Análise de duas tecnologias de tensão suportável por ressonância em série CA: aplicações de ACRL e ACRF em testes de cabos de alta tensão

Resumo: No campo dos testes de tensão suportável CA para equipamentos capacitivos de alta tensão, como cabos de energia de alta tensão XLPE e GIS, os sistemas ressonantes de frequência de potência modulados por indutância (ACRL) e os sistemas ressonantes de inversor modulados por frequência (ACRF) são as duas principais tecnologias de teste de ressonância em série. Ambos se baseiam no princípio da ressonância em série LC para alcançar alta tensão de teste a partir de uma pequena capacidade de alimentação, mas seus mecanismos de sintonia, frequências de saída e condições de operação aplicáveis ​​diferem significativamente. Eles desempenham papéis indispensáveis ​​em testes de tipo em laboratório, testes de fábrica e testes de comissionamento em campo, respectivamente. Este artigo fornece uma interpretação completa dos princípios, características técnicas, principais aplicações e critérios de seleção desses dois sistemas, com base em normas nacionais e internacionais do setor elétrico e práticas de engenharia.

Com a entrada em operação em larga escala de linhas de cabos de alta tensão que suportam as redes elétricas urbanas e novas fontes de energia na China, o teste de tensão suportável de isolamento em cabos de polietileno reticulado (XLPE) tornou-se um elo crucial para garantir a segurança da rede elétrica. Como os cabos de alta tensão são tipicamente objetos de teste capacitivos de grande capacidade, os transformadores de teste de frequência de potência elevadores diretos tradicionais são limitados pela capacidade de potência e pelo peso do equipamento, dificultando o atendimento aos requisitos de teste de tensão suportável de cabos de longa distância . O teste de tensão suportável CA por ressonância em série tornou-se a principal solução na indústria.

Nos sistemas de normas da indústria de testes de alta tensão europeia e americana, os sistemas de tensão suportável por ressonância em série são divididos em duas categorias: ACRL (AC Resonant-L, sistema ressonante em série de frequência de potência modulada por indutância) e ACRF (AC Resonant-F, sistema ressonante em série de frequência variável modulada por frequência) . Em aplicações no setor elétrico nacional, o equipamento ressonante de frequência variável ACRF é o mais utilizado, enquanto os sistemas ressonantes de 50Hz modulados por indutância ACRL são mais comuns em laboratórios de fabricantes de cabos e instituições de teste terceirizadas reconhecidas. Não há superioridade ou inferioridade absoluta entre os dois tipos de equipamento; a escolha se baseia no objetivo do teste, no local do teste e na necessidade de detecção simultânea de descargas parciais .

I. Princípio básico de funcionamento

Sistema ressonante modulado por indutor ACRL (frequência de potência fixa de 50Hz)

A potência de saída do sistema ACRL é estritamente fixada em uma tensão de frequência da rede elétrica de 50 Hz. Ajustando-se o valor da indutância L do reator (reator variável com entreferro ajustável/multitap), a reatância indutiva do circuito é alterada para corresponder à reatância capacitiva do cabo em teste, satisfazendo assim a condição de ressonância. Um aumento de tensão ressonante em série foi obtido a uma frequência de 50 Hz. A frequência da tensão de teste foi totalmente consistente com a frequência operacional real da rede elétrica, e a distribuição do campo elétrico e as características de polarização dentro do meio isolante foram completamente equivalentes às condições reais de operação do cabo.

Sistema ressonante de modulação e conversão de frequência ACRF (ajustável de 20 a 300 Hz)

Em um sistema ACRF, os parâmetros de indutância do reator permanecem constantes. A frequência de saída f é ajustada dinamicamente por um conversor de frequência para corresponder à capacitância C do cabo em teste, alcançando a ressonância do circuito. A frequência de ressonância varia automaticamente de acordo com o comprimento do cabo (capacitância), com uma faixa de operação padrão permitida de 20 a 300 Hz; quanto maior o comprimento do cabo e maior a capacitância, menor a frequência de operação de ressonância. Este esquema depende do ajuste de frequência para sintonização, e o reator utiliza módulos de indutância fixa padronizados que podem ser combinados de forma flexível em série e em paralelo.

