Avaliação da capacidade de resistência de tensão do isolamento de equipamentos elétricos.

Um meio técnico para testar e avaliar a capacidade de tensão suportável do isolamento de equipamentos elétricos. Estruturas de isolamento precisam ser usadas para isolar as partes energizadas de todos os equipamentos elétricos das partes aterradas, ou de outros corpos energizados não equipotenciais, para garantir o funcionamento normal do equipamento. A rigidez dielétrica de um único material isolante é expressa como a intensidade média do campo elétrico de ruptura ao longo da espessura (a unidade é kV/cm). A estrutura de isolamento de equipamentos elétricos, como o isolamento de geradores e transformadores, é composta por uma variedade de materiais, e a forma estrutural também é extremamente complexa. Qualquer dano local à estrutura de isolamento fará com que todo o equipamento perca seu desempenho de isolamento. Portanto, a capacidade geral de isolamento do equipamento geralmente só pode ser expressa pela tensão de teste (unidade: kV) que ele pode suportar. A tensão de teste de resistência de isolamento pode indicar o nível de tensão que o equipamento pode suportar, mas não é equivalente à resistência real do isolamento do equipamento. O requisito específico para a coordenação do isolamento do sistema de energia é coordenar e formular a tensão de teste de resistência do isolamento de vários equipamentos elétricos para indicar os requisitos de nível de isolamento do equipamento. O teste de tensão suportável de isolamento é um teste destrutivo (ver teste de isolamento). Portanto, para alguns equipamentos importantes em operação que não possuem peças sobressalentes ou que precisam de muito tempo para reparos, você deve considerar cuidadosamente se deve realizar o teste de tensão suportável do isolamento.

Quando diversos equipamentos elétricos do sistema de potência estão em funcionamento, além de suportarem tensões de trabalho CA ou CC, eles também sofrerão diversas sobretensões. Essas sobretensões não são apenas de alta amplitude, mas também possuem formas de onda e durações muito diferentes da tensão de trabalho. Os seus efeitos no isolamento e os mecanismos que podem causar a ruptura do isolamento também são diferentes. Portanto, é necessário usar a tensão de teste correspondente para realizar o teste de tensão suportável de equipamentos elétricos. Os testes de tensão suportável de isolamento especificados nos padrões chineses para sistemas de energia CA incluem: ① teste de tensão suportável de frequência de energia de curta duração (1 minuto); ② teste de tensão suportável de frequência de energia de longo prazo; ③ Teste de tensão suportável DC; ④ teste de tensão suportável à onda de choque operacional; ⑤Teste de tensão resistente a ondas de choque relâmpago. Ele também estipula que o desempenho de isolamento de equipamentos elétricos de 3 a 220kv sob tensão operacional de frequência de energia, sobretensão temporária e sobretensão operacional é geralmente testado por um teste de tensão suportável de frequência de energia de curto prazo, e o teste de impacto operacional não é necessário. Para equipamentos elétricos de 330 a 500kv, o teste de impacto operacional é necessário para verificar o desempenho do isolamento sob sobretensão operacional. O teste de tensão suportável de frequência de energia de longo prazo é um teste conduzido para a condição de degradação do isolamento interno e contaminação do isolamento externo de equipamentos elétricos.

Os padrões de teste de tensão suportável de isolamento possuem regulamentações específicas em cada país. Os padrões chineses (GB311.1-83) estipulam o nível de isolamento básico de equipamentos de transmissão e transformação de energia de 3-500kv; Equipamento de transmissão e transformação de energia de 3-500kv tensão suportável de impulso relâmpago, tensão suportável de frequência de energia de um minuto; e equipamentos de transmissão e transformação de energia de 330-500kv Tensão suportável de impulso para operação de equipamentos elétricos. O departamento de fabricação de equipamentos elétricos e o departamento de operação do sistema de energia devem cumprir os padrões ao selecionar os itens e testar os valores de tensão para o teste de tensão suportável.

Teste de tensão suportável de frequência de energia

Usado para testar e avaliar a capacidade do isolamento de equipamentos elétricos de suportar tensão de frequência de energia. A tensão de teste deve ser senoidal e a frequência deve ser igual à frequência do sistema de potência. Geralmente é especificado que um teste de tensão suportável de um minuto é usado para testar a capacidade de resistência de tensão de curto prazo do isolamento, e um teste de tensão suportável de longo prazo é usado para testar a deterioração progressiva dentro do isolamento, como descarga parcial danos, perda dielétrica e danos térmicos causados ​​por corrente de fuga. O isolamento externo de equipamentos de energia externos é afetado por fatores ambientais atmosféricos. Além do teste de tensão suportável à frequência de energia em um estado de superfície seca, também é necessário um teste de tensão suportável em um ambiente atmosférico simulado artificialmente (como um estado úmido ou sujo).

