Анализ двух технологий последовательного резонансного выдерживаемого напряжения переменного тока: применение ACRL и ACRF в испытаниях высоковольтных кабелей.

Аннотация: В области испытаний на выдерживаемое переменное напряжение для емкостного высоковольтного оборудования, такого как высоковольтные силовые кабели XLPE и КРУЭ, двумя основными технологиями последовательного резонансного тестирования являются система ACRL с индуктивной модуляцией частоты и система ACRF с частотной модуляцией частоты инвертора. Обе основаны на принципе последовательного резонанса LC для достижения высокого выходного испытательного напряжения при малой мощности источника питания, но их механизмы настройки, выходные частоты и применимые условия эксплуатации значительно различаются. Они играют незаменимую роль в лабораторных испытаниях, заводских испытаниях и испытаниях при вводе в эксплуатацию на месте, соответственно. В данной статье представлен полный анализ принципов, технических характеристик, основных областей применения и критериев выбора этих двух систем на основе отечественных и международных стандартов энергетической отрасли и инженерной практики.

В связи с масштабным вводом в эксплуатацию высоковольтных кабельных линий, поддерживающих городские электросети и новые источники энергии в Китае, испытания на выдерживаемое напряжение изоляции кабелей из сшитого полиэтилена (XLPE) стали важнейшим звеном в обеспечении безопасности электросетей. Поскольку высоковольтные кабели обычно являются объектами емкостных испытаний большой мощности, традиционные повышающие трансформаторы для испытаний на частоте сети ограничены мощностью и весом оборудования, что затрудняет выполнение требований к испытаниям на выдерживаемое напряжение для кабелей большой протяженности . В качестве основного решения в отрасли стали испытания на выдерживаемое напряжение переменного тока с последовательным резонансом .

В европейской и американской системах стандартов высоковольтной испытательной промышленности системы последовательного резонанса выдерживаемого напряжения делятся на две категории: ACRL (AC Resonant-L, система последовательного резонанса с индуктивной модуляцией частоты) и ACRF (AC Resonant-F, система последовательного резонанса с частотной модуляцией и переменной частотой) . В отечественной энергетической отрасли в основном используется оборудование ACRF с переменной частотой, в то время как системы ACRL с индуктивной модуляцией частоты 50 Гц чаще используются в лабораториях кабельных заводов и авторитетных сторонних испытательных учреждениях. Между этими двумя типами оборудования нет абсолютного превосходства или недостатка; выбор зависит от цели испытания, места проведения испытания и от того, проводится ли одновременно обнаружение частичных разрядов .

I. Основной принцип работы

Резонансная система с модуляцией индуктором ACRL (фиксированная частота сети 50 Гц)

Выходная мощность системы ACRL строго фиксирована на уровне напряжения сети с частотой 50 Гц. Путем регулирования значения индуктивности L реактора (регулируемый воздушный зазор/многоотводной переменный реактор) индуктивное реактивное сопротивление цепи изменяется таким образом, чтобы соответствовать емкостному реактивному сопротивлению испытываемого кабеля, тем самым удовлетворяя условию резонанса. Последовательное резонансное повышение напряжения было достигнуто на частоте 50 Гц. Частота испытательного напряжения полностью соответствовала фактической рабочей частоте энергосети, а распределение электрического поля и характеристики поляризации внутри изоляционной среды были полностью эквивалентны фактическим условиям эксплуатации кабеля.

Резонансная система частотной модуляции и преобразования частоты ACRF (регулируемая в диапазоне 20-300 Гц)

В системе ACRF параметры индуктивности реактора остаются постоянными. Выходная частота f динамически регулируется преобразователем частоты для согласования с емкостью C тестируемого кабеля, обеспечивая резонанс цепи. Резонансная частота автоматически изменяется в зависимости от длины кабеля (емкости), при этом стандартный допустимый рабочий диапазон составляет 20-300 Гц; чем длиннее кабель и чем больше емкость, тем ниже резонансная рабочая частота. Эта схема основана на частотной регулировке для настройки, а реактор использует стандартизированные модули с фиксированной индуктивностью, которые могут гибко комбинироваться последовательно и параллельно.