II. Principais características tecnológicas e aplicações industriais

ACRL (Sistema Ressonante de Frequência de Potência de 50Hz com Indutância Ajustável)

Principais vantagens: Tensão de teste de frequência de energia real de 50 Hz, baixo ruído eletromagnético, suporte nativo para detecção síncrona de descarga parcial (DP) de alta precisão e condições de teste que correspondem totalmente aos requisitos de frequência de energia das normas IEC e GB para testes de cabos.

Principais usos:

1. Testes de tipo e testes de pré-qualificação para fabricantes de cabos Testes de tipo para novos cabos XLPE de alta/ultra-alta tensão durante o desenvolvimento do produto e alterações de processo. A norma exige o uso de tensão suportável de 50 Hz CA. O ACRL consegue reproduzir as condições de tensão elétrica do cabo em operação real e é utilizado para verificar o desempenho de isolamento a longo prazo do corpo do cabo, das juntas intermediárias e dos terminais. É o equipamento preferencial para testes de tipo de cabos.
2. Testes de amostragem em laboratório e testes de pesquisa científica Laboratórios terceirizados de testes de alta tensão e salas de testes de alta tensão de fábricas de cabos realizam testes de tensão suportável em frequência de potência e de descarga parcial em amostras de cabos acabados. Durante os testes de tensão suportável, os sinais de descarga parcial são coletados para identificar pequenas folgas de ar e impurezas dentro do isolamento.
3. Teste de tensão suportável em frequência industrial para enrolamentos de estator de geradores e motores de grande porte. O padrão de projeto de isolamento para grandes motores rotativos é de 50 Hz para a frequência da rede elétrica, exigindo o uso de tensão suportável CA na frequência real da rede. A ACRL pode atender à avaliação de isolamento desses equipamentos e também realizar diagnósticos de descarga parcial.
4. Para projetos especiais com requisitos obrigatórios de frequência de energia para testes. Alguns projetos internacionais e contratos de engenharia de energia de alta complexidade exigem explicitamente que a tensão de teste seja de 45 a 55 Hz na frequência da rede elétrica. Nesses casos, o sistema ACRL deve ter prioridade.

Limitações: Os reatores ajustáveis ​​são volumosos e pesados, dificultando o transporte no local; a faixa de ajuste de indutância é limitada e um conjunto de equipamentos só pode se adaptar a uma faixa estreita de capacitâncias de cabos. Ao lidar com cabos de vãos muito longos, é necessário substituir o módulo do reator; não é adequado para testes de transferência em larga escala em canteiros de obras.

ACRF (Sistema de Ressonância de Frequência Ajustável, 20-300Hz)

Principais vantagens: Design modular, peso do equipamento controlável, uma única unidade pode abranger uma ampla gama de capacitâncias de cabos, adaptável a linhas de cabos de diferentes comprimentos; baixos requisitos de capacidade de alimentação elétrica no local, necessitando apenas suprir a perda de potência ativa do circuito, fácil de implantar no local, tornando-se o equipamento principal em redes elétricas nacionais. Com base nas normas GB 50150 2016, DL/T 474.4 2018 e IEC 60840, o teste de tensão suportável CA na faixa de frequência de 20-300 Hz pode ser usado para testes de aceitação em campo de cabos XLPE, possuindo boa equivalência de teste.

