Analyse de deux technologies de tension de tenue résonante en série AC : applications des technologies ACRL et ACRF dans les essais de câbles haute tension

Résumé : Dans le domaine des essais de tenue en tension alternative pour les équipements haute tension capacitifs, tels que les câbles d’alimentation haute tension XLPE et les GIS, les systèmes résonants à fréquence industrielle modulée par inductance ACRL et à fréquence modulée ACRF constituent les deux principales technologies d’essais résonants en série. Ces deux systèmes reposent sur le principe de résonance LC série pour obtenir une tension de test élevée à partir d’une faible puissance d’alimentation, mais leurs mécanismes d’accord, leurs fréquences de sortie et leurs conditions de fonctionnement diffèrent sensiblement. Ils sont respectivement indispensables pour les essais en laboratoire, en usine et lors de la mise en service sur site. Cet article présente une analyse complète des principes, des caractéristiques techniques, des principales applications et des critères de sélection de ces deux systèmes, en s’appuyant sur les normes et les pratiques d’ingénierie nationales et internationales du secteur de l’énergie.

Avec la mise en service à grande échelle des lignes de câbles à haute tension alimentant les réseaux électriques urbains et les nouvelles sources d'énergie en Chine, les essais de tenue diélectrique des câbles en polyéthylène réticulé (XLPE) sont devenus essentiels pour garantir la sécurité du réseau électrique. Les câbles à haute tension étant des objets d'essai capacitifs de grande capacité, les transformateurs d'essai à fréquence industrielle élévateurs de tension classiques sont limités par leur puissance et leur poids, ce qui rend difficile le respect des exigences d'essai de tenue diélectrique des câbles longue distance . L' essai de tenue diélectrique en courant alternatif par résonance série s'est imposé comme la solution de référence dans le secteur.

Dans les normes européennes et américaines relatives aux essais haute tension, les systèmes de tenue en tension par résonance série sont classés en deux catégories : ACRL (AC Resonant-L, système résonant série à fréquence industrielle modulé par inductance) et ACRF (AC Resonant-F, système résonant série à fréquence variable modulée en fréquence) . Sur le marché de l’énergie domestique, on utilise principalement les équipements résonants à fréquence variable ACRF, tandis que les systèmes résonants ACRL à 50 Hz modulés par inductance sont plus courants dans les laboratoires des fabricants de câbles et les organismes de contrôle tiers reconnus. Il n’existe pas de supériorité absolue entre les deux types d’équipements ; le choix dépend plutôt de l’objectif de l’essai, du lieu d’essai et de la réalisation ou non d’une détection simultanée des décharges partielles.

I. Principe de fonctionnement de base

Système résonant à modulation d'inductance ACRL (fréquence d'alimentation fixe de 50 Hz)

La puissance de sortie du système ACRL est strictement fixée à une tension de fréquence secteur de 50 Hz. En ajustant l'inductance L du réacteur (entrefer réglable/réacteur variable à prises multiples), la réactance inductive du circuit est modifiée pour correspondre à la réactance capacitive du câble testé, satisfaisant ainsi la condition de résonance. Une élévation de tension par résonance série a été obtenue à une fréquence de 50 Hz. La fréquence de la tension de test était parfaitement conforme à la fréquence de fonctionnement réelle du réseau électrique, et la distribution du champ électrique ainsi que les caractéristiques de polarisation au sein du milieu isolant étaient parfaitement équivalentes aux conditions de fonctionnement réelles du câble.

Système résonant de modulation et de conversion de fréquence ACRF (réglable de 20 à 300 Hz)

Dans un système ACRF, les paramètres d'inductance du réacteur restent constants. La fréquence de sortie f est ajustée dynamiquement par un convertisseur de fréquence pour correspondre à la capacité C du câble testé, assurant ainsi la résonance du circuit. La fréquence de résonance varie automatiquement en fonction de la longueur du câble (capacité), avec une plage de fonctionnement standard de 20 à 300 Hz ; plus le câble est long et plus la capacité est importante, plus la fréquence de résonance est basse. Ce système repose sur un réglage de fréquence, et le réacteur utilise des modules d'inductance fixe standardisés, combinables en série et en parallèle.

