Análisis de dos tecnologías de tensión de resistencia resonante en serie de CA: Aplicaciones de ACRL y ACRF en pruebas de cables de alta tensión.

Resumen: En el campo de las pruebas de tensión de resistencia en CA para equipos capacitivos de alta tensión, como cables de alimentación de alta tensión XLPE y GIS, el sistema resonante de frecuencia de potencia modulado por inductancia ACRL y el sistema resonante de inversor modulado en frecuencia ACRF son las dos tecnologías de prueba de resonancia en serie más utilizadas. Ambos se basan en el principio de resonancia en serie LC para lograr una alta tensión de prueba con una pequeña capacidad de alimentación, pero sus mecanismos de ajuste, frecuencias de salida y condiciones de funcionamiento aplicables difieren significativamente. Desempeñan funciones insustituibles en las pruebas de laboratorio, las pruebas en fábrica y las pruebas de puesta en servicio in situ, respectivamente. Este artículo ofrece una interpretación completa de los principios, las características técnicas, las principales aplicaciones y los criterios de selección de estos dos sistemas, basándose en las normas y prácticas de ingeniería de la industria eléctrica, tanto nacionales como internacionales.

Con la puesta en marcha a gran escala de líneas de cable de alta tensión que alimentan las redes eléctricas urbanas y las nuevas fuentes de energía en China, las pruebas de resistencia a la tensión de aislamiento de los cables de polietileno reticulado (XLPE) se han convertido en un elemento crucial para garantizar la seguridad de la red eléctrica. Dado que los cables de alta tensión suelen ser objetos de prueba capacitivos de gran capacidad, los transformadores de prueba de frecuencia industrial elevadores directos tradicionales tienen limitaciones de potencia y peso, lo que dificulta el cumplimiento de los requisitos de las pruebas de resistencia a la tensión de los cables de larga distancia . Las pruebas de resistencia a la tensión de CA resonantes en serie se han convertido en la solución predominante en la industria.

En el sistema de estándares de la industria de pruebas de alta tensión europea y estadounidense, los sistemas de tensión de resistencia resonante en serie se dividen en dos categorías: ACRL (AC Resonant-L, sistema resonante en serie de frecuencia de potencia modulado por inductancia) y ACRF (AC Resonant-F, sistema resonante en serie de frecuencia variable modulado por frecuencia) . En las aplicaciones de campo de potencia nacionales, se utiliza principalmente el equipo resonante de frecuencia variable ACRF, mientras que los sistemas resonantes ACRL de 50 Hz modulados por inductancia se utilizan con mayor frecuencia en los laboratorios de las empresas fabricantes de cables y en las instituciones de pruebas de terceros autorizadas. No existe una superioridad o inferioridad absoluta entre ambos tipos de equipos; más bien, la selección se diferencia en función del objetivo de la prueba, la ubicación de la prueba y si se realiza simultáneamente la detección de descargas parciales .

I. Principio básico de funcionamiento

Sistema resonante modulado por inductor ACRL (frecuencia de alimentación fija de 50 Hz)

La potencia de salida del sistema ACRL está fijada a una tensión de red de 50 Hz. Al ajustar el valor de inductancia L del reactor (reactor variable con entrehierro ajustable/multitoma), la reactancia inductiva del circuito se modifica para que coincida con la reactancia capacitiva del cable bajo prueba, satisfaciendo así la condición de resonancia. Se logró un aumento de tensión resonante en serie a una frecuencia de 50 Hz. La frecuencia de la tensión de prueba coincidió completamente con la frecuencia de operación real de la red eléctrica, y la distribución del campo eléctrico y las características de polarización dentro del medio aislante fueron totalmente equivalentes a las condiciones de operación reales del cable.

Sistema resonante de modulación y conversión de frecuencia ACRF (ajustable de 20 a 300 Hz)

En un sistema ACRF, los parámetros de inductancia del reactor permanecen constantes. La frecuencia de salida f se ajusta dinámicamente mediante un convertidor de frecuencia para que coincida con la capacitancia C del cable bajo prueba, logrando así la resonancia del circuito. La frecuencia de resonancia cambia automáticamente según la longitud del cable (capacitancia), con un rango de operación estándar permitido de 20 a 300 Hz; cuanto más largo sea el cable y mayor la capacitancia, menor será la frecuencia de operación de resonancia. Este esquema se basa en el ajuste de frecuencia para la sintonización, y el reactor utiliza módulos de inductancia fija estandarizados que pueden combinarse de forma flexible en serie y en paralelo.

