Stromversorgung vor Ort, es muss lediglich die Wirkleistungsverluste des Stromkreises gedeckt werden; einfache Installation vor Ort, wodurch es sich als Standardgerät in inländischen Stromnetzen etabliert hat. Basierend auf den Normen GB 50150:2016, DL/T 474.4:2018 und IEC 60840 kann die Wechselspannungsprüfung im Frequenzbereich von 20–300 Hz für die Abnahmeprüfung von XLPE-Kabeln vor Ort verwendet werden und weist eine hohe Prüfäquivalenz auf.

Hauptanwendungen:

1. Spannungsfestigkeitsprüfung vor Ort bei der Übergabe neu verlegter Hochspannungsleitungen Die abschließende Übergabeprüfung nach Fertigstellung der Verlegung von 10-kV- und 220-kV-Stadtverteilungsnetzkabeln sowie von Kabeln für die Übertragung neuer Energien dient der Erkennung von Beschädigungen am Kabelkörper und Mängeln bei der Kabelverbindung. Es handelt sich um das am weitesten verbreitete Prüfverfahren auf chinesischen Baustellen für den Energiesektor.
2. Spannungsfestigkeitsprüfung vor Ort für kapazitive Hochspannungsgeräte wie GIS und Schaltanlagen : Vor-Ort-Wechselspannungsprüfung von GIS-Systemen, Messwandlern und Hochspannungsschaltanlageunter Ausnutzung der hervorragenden Filtereigenschaften von Resonanzkreisen zur Ausgabe einer sinusförmigen Testspannung.
3. Vorbeugende Spannungsfestigkeitsprüfung während des Betriebs und der Wartung : Isolationsprüfung nach Überholung und Sanierung von Kabelleitungen; anwendbar auf Langstreckenkabel und kurze Abschnitte von See- und Landkabeln bei der Spannungsfestigkeitsprüfung vor Ort.
4. In Szenarien, in denen die Stromversorgung vor Ort oder auf Baustellen eingeschränkt ist Baustellen verfügen oft nur über herkömmliche Werksstromversorgungen. ACRF-Systeme haben einen geringen Leistungsbedarf, benötigen keine Hochleistungs-Testtransformatoren und ermöglichen den schnellen Aufbau von Testschaltungen.

Einschränkungen: Die Betriebsfrequenz weicht von 50 Hz ab; der Frequenzumrichter weist ein eingebautes Schaltrauschen auf, was hochpräzise Teilentladungsmessungen unter realen Bedingungen erschwert. Ist eine Teilentladungserkennung erforderlich, muss eine zusätzliche, komplexe Filter- und Rauschunterdrückungseinheit eingesetzt werden; bei langen Kabeln kann die Resonanzfrequenz auf 20–30 Hz absinken.

III. Überblick über ACRL und seine wichtigsten Anwendungen

IV. Empfehlungen zur Branchenauswahl und aktueller Entwicklungsstand

Aus der Perspektive der tatsächlichen Anwendung in der heimischen Energiewirtschaft: ACRF-Resonanzsysteme mit variabler Frequenz nehmen eine absolute Mainstream-Position bei der Abnahmeprüfung vor Ort ein und erfüllen nach Fertigstellung die Spannungsfestigkeitsanforderungen der meisten neu verlegten Kabel; ACRL-Resonanzsysteme mit einstellbarer Induktivität und 50 Hz werden hingegen hauptsächlich in Laborumgebungen eingesetzt, mit wenigen Anwendungsfällen vor Ort.

1. Für Typprüfung, kombinierte Prüfung der werkseitigen Teilentladungs-Spannungsfestigkeit und obligatorische Netzfrequenzanforderungen in Bei der Umsetzung der Verträge sollte dem ACRL-System Priorität eingeräumt werden, um sicherzustellen, dass die Teststressbelastung vollständig mit dem tatsächlichen Betrieb übereinstimmt.
2. Für Baustellen, Kabelübergabe nach Fertigstellung, GIS-Spannungsfestigkeitsprüfungen und Standorte mit unzureichender Stromversorgung ACRF-Frequenzumwandlungsresonanzsysteme sollten bevorzugt werden. Diese Systeme erfüllen die Anforderungen der nationalen Norm für Prüfungen im Frequenzbereich von 20–300 Hz und bieten gleichzeitig ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Effizienz und Geräteportabilität.
3. Wenn an einem Projektstandort sowohl Spannungsfestigkeitsprüfungen als auch gleichzeitige Teilentladungsdiagnosen erforderlich sind und ACRF-Geräte ausgewählt werden, muss eine separate Filterkomponente konfiguriert werden, um elektromagnetische Störungen des Frequenzumrichters zu unterdrücken. Sofern die Bedingungen es zulassen, sollten Proben zur Teilentladungsprüfung mit ACRL an das Labor gesendet werden.

V. Branchenübersicht

Die Resonanzprüfverfahren der Serien ACRL und ACRF sind nicht austauschbar, sondern ergänzen sich in Labor- und Feldszenarien . ACRL ist auf reale Netzfrequenzbedingungen von 50 Hz ausgelegt, die dem Betrieb des Stromnetzes entsprechen, und eignet sich besonders für Forschung und Entwicklung, Typgenehmigungen und Diagnoseprüfungen. ACRF hingegen priorisiert die Anpassungsfähigkeit an den Feldeinsatz und einen breiten Messbereich und deckt zahlreiche Abnahme- und Übergabetests ab. Um die Genauigkeit und Validität der Ergebnisse von Hochspannungskabelisolationsprüfungen zu gewährleisten und damit eine zuverlässige Grundlage für den sicheren Betrieb des Stromnetzes zu schaffen, muss das Prüfpersonal das geeignete Prüfsystem anhand der Prüfziele, Normen und Projektvertragsanforderungen auswählen.