Analyse van twee AC-serie resonantieweerstandstechnologieën: toepassingen van ACRL en ACRF bij het testen van hoogspanningskabels

Abstract: Op het gebied van AC-doorslagspanningstesten voor capacitieve hoogspanningsapparatuur zoals XLPE-hoogspanningskabels en GIS-systemen, zijn het ACRL-inductiemodulatie-netfrequentie-resonantiesysteem en het ACRF-frequentiemodulatie-omvormer-resonantiesysteem de twee belangrijkste serieresonantietesttechnologieën. Beide systemen maken gebruik van het LC-serieresonantieprincipe om een ​​hoge testspanning te bereiken met een kleine voedingsspanning, maar hun afstemmechanismen, uitgangsfrequenties en toepasbare bedrijfsomstandigheden verschillen aanzienlijk. Ze spelen respectievelijk een onvervangbare rol bij laboratoriumtesten, fabriekstesten en inbedrijfstellingstesten op locatie. Dit artikel geeft een volledige interpretatie van de principes, technische kenmerken, belangrijkste toepassingen en selectiecriteria van deze twee systemen, gebaseerd op nationale en internationale normen en praktijkvoorbeelden in de energiesector.

Met de grootschalige ingebruikname van hoogspanningskabels ter ondersteuning van stedelijke elektriciteitsnetten en nieuwe energiebronnen in China, is het testen van de isolatieweerstand van XLPE-kabels (cross-linked polyethylene) een cruciale schakel geworden in het waarborgen van de veiligheid van het elektriciteitsnet. Omdat hoogspanningskabels typische capacitieve testobjecten met een grote capaciteit zijn, worden traditionele transformatoren voor het direct opwaarderen van de netfrequentie beperkt door hun vermogen en gewicht, waardoor het moeilijk is om te voldoen aan de eisen voor het testen van de isolatieweerstand van kabels over lange afstanden . Het testen van de isolatieweerstand van wisselstroom met behulp van serieresonantie is daarom de gangbare oplossing in de industrie geworden.

In de Europese en Amerikaanse normen voor hoogspanningstesten worden serieresonantie-weerstandssystemen onderverdeeld in twee categorieën: ACRL (AC Resonant-L, inductief gemoduleerd serieresonantiesysteem met netfrequentie) en ACRF (AC Resonant-F, frequentiegemoduleerd serieresonantiesysteem met variabele frequentie) . In de binnenlandse elektriciteitssector wordt voornamelijk ACRF-apparatuur met variabele frequentie gebruikt, terwijl ACRL-systemen met inductieve modulatie en 50 Hz vaker worden toegepast in laboratoria van kabelfabrikanten en door erkende onafhankelijke testinstituten. Er is geen absolute superioriteit of inferioriteit tussen de twee typen apparatuur; de keuze hangt eerder af van het testdoel, de testlocatie en of er gelijktijdig een detectie van partiële ontladingen plaatsvindt.

I. Basiswerkingsprincipe

ACRL-inductor-gemoduleerd resonantiesysteem (vaste voedingsfrequentie van 50 Hz)

Het uitgangsvermogen van het ACRL-systeem is strikt vastgelegd op een netfrequentie van 50 Hz . Door de inductantiewaarde L van de reactor (instelbare luchtspleet/meertraps variabele reactor) aan te passen, wordt de inductieve reactantie van het circuit gewijzigd om overeen te komen met de capacitieve reactantie van de te testen kabel, waardoor aan de resonantievoorwaarde wordt voldaan. Een seriële resonantiespanningsverhoging werd bereikt bij een frequentie van 50 Hz. De testspanningsfrequentie kwam volledig overeen met de werkelijke werkfrequentie van het elektriciteitsnet, en de elektrische veldverdeling en polarisatiekarakteristieken in het isolatiemedium waren volledig equivalent aan de werkelijke bedrijfsomstandigheden van de kabel.

ACRF-frequentiemodulatie- en frequentieomzettingsresonantiesysteem (20-300Hz instelbaar)

In een ACRF-systeem blijven de inductantieparameters van de reactor constant. De uitgangsfrequentie f wordt dynamisch aangepast door een frequentieomvormer om de capaciteit C van de te testen kabel te evenaren, waardoor circuitresonantie wordt bereikt. De resonantiefrequentie verandert automatisch afhankelijk van de kabellengte (capaciteit), met een standaard toegestaan ​​werkingsbereik van 20-300 Hz; hoe langer de kabel en hoe groter de capaciteit, hoe lager de resonantiefrequentie. Dit schema is gebaseerd op frequentieaanpassing voor afstemming, en de reactor maakt gebruik van gestandaardiseerde modules met vaste inductantie die flexibel in serie en parallel kunnen worden geschakeld.