II. Características tecnológicas principales y aplicaciones industriales principales

ACRL (Sistema resonante de frecuencia de potencia de 50 Hz con inductancia ajustable)

Ventajas clave: Tensión de prueba con frecuencia de red eléctrica real de 50 Hz, bajo ruido electromagnético, compatibilidad nativa con la detección síncrona de descargas parciales (DP) de alta precisión y condiciones de prueba que se ajustan completamente a los requisitos de frecuencia de red eléctrica de IEC y GB para pruebas de tipos de cables.

Usos principales:

1. Pruebas de tipo y pruebas de precalificación para fabricantes de cables Pruebas de tipo para nuevos cables XLPE de alta/ultra alta tensión durante el desarrollo del producto y los cambios de proceso. La norma exige el uso de una tensión de resistencia de CA de 50 Hz. El ACRL puede reproducir las condiciones de tensión eléctrica del cable en funcionamiento real y se utiliza para verificar el rendimiento del aislamiento a largo plazo del cuerpo del cable, las uniones intermedias y los terminales. Es el equipo preferido para las pruebas de tipo de cables.
2. Pruebas de muestreo de laboratorio y pruebas de investigación científica Los laboratorios de ensayo de alta tensión de terceros y las salas de ensayo de alta tensión de las fábricas de cables realizan pruebas de tensión de resistencia a la frecuencia industrial y de descargas parciales en muestras de cables terminados. Durante las pruebas de tensión de resistencia, se registran las señales de descarga parcial para identificar pequeñas burbujas de aire e impurezas en el aislamiento.
3. Prueba de tensión de resistencia a la frecuencia industrial para los devanados del estator de generadores y motores grandes. El estándar de diseño de aislamiento para grandes motores rotativos es de 50 Hz de frecuencia industrial, lo que requiere el uso de una tensión de resistencia de CA de frecuencia industrial real. ACRL puede realizar la evaluación de aislamiento de dichos equipos y también llevar a cabo el diagnóstico de descargas parciales.
4. Para proyectos especiales con requisitos obligatorios de frecuencia de potencia para pruebas Algunos proyectos en el extranjero y contratos de ingeniería eléctrica de alta gama requieren explícitamente que la tensión de prueba sea de 45-55 Hz (frecuencia eléctrica). En estos casos, se debe dar prioridad al sistema ACRL.

Limitaciones: Los reactores ajustables son voluminosos y pesados, lo que dificulta su transporte en obra; el rango de ajuste de inductancia es limitado y un solo equipo solo puede adaptarse a un rango estrecho de capacitancias de cable. Al trabajar con cables de tramos muy largos, es necesario reemplazar el módulo del reactor; no es adecuado para pruebas de transferencia a gran escala en obras de construcción.

ACRF (Sistema Resonante de Frecuencia Ajustable, 20-300 Hz)

Ventajas principales: Diseño modular, peso controlable del equipo, una sola unidad puede cubrir un rango muy amplio de capacitancia de cable, adaptable a líneas de cable de diferentes longitudes; bajos requisitos de capacidad de suministro de energía en el sitio, solo necesita proporcionar la pérdida de potencia activa del circuito, fácil de implementar en el sitio, lo que lo convierte en el equipo principal en las redes eléctricas domésticas. Basado en las normas GB 50150 2016, DL/T 474.4 2018 e IEC 60840, la prueba de tensión de resistencia de CA en el rango de frecuencia de 20-300 Hz se puede utilizar para pruebas de aceptación en sitio de cables XLPE, que poseen una buena equivalencia de prueba.

