Analisi di due tecnologie di tensione di tenuta risonante in serie in corrente alternata: applicazioni di ACRL e ACRF nei test sui cavi ad alta tensione

Abstract: Nel campo delle prove di tenuta alla tensione CA per apparecchiature capacitive ad alta tensione come cavi di alimentazione ad alta tensione XLPE e GIS, il sistema risonante a frequenza di rete modulato in induttanza ACRL e il sistema risonante a inverter modulato in frequenza ACRF sono le due principali tecnologie di prova di risonanza in serie. Entrambi si basano sul principio di risonanza in serie LC per ottenere un'elevata tensione di prova in uscita da una piccola capacità di alimentazione, ma i loro meccanismi di sintonizzazione, le frequenze di uscita e le condizioni operative applicabili differiscono significativamente. Essi svolgono un ruolo insostituibile rispettivamente nelle prove di tipo in laboratorio, nelle prove in fabbrica e nelle prove di messa in servizio in loco. Questo articolo fornisce un'interpretazione completa dei principi, delle caratteristiche tecniche, delle principali applicazioni e dei criteri di selezione di questi due sistemi, sulla base degli standard e delle pratiche ingegneristiche del settore energetico nazionali e internazionali.

Con la messa in servizio su larga scala di linee di cavi ad alta tensione a supporto delle reti elettriche urbane e delle nuove fonti energetiche in Cina, il test di tenuta all'isolamento dei cavi in ​​polietilene reticolato (XLPE) è diventato un elemento cruciale per garantire la sicurezza della rete elettrica. Poiché i cavi ad alta tensione sono tipicamente oggetti di prova capacitivi di grande capacità, i tradizionali trasformatori di prova a frequenza industriale a elevazione diretta sono limitati dalla capacità di potenza e dal peso dell'apparecchiatura, rendendo difficile soddisfare i requisiti di tenuta all'isolamento dei cavi a lunga distanza . Il test di tenuta all'isolamento in corrente alternata a risonanza in serie è diventato la soluzione principale nel settore.

Nel sistema di standardizzazione europeo e americano per i test ad alta tensione, i sistemi di risonanza in serie per la misurazione della tensione di tenuta sono suddivisi in due categorie: ACRL (AC Resonant-L, sistema di risonanza in serie a frequenza di rete modulato in induttanza) e ACRF (AC Resonant-F, sistema di risonanza in serie a frequenza variabile modulato in frequenza) . Nelle applicazioni sul campo in ambito nazionale, si utilizza principalmente l'apparecchiatura ACRF a frequenza variabile, mentre i sistemi ACRL a 50 Hz con modulazione in induttanza sono più comunemente impiegati nei laboratori delle aziende produttrici di cavi e presso autorevoli enti di collaudo di terze parti. Non esiste una superiorità o inferiorità assoluta tra i due tipi di apparecchiatura; la scelta dipende piuttosto dall'obiettivo del test, dal luogo di esecuzione e dall'eventuale necessità di rilevare contemporaneamente le scariche parziali .

I. Principio di funzionamento di base

Sistema risonante a modulazione induttiva ACRL (frequenza di rete fissa di 50 Hz)

La potenza di uscita del sistema ACRL è rigorosamente fissa a una frequenza di rete di 50 Hz . Regolando il valore di induttanza L del reattore (reattore variabile a traferro regolabile/a prese multiple), la reattanza induttiva del circuito viene modificata per adattarsi alla reattanza capacitiva del cavo in prova, soddisfacendo così la condizione di risonanza. È stato ottenuto un incremento di tensione risonante in serie a una frequenza di 50 Hz. La frequenza della tensione di prova era perfettamente coerente con la frequenza operativa effettiva della rete elettrica e la distribuzione del campo elettrico e le caratteristiche di polarizzazione all'interno del mezzo isolante erano completamente equivalenti alle effettive condizioni operative del cavo.

Sistema risonante di modulazione e conversione di frequenza ACRF (20-300 Hz regolabile)

In un sistema ACRF, i parametri di induttanza del reattore rimangono costanti. La frequenza di uscita f viene regolata dinamicamente da un convertitore di frequenza per adattarsi alla capacità C del cavo in prova, raggiungendo la risonanza del circuito. La frequenza di risonanza cambia automaticamente in base alla lunghezza del cavo (capacità), con un intervallo operativo standard consentito di 20-300 Hz; maggiore è la lunghezza del cavo e maggiore è la capacità, minore sarà la frequenza di risonanza. Questo schema si basa sulla regolazione della frequenza per la sintonizzazione e il reattore utilizza moduli di induttanza fissa standardizzati che possono essere combinati in modo flessibile in serie e in parallelo.