A tensão senoidal CA pode ser expressa em termos de valor de pico ou valor efetivo. A relação entre o valor de pico e o valor efetivo é a raiz quadrada de dois. A forma de onda e a frequência da tensão de teste realmente aplicada durante o teste irão inevitavelmente desviar-se dos regulamentos padrão. Os padrões chineses (GB311.3-83) estipulam que a faixa de frequência da tensão de teste deve ser de 45 a 55 Hz, e a forma de onda da tensão de teste deve estar próxima de uma onda senoidal. As condições são que as meias ondas positivas e negativas sejam exatamente as mesmas, e o valor de pico e o valor efetivo sejam os mesmos. A proporção é igual a ±0,07. Geralmente, o chamado valor da tensão de teste refere-se ao valor efetivo, que é dividido pelo seu valor de pico.

A fonte de alimentação utilizada para o teste consiste em um transformador de teste de alta tensão e um dispositivo regulador de tensão. O princípio do transformador de teste é o mesmo do transformador de potência geral. Sua tensão nominal de saída deve atender aos requisitos de teste e deixar espaço para margem de manobra; a tensão de saída do transformador de teste deve ser estável o suficiente para não causar alterações na saída devido à queda de tensão da corrente de pré-descarga na resistência interna da fonte de alimentação. A tensão flutua significativamente para evitar dificuldades de medição ou mesmo afetar o processo de descarga. Portanto, a fonte de alimentação de teste deve ter capacidade suficiente e a impedância interna deve ser a menor possível. Geralmente, os requisitos para a capacidade do transformador de teste são determinados pela quantidade de corrente de curto-circuito que ele pode produzir sob a tensão de teste. Por exemplo, para o teste de pequenas amostras de isolamento sólido, líquido ou combinado no estado seco, a corrente de curto-circuito do equipamento deve ser de 0,1A; para o teste de isolamento auto-restaurador (isoladores, chaves seccionadoras, etc.) no estado seco, a corrente de curto-circuito do equipamento é necessária não inferior a 0,1A; para testes de chuva artificial de isolamento externo, a corrente de curto-circuito do equipamento não deve ser inferior a 0,5A; para ensaios de corpos de prova com dimensões maiores, a corrente de curto-circuito do equipamento deverá ser de 1A. De modo geral, os transformadores de teste com tensões nominais mais baixas adotam principalmente o sistema 0,1A, que permite que 0,1A flua continuamente através da bobina de alta tensão do transformador. Por exemplo, a capacidade de um transformador de teste de 50kV é definida como 5kVA e a capacidade de um transformador de teste de 100kV é 10kVA. Transformadores de teste com tensões nominais mais altas geralmente adotam o sistema 1A, que permite que 1A flua continuamente através da bobina de alta tensão do transformador. Por exemplo, a capacidade do transformador de teste de 250kV é 250kVA e a capacidade do transformador de teste de 500kV é 500kVA. Devido às dimensões gerais do equipamento de teste de tensão mais alta, maior, a capacitância equivalente do equipamento também é maior e a fonte de alimentação de teste precisa fornecer mais corrente de carga. A tensão nominal de um único transformador de teste é muito alta, o que causará algumas dificuldades técnicas e econômicas durante a fabricação. A tensão mais alta de um único transformador de teste na China é 750kV, e há muito poucos transformadores de teste único no mundo com tensão superior a 750kV. A fim de atender às necessidades de teste de tensão CA de equipamentos de energia de ultra-alta e ultra-alta tensão, vários transformadores de teste são geralmente conectados em série para obter alta tensão. Por exemplo, três transformadores de teste de 750kV são conectados em série para obter uma tensão de teste de 2250kV. Isso é chamado de transformador de teste em série. Quando os transformadores são conectados em série, a impedância interna aumenta muito rapidamente e excede em muito a soma algébrica das impedâncias de vários transformadores. Portanto, o número de transformadores conectados em série é frequentemente limitado a 3. Os transformadores de teste também podem ser conectados em paralelo para aumentar a corrente de saída ou conectados em formato △ ou Y para operação trifásica.

Para realizar testes de tensão suportável à frequência de energia em amostras com grande capacitância eletrostática, como capacitores, cabos e geradores de grande capacidade, o dispositivo de fonte de alimentação deve ser de alta tensão e de grande capacidade. Haverá dificuldades na realização deste tipo de dispositivo de alimentação. Alguns departamentos adotaram equipamentos de teste de ressonância em série de alta tensão e frequência de energia (consulte Equipamento de teste de ressonância em série de alta tensão CA).