II. Caractéristiques technologiques fondamentales et principales applications industrielles

ACRL (Système résonant à inductance réglable de 50 Hz à fréquence industrielle)

Principaux avantages : tension d’essai à la fréquence du réseau électrique de 50 Hz, faible bruit électromagnétique, prise en charge native de la détection synchrone des décharges partielles de haute précision et conditions d’essai qui correspondent parfaitement aux exigences de fréquence du réseau électrique des normes CEI et GB pour les essais de câbles.

Principales utilisations:

1. Essais de type et essais de préqualification pour les fabricants de câbles Essais de type pour les nouveaux câbles haute/très haute tension XLPE lors du développement de produits et des modifications de procédés. La norme exige l'utilisation d'une tension de tenue de 50 Hz en courant alternatif. Le banc d'essai ACRL permet de reproduire les contraintes électriques du câble en conditions réelles d'utilisation et sert à vérifier la tenue à long terme de l'isolation du corps du câble, des jonctions intermédiaires et des bornes. Il s'agit de l'équipement de référence pour les essais de type de câbles.
2. tests d'échantillonnage en laboratoire et tests de recherche scientifique Des laboratoires d'essais haute tension tiers et des halls d'essais haute tension d'usines de câbles effectuent des tests de tenue en tension à fréquence industrielle et de décharge partielle sur des échantillons de câbles finis. Lors des essais de tenue en tension, les signaux de décharge partielle sont enregistrés afin de détecter les micro-espaces d'air et les impuretés présents dans l'isolant.
3. Essai de tenue en tension à fréquence industrielle des enroulements statoriques des générateurs et des gros moteurs La norme de conception d'isolation pour les grands moteurs rotatifs est de 50 Hz (fréquence du réseau), ce qui exige l'utilisation d'une tension de tenue en courant alternatif à fréquence réelle. ACRL peut assurer l'évaluation de l'isolation de ces équipements et effectuer un diagnostic des décharges partielles.
4. Pour les projets spéciaux avec des exigences obligatoires en matière de fréquence du réseau électrique pour les essais Certains projets à l'étranger et contrats d'ingénierie électrique de pointe exigent explicitement que la tension d'essai soit à la fréquence du réseau (45-55 Hz). Dans ces cas, le système ACRL est à privilégier.

Limitations : Les réacteurs réglables sont volumineux et lourds, ce qui complique leur transport sur site ; la plage de réglage de l’inductance est limitée et un seul équipement ne peut s’adapter qu’à une plage étroite de capacités de câble. Pour les câbles de très grande portée, il est nécessaire de remplacer le module de réacteur ; ce système n’est pas adapté aux essais de mise en service à grande échelle sur les chantiers.

ACRF (Système de résonance à fréquence réglable, 20-300 Hz)

Principaux avantages : Conception modulaire, poids de l’équipement contrôlable, une seule unité peut couvrir une très large gamme de capacités de câble et s’adapter à des lignes de câbles de différentes longueurs ; faibles exigences en matière d’alimentation électrique sur site (il suffit de fournir la dissipation de puissance active du circuit), déploiement facile sur site, ce qui en fait un équipement courant dans les réseaux électriques domestiques. Conformément aux normes GB 50150 2016, DL/T 474.4 2018 et IEC 60840, le test de tenue en tension alternative dans la gamme de fréquences 20-300 Hz peut être utilisé pour les essais de réception sur site des câbles XLPE, offrant une bonne équivalence de test.