II. Caratteristiche tecnologiche principali e principali applicazioni industriali

ACRL (Sistema risonante a frequenza di rete a 50 Hz con induttanza regolabile)

Vantaggi principali: tensione di prova a frequenza di rete reale di 50 Hz, basso rumore elettromagnetico, supporto nativo per il rilevamento sincrono di scariche parziali (PD) ad alta precisione e condizioni di prova che corrispondono pienamente ai requisiti di frequenza di rete delle norme IEC e GB per il collaudo dei cavi.

Usi principali:

1. Prove di tipo e prove di prequalificazione per i produttori di cavi : Prove di tipo per nuovi cavi ad alta/altissima tensione XLPE durante lo sviluppo del prodotto e le modifiche di processo. Lo standard richiede l'utilizzo di una tensione di tenuta CA di 50 Hz. L'ACRL è in grado di riprodurre le condizioni di stress elettrico del cavo in condizioni di funzionamento reali e viene utilizzato per verificare le prestazioni di isolamento a lungo termine del corpo del cavo, dei giunti intermedi e dei terminali. È l'apparecchiatura preferita per le prove di tipo dei cavi.
2. Prove di campionamento in laboratorio e test di ricerca scientifica Laboratori di prova ad alta tensione di terze parti e sale di prova ad alta tensione delle fabbriche di cavi eseguono test di tenuta alla tensione di rete e di scariche parziali su campioni di cavi finiti. Durante il test di tenuta alla tensione, vengono raccolti i segnali di scarica parziale per identificare minuscole intercapedini d'aria e impurità all'interno dell'isolamento.
3. Test di tenuta alla tensione di rete per gli avvolgimenti dello statore di generatori e motori di grandi dimensioni. Lo standard di progettazione dell'isolamento per i grandi motori rotanti è la frequenza di rete di 50 Hz, che richiede l'utilizzo della tensione di tenuta CA alla frequenza di rete reale. ACRL è in grado di soddisfare i requisiti di valutazione dell'isolamento di tali apparecchiature e di effettuare anche la diagnosi delle scariche parziali.
4. Per progetti speciali con requisiti obbligatori di frequenza di potenza per i test Alcuni progetti esteri e contratti di ingegneria energetica di alto livello richiedono esplicitamente che la tensione di prova abbia una frequenza di rete di 45-55 Hz. In questi casi, il sistema ACRL dovrebbe avere la priorità.

Limitazioni: i reattori regolabili sono ingombranti e pesanti, il che rende difficile il trasporto in loco; il campo di regolazione dell'induttanza è limitato e un singolo set di apparecchiature può adattarsi solo a una gamma ristretta di capacità dei cavi. Quando si ha a che fare con cavi di lunghezza molto elevata, è necessario sostituire il modulo del reattore; non è adatto per test di collaudo su larga scala nei cantieri.

ACRF (Sistema risonante a frequenza regolabile, 20-300 Hz)

Vantaggi principali: design modulare, peso dell'apparecchiatura controllabile, una singola unità può coprire una gamma molto ampia di capacità del cavo, adattabile a linee di cavi di diverse lunghezze; bassi requisiti di capacità di alimentazione in loco, è necessario fornire solo la perdita di potenza attiva del circuito, facile da installare in loco, rendendolo l'apparecchiatura principale nelle reti elettriche nazionali. Basato sugli standard GB 50150 2016, DL/T 474.4 2018 e IEC 60840, il test di tenuta alla tensione CA nella gamma di frequenza 20-300 Hz può essere utilizzato per il collaudo di accettazione in loco dei cavi XLPE, possedendo una buona equivalenza di prova.