II. Kerntechnologische kenmerken en belangrijkste industriële toepassingen

ACRL (Adjustable Inductance 50Hz Power Frequency Resonant System)

Belangrijkste voordelen: Echte 50Hz-testspanning, lage elektromagnetische ruis, native ondersteuning voor zeer nauwkeurige detectie van synchrone partiële ontladingen (PD) en testomstandigheden die volledig voldoen aan de netfrequentie-eisen van IEC en GB voor kabeltypekeuring.

Belangrijkste toepassingen:

1. Typekeuring en prekwalificatiekeuring voor kabelfabrikanten Typekeuring voor nieuwe XLPE-hoogspannings-/ultrahoogspanningskabels tijdens productontwikkeling en proceswijzigingen. De norm vereist het gebruik van een wisselspanningsbestendigheid van 50 Hz. ACRL kan de elektrische belastingomstandigheden van de kabel in de praktijk nabootsen en wordt gebruikt om de isolatieprestaties op lange termijn van de kabelmantel, tussenverbindingen en aansluitingen te controleren. Het is de voorkeursapparatuur voor kabeltypekeuring.
2. Laboratoriummonsters en wetenschappelijke onderzoekstests Externe hoogspanningstestlaboratoria en hoogspanningstestruimtes van kabelfabrieken voeren spanningsbestendigheidstests en partiële ontladingstests uit op afgewerkte kabelmonsters. Tijdens de spanningsbestendigheidstest worden signalen van partiële ontladingen verzameld om kleine luchtspleten en onzuiverheden in de isolatie te identificeren.
3. Test van de netfrequentie-doorslagspanning voor statorwikkelingen van generatoren en grote motoren De isolatienorm voor grote roterende motoren is een netfrequentie van 50 Hz, wat vereist dat de wisselspanningsbestendigheid van de netfrequentie wordt gewaarborgd. ACRL kan de isolatiebeoordeling van dergelijke apparatuur uitvoeren en ook diagnoses van partiële ontladingen verrichten.
4. Voor speciale projecten met verplichte netfrequentie-eisen voor testen. Sommige projecten in het buitenland en hoogwaardige energiecontracten vereisen expliciet dat de testspanning een netfrequentie van 45-55 Hz heeft. In deze gevallen moet het ACRL-systeem prioriteit krijgen.

Beperkingen: Instelbare reactoren zijn omvangrijk en zwaar, waardoor transport op locatie lastig is; het instelbereik van de inductantie is beperkt en één set apparatuur kan slechts een smal bereik aan kabelcapaciteiten aan. Bij kabels met zeer grote overspanningen is het noodzakelijk om de reactormodule te vervangen; het is niet geschikt voor grootschalige overdrachtstests op bouwlocaties.

ACRF (instelbaar frequentie-resonantiesysteem, 20-300 Hz)

Belangrijkste voordelen: Modulair ontwerp, beheersbaar gewicht van de apparatuur, één unit kan een zeer breed scala aan kabelcapaciteiten bestrijken, aanpasbaar aan kabellengtes; lage eisen aan de stroomvoorziening ter plaatse, hoeft alleen het actieve vermogensverlies van het circuit te compenseren, eenvoudig ter plaatse te installeren, waardoor het een gangbare apparatuur is in binnenlandse elektriciteitsnetten. Gebaseerd op de normen GB 50150 2016, DL/T 474.4 2018 en IEC 60840, kan de AC-doorslagspanningstest in het frequentiebereik van 20-300 Hz worden gebruikt voor acceptatietesten ter plaatse van XLPE-kabels, met een goede testequivalentie.