Principales utilisations:

1. Test de tenue diélectrique sur site pour les lignes de câbles à haute tension nouvellement construites Après la pose des câbles de distribution urbains de 10 kV et 220 kV et des nouveaux câbles de transport d'énergie, un test final de réception est effectué afin de détecter tout dommage au corps du câble et tout défaut lors de l'installation. Il s'agit de l'équipement de test le plus couramment utilisé sur les chantiers de construction de réseaux électriques en Chine.
2. Test de tenue en tension sur site pour les équipements haute tension capacitifs tels que les GIS et les appareillages de commutation : Essai de tenue en tension alternative sur site des GIS de sous-station, des transformateurs de mesure et appareillage de commutation haute tension, en utilisant les excellentes caractéristiques de filtrage des circuits résonants pour produire une tension de test sinusoïdale.
3. Test préventif de tenue en tension pendant le fonctionnement et la maintenance : test de vérification de l'isolation après révision et rénovation de la ligne de câble ; applicable aux câbles longue distance et aux courts tronçons de câbles sous-marins et terrestres lors du test de tenue à la tension sur le terrain.
4. Dans les situations où l'alimentation électrique est limitée sur le terrain ou sur les chantiers de construction Les chantiers de construction ne disposent souvent que d'alimentations électriques industrielles classiques. Les systèmes ACRF, quant à eux, consomment peu d'énergie, ne nécessitent pas de transformateurs de test haute puissance et permettent de mettre en place rapidement des circuits de test.

Limitations : La fréquence de fonctionnement s’écarte de 50 Hz ; le convertisseur de fréquence génère un bruit électromagnétique de commutation, ce qui rend difficile la mesure précise des décharges partielles dans des conditions normales. Si la détection des décharges partielles est requise, un système de filtrage et de réduction du bruit complexe doit être ajouté ; avec un câble long, la fréquence de résonance peut chuter jusqu’à 20-30 Hz.

III. Aperçu de l'ACRL et de ses principales applications

IV. Recommandations relatives à la sélection des industries et état actuel du développement

Du point de vue de l'application concrète dans le secteur de l'énergie domestique : les systèmes résonants à fréquence variable ACRF occupent une place prépondérante dans les tests de réception sur site , répondant aux exigences de tenue en tension de la plupart des câbles nouvellement construits une fois leur installation terminée ; tandis que les systèmes résonants à inductance réglable ACRL de 50 Hz sont principalement utilisés en laboratoire, avec peu d'applications sur site.

1. Pour essais de type, essais combinés de tenue à la tension de décharge partielle en usine et exigences obligatoires en matière de fréquence du réseau électrique Dans le cadre des contrats, le système ACRL devrait être privilégié afin de garantir que les contraintes de test soient parfaitement cohérentes avec le fonctionnement réel.
2. Pour les chantiers de construction, la réception des câbles à la fin des travaux, les tests de tenue en tension des SIG et les sites présentant des conditions d'alimentation électrique médiocres. Il convient de privilégier les systèmes résonants de conversion de fréquence ACRF. Ces systèmes répondent aux exigences de la norme nationale en matière de tests de 20 à 300 Hz, tout en offrant un bon compromis entre efficacité et portabilité.
3. Lorsqu'un site de projet requiert à la fois des essais de tenue diélectrique et un diagnostic simultané des décharges partielles, si un équipement ACRF est choisi, un filtre dédié doit être configuré pour supprimer les interférences électromagnétiques provenant de l'alimentation du convertisseur de fréquence. Lorsque les conditions le permettent, des échantillons doivent être envoyés au laboratoire pour des essais de décharges partielles à l'aide d'un ACRL.

V. Résumé du secteur

Les techniques de test de résonance des séries ACRL et ACRF ne sont pas interchangeables, mais complémentaires en laboratoire et sur le terrain . La technique ACRL vise des conditions de test à la fréquence réelle du réseau électrique (50 Hz), compatibles avec celles du réseau, et est particulièrement adaptée à la R&D, à l'homologation et aux tests de diagnostic. La technique ACRF, quant à elle, privilégie l'adaptabilité sur le terrain et une large plage de mesure, répondant ainsi à de nombreux besoins en matière de transfert et de réception d'installations. Le personnel chargé des tests doit choisir judicieusement le système de test en fonction des objectifs, des clauses normatives et des exigences contractuelles du projet afin de garantir la précision et la validité des résultats des tests d'isolation des câbles haute tension, et ainsi assurer la sécurité d'exploitation du réseau électrique.