II. Основные технологические особенности и основные области применения в промышленности

ACRL (Резонансная система с регулируемой индуктивностью на частоте сети 50 Гц)

Основные преимущества: истинное испытательное напряжение промышленной частоты 50 Гц, низкий уровень электромагнитных помех, встроенная поддержка высокоточной синхронной детекции частичных разрядов (ЧР), а также условия испытаний, полностью соответствующие требованиям стандартов IEC и GB по промышленной частоте для испытаний типов кабелей.

Основное использование:

1. Типовые испытания и предварительные квалификационные испытания для производителей кабельной продукции. Типовые испытания новых высоковольтных/сверхвысоковольтных кабелей из сшитого полиэтилена (XLPE) проводятся в процессе разработки продукции и внесения изменений в технологические процессы. Стандарт требует использования выдерживаемого напряжения переменного тока частотой 50 Гц. ACRL позволяет воспроизвести условия электрической нагрузки на кабель в реальных условиях эксплуатации и используется для проверки долговременной изоляционной способности корпуса кабеля, промежуточных соединений и клемм. Это предпочтительное оборудование для типовых испытаний кабелей.
2. Лабораторные анализы проб и научные исследования. Сторонние лаборатории высоковольтных испытаний и испытательные залы высоковольтных установок кабельных заводов проводят испытания на выдерживаемое напряжение промышленной частоты и частичные разряды на готовых образцах кабелей. Во время испытаний на выдерживаемое напряжение регистрируются сигналы частичных разрядов для выявления мельчайших воздушных зазоров и примесей внутри изоляции.
3. Испытание на выдерживаемое напряжение промышленной частоты для обмоток статора генераторов и крупных электродвигателей. Стандарт проектирования изоляции для крупных вращающихся двигателей — частота сети 50 Гц, что требует использования выдерживаемого напряжения переменного тока реальной частоты. ACRL может обеспечить оценку изоляции такого оборудования, а также провести диагностику частичных разрядов.
4. Для специальных проектов с обязательными требованиями к частоте электросети для проведения испытаний. В некоторых зарубежных проектах и ​​высокотехнологичных контрактах в области энергетики прямо указано, что испытательное напряжение должно соответствовать частоте сети 45-55 Гц. В таких случаях системе ACRL следует отдавать приоритет.

Ограничения: Регулируемые реакторы громоздки и тяжелы, что затрудняет их транспортировку на месте; диапазон регулировки индуктивности ограничен, и один комплект оборудования может адаптироваться только к узкому диапазону емкостей кабелей. При работе с кабелями очень большой длины необходимо заменять реакторный модуль; он не подходит для крупномасштабных испытаний при передаче объекта на строительных площадках.

ACRF (Регулируемая резонансная система, 20-300 Гц)

Основные преимущества: модульная конструкция, регулируемый вес оборудования, возможность охвата очень широкого диапазона емкости кабелей, адаптация к кабельным линиям различной длины; низкие требования к мощности электропитания на месте установки, требуется только обеспечение потерь активной мощности цепи, простота развертывания на объекте, что делает его основным оборудованием в отечественных электросетях. В соответствии со стандартами GB 50150 2016, DL/T 474.4 2018 и IEC 60840, испытание на выдерживаемое переменное напряжение в диапазоне частот 20-300 Гц может использоваться для приемочных испытаний кабелей XLPE на месте установки, обладая хорошей эквивалентностью результатов испытаний.