Belangrijkste toepassingen:

1. Test van de spanningsbestendigheid op locatie voor nieuw aangelegde hoogspanningskabels. De eindtest na de voltooiing van de aanleg van 10 kV- en 220 kV-stedelijke distributienetkabels en nieuwe energietransmissiekabels wordt uitgevoerd om schade aan de kabelmantel en defecten in het installatieproces te detecteren. Het is de meest gebruikte testapparatuur op bouwplaatsen voor energiecentrales in China.
2. Test ter plaatse van de doorslagspanning voor capacitieve hoogspanningsapparatuur zoals GIS-systemen en schakelinstallaties. : Test ter plaatse de wisselspanningsbestendigheid van GIS-systemen, instrumenttransformatoren en onderstations. hoogspanningsschakelapparatuurwaarbij gebruik wordt gemaakt van de uitstekende filtereigenschappen van resonantiekringen om een ​​sinusvormige testspanning te genereren.
3. Preventieve spanningsbestendigheidstest tijdens gebruik en onderhoud. : Isolatieverificatietest na revisie en renovatie van kabeltrajecten; toepasbaar op langeafstandskabels en korte trajecten van onderzeese en landkabels bij de veldproef op doorslagspanning.
4. In situaties waar de stroomvoorziening in het veld of op bouwplaatsen beperkt is. Bouwplaatsen beschikken vaak alleen over standaard fabrieksstroomvoorzieningen. ACRF-systemen hebben een laag stroomverbruik, vereisen geen krachtige testtransformatoren en kunnen snel testcircuits opzetten.

Beperkingen: De werkfrequentie wijkt af van 50 Hz; de frequentieomvormer heeft ingebouwde elektromagnetische ruis door schakelen, waardoor het moeilijk is om onder natuurlijke omstandigheden zeer nauwkeurige metingen van partiële ontladingen te verkrijgen. Indien detectie van partiële ontladingen vereist is, moet een extra complexe filter- en ruisonderdrukkingseenheid worden toegevoegd; bij lange kabels kan de resonantiefrequentie dalen tot 20-30 Hz.

III. Overzicht van ACRL en de belangrijkste toepassingen ervan

IV. Aanbevelingen voor de selectie van de sector en de huidige ontwikkelingsstatus.

Vanuit het perspectief van de daadwerkelijke toepassing in de binnenlandse energiesector: ACRF-resonantiesystemen met variabele frequentie nemen een absolute leidende positie in bij acceptatietests op locatie en voldoen bij oplevering aan de spanningsbestendigheidseisen van de meeste nieuw aangelegde kabels; terwijl ACRL-resonantiesystemen met instelbare inductantie van 50 Hz voornamelijk in laboratoriumomgevingen worden gebruikt, met slechts enkele toepassingsgevallen op locatie.

1. Bij typekeuring, gecombineerde fabriekstest voor de partiële ontladingsspanning en verplichte eisen met betrekking tot de netfrequentie. Bij contracten moet prioriteit worden gegeven aan het ACRL-systeem om ervoor te zorgen dat de testbelasting volledig overeenkomt met de daadwerkelijke werking.
2. Voor bouwlocaties: kabeloverdracht na voltooiing, GIS-spanningsmetingen en locaties met slechte stroomvoorziening. ACRF-frequentieomzettingsresonantiesystemen verdienen prioriteit. Deze systemen voldoen aan de nationale norm voor testen tussen 20 en 300 Hz, en bieden tegelijkertijd een goede balans tussen efficiëntie en draagbaarheid.
3. Wanneer op een projectlocatie zowel een spanningsbestendigheidstest als een gelijktijdige diagnose van partiële ontladingen vereist is, en er voor ACRF-apparatuur wordt gekozen, moet een speciaal filtercomponent worden geconfigureerd om elektromagnetische interferentie van de voeding van de frequentieomvormer te onderdrukken. Indien de omstandigheden dit toelaten, dienen monsters naar het laboratorium te worden gestuurd voor partiële ontladingstests met behulp van ACRL.

V. Samenvatting van de sector

De resonantietesttechnieken van de ACRL- en ACRF-series zijn niet onderling verwisselbaar, maar vullen elkaar juist aan in laboratorium- en veldsituaties . ACRL streeft naar realistische testomstandigheden met een netfrequentie van 50 Hz, consistent met het elektriciteitsnet, en is met name geschikt voor R&D, typegoedkeuring en diagnostische tests. ACRF legt de nadruk op aanpasbaarheid in het veld en een breed meetbereik, en is geschikt voor diverse technische overdrachts- en acceptatietests. Testpersoneel moet het testsysteem rationeel selecteren op basis van de testdoelstellingen, normbepalingen en projectcontractvereisten om de nauwkeurigheid en validiteit van de testresultaten voor hoogspanningskabelisolatie te waarborgen en zo een betrouwbare basis te leggen voor de veilige werking van het elektriciteitsnet.