Principais usos:

1. Teste de tensão suportável no local para linhas de cabos de alta tensão recém-construídas. O teste final de entrega, após a conclusão da instalação de cabos de redes de distribuição urbana de 10 kV e 220 kV e de cabos de transmissão de novas energias, é realizado para detectar danos ao corpo do cabo e defeitos no processo de instalação conjunta. É o equipamento de teste mais utilizado em canteiros de obras de energia elétrica no país.
2. Teste de tensão suportável no local para equipamentos capacitivos de alta tensão, como GIS e painéis de distribuição. Teste de tensão suportável CA no local de GIS de subestação, transformadores de instrumentos e aparelhagem de alta tensão, utilizando as excelentes características de filtragem dos circuitos ressonantes para gerar uma tensão de teste senoidal.
3. Teste preventivo de tensão suportável durante a operação e manutenção. Teste de verificação de isolamento após revisão e renovação de linhas de cabos; aplicável a cabos de longa distância e trechos curtos de cabos submarinos e terrestres em testes de tensão suportável em campo.
4. Em cenários onde o fornecimento de energia é limitado no campo ou em canteiros de obras. Os canteiros de obras geralmente dispõem apenas de fontes de alimentação elétrica comuns de fábrica. Os sistemas ACRF têm baixos requisitos de energia, não necessitam de transformadores de teste de alta potência e permitem a rápida instalação de circuitos de teste.

Limitações: A frequência de operação desvia-se de 50 Hz; o conversor de frequência possui ruído eletromagnético de comutação embutido, dificultando a obtenção de medições de descarga parcial de alta precisão em condições normais de operação. Caso seja necessária a detecção de descarga parcial, uma unidade adicional complexa de filtragem e redução de ruído deverá ser adicionada; em condições de cabos longos, a frequência de ressonância pode cair para a faixa de 20 a 30 Hz.

III. Visão geral da ACRL e suas principais aplicações

IV. Recomendações para a seleção da indústria e situação atual de desenvolvimento

Do ponto de vista da aplicação prática no setor elétrico nacional: os sistemas ressonantes de frequência variável ACRF ocupam uma posição de destaque nos testes de aceitação em campo , atendendo aos requisitos de tensão suportável da maioria dos cabos recém-construídos após a conclusão; enquanto os sistemas ressonantes de indutância ajustável de 50Hz ACRL são usados ​​principalmente em ambientes de laboratório, com poucos casos de aplicação em campo.

1. Para testes de tipo, testes combinados de tensão suportável de descarga parcial em fábrica e requisitos obrigatórios de frequência de energia em Em relação aos contratos, o sistema ACRL deve ter prioridade para garantir que o nível de estresse dos testes seja totalmente consistente com a operação real.
2. Para canteiros de obras, entrega de cabos após a conclusão, testes de tensão suportável de GIS e locais com condições precárias de fornecimento de energia. Os sistemas ressonantes de conversão de frequência ACRF devem ter prioridade. Esses sistemas atendem aos requisitos da norma nacional para testes de 20 a 300 Hz, além de equilibrar eficiência e portabilidade do equipamento.
3. Quando um local de projeto exige tanto testes de tensão suportável quanto diagnóstico simultâneo de descarga parcial, se o equipamento ACRF for selecionado, um componente de filtro dedicado deve ser configurado para suprimir a interferência eletromagnética da fonte de alimentação do conversor de frequência. Quando as condições permitirem, as amostras devem ser enviadas ao laboratório para testes de descarga parcial usando o ACRL.

V. Resumo do setor

As técnicas de teste de ressonância das séries ACRL e ACRF não são intercambiáveis, mas sim complementares em cenários de laboratório e de campo . A ACRL visa condições de teste de frequência de potência real de 50 Hz, consistentes com a rede elétrica, favorecendo testes de P&D, homologação e diagnóstico; a ACRF prioriza a adaptabilidade em campo e uma ampla faixa de medição, atendendo a inúmeros testes de entrega e aceitação de engenharia. A equipe de teste precisa selecionar racionalmente o sistema de teste com base nos objetivos do teste, nas cláusulas das normas e nos requisitos do contrato do projeto para garantir a precisão e a validade dos resultados dos testes de isolamento de cabos de alta tensão, fornecendo uma base confiável para a operação segura da rede elétrica.