Usi principali:

1. Prova di tenuta alla tensione in loco per le linee di cavi ad alta tensione di nuova costruzione. Il collaudo finale, effettuato dopo la posa dei cavi della rete di distribuzione urbana a 10 kV e 220 kV e dei nuovi cavi di trasmissione energetica, serve a rilevare eventuali danni al corpo del cavo e difetti nel processo di installazione dei giunti. Si tratta dell'apparecchiatura di collaudo più utilizzata nei cantieri di costruzione di reti elettriche nazionali.
2. Test di tenuta alla tensione in loco per apparecchiature capacitive ad alta tensione come GIS e quadri elettrici : Test di tenuta alla tensione CA in loco di GIS di sottostazione, trasformatori di misura e apparecchiature di commutazione ad alta tensione, sfruttando le eccellenti caratteristiche di filtraggio dei circuiti risonanti per generare una tensione di prova sinusoidale.
3. Test preventivo della tensione di tenuta durante il funzionamento e la manutenzione : test di verifica dell'isolamento dopo la revisione e il rinnovamento delle linee di cavi; applicabile a cavi a lunga distanza e brevi tratti di cavi sottomarini e terrestri nel test di tenuta alla tensione sul campo.
4. In scenari in cui l'alimentazione elettrica è limitata sul campo o nei cantieri edili Spesso i cantieri edili dispongono solo di normali alimentatori industriali. I sistemi ACRF hanno bassi requisiti di potenza, non richiedono trasformatori di prova ad alta potenza e consentono di configurare rapidamente circuiti di prova.

Limitazioni: La frequenza operativa si discosta da 50 Hz; il convertitore di frequenza presenta rumore elettromagnetico di commutazione intrinseco, il che rende difficile ottenere misurazioni di scariche parziali ad alta precisione in condizioni native. Se è richiesto il rilevamento di scariche parziali, è necessario aggiungere un'unità complessa di filtraggio e riduzione del rumore; in presenza di cavi lunghi, la frequenza di risonanza può scendere nell'intervallo 20-30 Hz.

III. Panoramica di ACRL e delle sue principali applicazioni

IV. Raccomandazioni per la selezione del settore e stato attuale di sviluppo

Dal punto di vista dell'applicazione pratica nel settore energetico domestico: i sistemi risonanti a frequenza variabile ACRF occupano una posizione di assoluto rilievo nei test di accettazione in loco , soddisfacendo i requisiti di tenuta alla tensione della maggior parte dei cavi di nuova costruzione al termine dei lavori; mentre i sistemi risonanti a induttanza regolabile a 50 Hz ACRL sono utilizzati principalmente in ambienti di laboratorio, con poche applicazioni in loco.

1. Per test di tipo, test combinati di tensione di tenuta alla scarica parziale in fabbrica e requisiti obbligatori di frequenza di potenza in Per quanto riguarda i contratti, il sistema ACRL dovrebbe avere la priorità per garantire che lo stress di prova sia completamente coerente con il funzionamento effettivo.
2. Per i cantieri edili, la consegna dei cavi al termine dei lavori, i test di tenuta alla tensione dei GIS e i siti con condizioni di alimentazione elettrica scadenti. I sistemi risonanti a conversione di frequenza ACRF dovrebbero avere la priorità. Questi sistemi soddisfano i requisiti dello standard nazionale per i test a 20-300 Hz, bilanciando al contempo efficienza e portabilità delle apparecchiature.
3. Quando un sito di progetto richiede sia la prova di tenuta alla tensione che la diagnosi simultanea delle scariche parziali, se si sceglie l'apparecchiatura ACRF, è necessario configurare un componente di filtraggio dedicato per sopprimere le interferenze elettromagnetiche provenienti dall'alimentatore del convertitore di frequenza. Quando le condizioni lo consentono, i campioni devono essere inviati al laboratorio per la prova delle scariche parziali utilizzando ACRL.

V. Riepilogo del settore

Le tecniche di prova a risonanza delle serie ACRL e ACRF non sono intercambiabili, ma piuttosto complementari in scenari di laboratorio e sul campo . ACRL è progettato per condizioni di prova a frequenza di rete reale di 50 Hz, coerenti con la rete elettrica, favorendo la ricerca e sviluppo, l'omologazione e le prove diagnostiche; ACRF privilegia l'adattabilità sul campo e un ampio intervallo di misurazione, risultando utile per numerosi test di collaudo e accettazione da parte degli ingegneri. Il personale addetto ai test deve selezionare razionalmente il sistema di prova in base agli obiettivi di prova, alle clausole standard e ai requisiti contrattuali del progetto, al fine di garantire l'accuratezza e la validità dei risultati delle prove di isolamento dei cavi ad alta tensione, fornendo una base affidabile per il funzionamento sicuro della rete elettrica.