Основное использование:

1. Испытание на выдерживаемое напряжение при передаче объекта для вновь построенных высоковольтных кабельных линий. Окончательная приемочная проверка, проводимая после завершения прокладки кабелей городской распределительной сети 10 кВ и 220 кВ, а также кабелей передачи электроэнергии, предназначена для выявления повреждений корпуса кабеля и дефектов в процессе монтажа соединений. Это наиболее широко используемое испытательное оборудование на отечественных электростроительных площадках.
2. Испытание на выдерживаемое напряжение на месте эксплуатации емкостного высоковольтного оборудования, такого как КРУЭ и распределительные устройства. : Проведение на месте испытаний на выдерживаемое переменное напряжение подстанции, КРУЭ, измерительных трансформаторов и высоковольтное распределительное устройствоиспользуя превосходные фильтрующие характеристики резонансных контуров для получения синусоидального тестового напряжения.
3. Профилактическое испытание на выдерживаемое напряжение во время эксплуатации и технического обслуживания. : проверка изоляции после капитального ремонта и реконструкции кабельных линий; применимо для кабелей большой протяженности и коротких участков подводных и наземных кабелей при испытании на выдерживаемое напряжение в полевых условиях.
4. В ситуациях, когда электроснабжение ограничено на объектах или строительных площадках. На строительных площадках часто используются только обычные заводские источники питания. Системы ACRF имеют низкое энергопотребление, не требуют мощных испытательных трансформаторов и позволяют быстро создавать испытательные цепи.

Ограничения: рабочая частота отклоняется от 50 Гц; преобразователь частоты имеет встроенные электромагнитные помехи, что затрудняет высокоточное измерение частичных разрядов в естественных условиях. Если требуется обнаружение частичных разрядов, необходимо добавить дополнительный сложный блок фильтрации и шумоподавления; при использовании длинных кабелей резонансная частота может упасть до диапазона 20-30 Гц.

III. Обзор ACRL и его основных областей применения

IV. Рекомендации по выбору отрасли и текущее состояние развития.

С точки зрения практического применения в отечественной энергетической отрасли: резонансные системы с переменной частотой ACRF занимают абсолютно основное место в приемочных испытаниях на местах , удовлетворяя требованиям к выдерживаемому напряжению большинства вновь построенных кабелей после завершения строительства; в то время как резонансные системы с регулируемой индуктивностью ACRL на частоте 50 Гц в основном используются в лабораторных условиях, и лишь в редких случаях их применения на местах.

1. До типовые испытания, заводские испытания на выдерживаемое напряжение при частичном разряде, а также обязательные требования к частоте электросети. В рамках контрактов системе ACRL следует отдавать приоритет, чтобы гарантировать полное соответствие испытательной нагрузки фактической эксплуатации.
2. Для строительных площадок, передачи кабеля после завершения работ, испытаний КРУЭ на выдерживаемое напряжение, а также для площадок с плохим электроснабжением. Приоритет следует отдавать системам резонансного преобразования частоты ACRF. Эти системы соответствуют требованиям национального стандарта для испытаний в диапазоне 20-300 Гц, обеспечивая при этом баланс между эффективностью и портативностью оборудования.
3. Если на объекте требуется как испытание на выдерживаемое напряжение, так и одновременная диагностика частичных разрядов, при выборе оборудования ACRF необходимо установить специальный фильтр для подавления электромагнитных помех от источника питания частотного преобразователя. При наличии соответствующих условий образцы следует отправлять в лабораторию для проведения испытаний на частичные разряды с использованием ACRL.

V. Краткий обзор отрасли

Резонансные методы испытаний серий ACRL и ACRF не взаимозаменяемы, а дополняют друг друга в лабораторных и полевых условиях . Серия ACRL ориентирована на испытания в условиях реальной промышленной частоты 50 Гц, соответствующих энергосистеме, и предназначена для НИОКР, сертификации и диагностических испытаний; серия ACRF отдает приоритет адаптации к полевым условиям и широкому диапазону измерений, что позволяет проводить многочисленные инженерные приемочные и приемочные испытания. Специалистам по испытаниям необходимо рационально выбирать систему испытаний, исходя из целей испытаний, стандартных положений и требований контракта, чтобы обеспечить точность и достоверность результатов испытаний изоляции высоковольтных кабелей, создавая надежную основу для безопасной эксплуатации энергосистемы.