Usos principales:

1. Prueba de resistencia a la tensión en obra para líneas de cable de alta tensión recién construidas. La prueba final de entrega, tras la finalización del tendido de cables de la red de distribución urbana de 10 kV y 220 kV y de los nuevos cables de transmisión de energía, se lleva a cabo para detectar daños en el cuerpo del cable y defectos en el proceso de instalación. Es el equipo de prueba más utilizado en las obras de construcción de redes eléctricas nacionales.
2. Prueba de tensión de resistencia in situ para equipos capacitivos de alta tensión, como subestaciones encapsuladas en gas (GIS) y aparamenta eléctrica. : Prueba de tensión de resistencia de CA in situ de GIS de subestación, transformadores de instrumentos y aparamenta de alta tensión, aprovechando las excelentes características de filtrado de los circuitos resonantes para generar una tensión de prueba sinusoidal.
3. Prueba preventiva de tensión de resistencia durante el funcionamiento y el mantenimiento. : prueba de verificación de aislamiento después de la revisión y renovación de la línea de cable; aplicable a cables de larga distancia y secciones cortas de cables submarinos y terrestres en la prueba de resistencia a la tensión en campo.
4. En situaciones donde el suministro eléctrico es limitado en el terreno o en obras de construcción. En las obras de construcción, a menudo solo disponen de fuentes de alimentación industriales convencionales. Los sistemas ACRF tienen bajos requisitos de potencia, no necesitan transformadores de prueba de alta potencia y permiten configurar circuitos de prueba rápidamente.

Limitaciones: La frecuencia de operación se desvía de 50 Hz; el convertidor de frecuencia presenta ruido electromagnético de conmutación incorporado, lo que dificulta la medición de descargas parciales de alta precisión en condiciones normales. Si se requiere la detección de descargas parciales, es necesario añadir una unidad adicional de filtrado y reducción de ruido; en condiciones de cable largo, la frecuencia de resonancia puede descender al rango de 20-30 Hz.

III. Descripción general de ACRL y sus principales aplicaciones

IV. Recomendaciones para la selección de la industria y estado actual de desarrollo

Desde la perspectiva de la aplicación práctica en la industria eléctrica nacional: los sistemas resonantes de frecuencia variable ACRF ocupan una posición dominante en las pruebas de aceptación in situ , cumpliendo con los requisitos de resistencia a la tensión de la mayoría de los cables de nueva construcción una vez finalizada su instalación; mientras que los sistemas resonantes de inductancia ajustable de 50 Hz ACRL se utilizan principalmente en entornos de laboratorio, con pocos casos de aplicación in situ.

1. Para pruebas de tipo, pruebas combinadas de tensión de resistencia a descargas parciales en fábrica y requisitos obligatorios de frecuencia de potencia en En lo que respecta a los contratos, se debe dar prioridad al sistema ACRL para garantizar que la tensión de la prueba sea totalmente coherente con el funcionamiento real.
2. Para obras de construcción, entrega de cables al finalizar la obra, pruebas de resistencia a la tensión de los sistemas GIS y sitios con malas condiciones de suministro eléctrico. Se debe dar prioridad a los sistemas resonantes de conversión de frecuencia ACRF. Estos sistemas cumplen con el requisito de la norma nacional para pruebas de 20 a 300 Hz, a la vez que equilibran la eficiencia y la portabilidad del equipo.
3. Cuando un proyecto requiere tanto pruebas de tensión de resistencia como diagnóstico simultáneo de descargas parciales, si se selecciona un equipo ACRF, se debe configurar un componente de filtro específico para suprimir la interferencia electromagnética de la fuente de alimentación del convertidor de frecuencia. Cuando las condiciones lo permitan, se deben enviar muestras al laboratorio para realizar pruebas de descargas parciales con ACRF.

V. Resumen del sector

Las técnicas de ensayo resonante de las series ACRL y ACRF no son intercambiables, sino complementarias en entornos de laboratorio y de campo . ACRL busca condiciones de ensayo a frecuencia real de 50 Hz, consistentes con la red eléctrica, favoreciendo la I+D, la homologación y las pruebas de diagnóstico; ACRF prioriza la adaptabilidad en campo y un amplio rango de medición, siendo útil para numerosas pruebas de aceptación y traspaso de ingeniería. El personal de ensayo debe seleccionar racionalmente el sistema de ensayo en función de los objetivos de ensayo, las cláusulas estándar y los requisitos del contrato del proyecto para garantizar la precisión y validez de los resultados de las pruebas de aislamiento de cables de alta tensión, proporcionando una base fiable para el funcionamiento seguro de la red eléctrica.