Teste de tensão suportável ao impulso relâmpago

A capacidade do isolamento do equipamento elétrico de suportar a tensão de impulso do raio é testada simulando artificialmente as formas de onda e os valores de pico da corrente do raio. De acordo com os resultados reais da medição da descarga atmosférica, acredita-se que a forma de onda do raio é uma curva unipolar biexponencial com uma cabeça de onda com vários microssegundos de duração e uma cauda de onda com dezenas de microssegundos de duração. A maioria dos relâmpagos tem polaridade negativa. Os padrões de vários países ao redor do mundo calibraram a onda de choque relâmpago padrão como: tempo aparente de frente de onda T1 = 1,2μs, também conhecido como tempo de cabeça de onda; tempo de pico aparente de meia onda T2=50μs, também conhecido como tempo de cauda da onda (ver figura). O desvio permitido entre o valor de pico de tensão e a forma de onda gerada pelo dispositivo de teste real e a onda padrão é: valor de pico, ±3%; tempo de cabeça de onda, ±30%; tempo de pico de meia onda, ±20%; a forma de onda padrão do relâmpago é geralmente expressa como 1,2 /50μs.

A tensão de teste de impulso relâmpago é gerada por um gerador de tensão de impulso. A transformação dos múltiplos capacitores do gerador de tensão de impulso de paralelo para série é conseguida através de muitas lacunas de esfera de ignição, ou seja, múltiplos capacitores são conectados em série quando as lacunas de esfera de ignição são controladas para descarregar. A velocidade de aumento de tensão no dispositivo em teste e a velocidade de queda de tensão após o valor de pico podem ser ajustadas pelo valor da resistência no circuito do capacitor. A resistência que afeta a cabeça da onda é chamada de resistência da cabeça da onda, e a resistência que afeta a cauda da onda é chamada de resistência da cauda da onda. Durante o teste, o tempo de cabeça de onda predeterminado e o tempo de pico de meia onda da onda de tensão de impulso padrão são obtidos alterando os valores de resistência do resistor de cabeça de onda e do resistor de cauda de onda. Ao alterar a polaridade e a amplitude da tensão de saída da fonte de alimentação retificada, a polaridade necessária e o valor de pico da onda de tensão de impulso podem ser obtidos. A partir disso, podem ser realizados geradores de tensão de impulso que variam de centenas de milhares de volts a vários milhões de volts ou mesmo dezenas de milhões de volts. A tensão mais alta do gerador de tensão de impulso projetado e instalado pela China é de 6.000kV.

Teste de tensão de impulso relâmpago

O conteúdo inclui 4 itens. ①Teste de tensão suportável ao impacto: Geralmente é usado para isolamento não auto-restaurador, como isolamento de transformadores, reatores, etc. O objetivo é testar se esses dispositivos podem suportar a tensão especificada pelo grau de isolamento. ② Teste de flashover de impacto de 50%: Normalmente, isolamentos auto-restauradores, como isoladores, entreferros, etc., são usados ​​como objetos. O objetivo é determinar o valor da tensão U com probabilidade de descarga de 50%. Com o desvio padrão entre este valor de tensão e o valor de descarga elétrica, outras probabilidades de descarga elétrica também podem ser determinadas, como um valor de tensão de descarga elétrica de 5%. U é geralmente considerado como a tensão suportável. ③Teste de ruptura: O objetivo é determinar a resistência real do isolamento. Realizado principalmente em fábricas de equipamentos elétricos. ④Teste de curva tensão-tempo (teste de curva volt-segundo): A curva tensão-tempo mostra a relação entre a tensão aplicada ao dano ao isolamento (ou flashover do isolamento de porcelana) e o tempo. A curva volt-segundo (curva V-t) pode fornecer uma base para considerar a coordenação de isolamento entre equipamentos protegidos, como transformadores, e equipamentos de proteção, como pára-raios.

Além de testar com onda completa de impulsos de raio, às vezes equipamentos elétricos com enrolamentos, como transformadores e reatores, também precisam ser testados com ondas truncadas com tempo de truncamento de 2 a 5 μs. O truncamento pode ocorrer no início ou no final da onda. A geração e medição desta onda truncada e a determinação do grau de dano causado ao equipamento são relativamente complexas e difíceis. Devido ao seu processo rápido e alta amplitude, o teste de tensão de impulso atmosférico possui elevados requisitos técnicos para teste e medição. Procedimentos, métodos e padrões de teste detalhados são frequentemente estipulados para referência e implementação durante a realização de testes.

Teste de sobretensão de impulso de operação

Ao simular artificialmente a forma de onda de sobretensão de impulso de operação do sistema de energia, é testada a capacidade do isolamento do equipamento elétrico de suportar a tensão de impulso de operação. Existem muitos tipos de formas de onda e picos de sobretensão operacional em sistemas de energia, que estão relacionados aos parâmetros da linha e ao status do sistema. Geralmente, é uma onda de oscilação atenuada com frequência variando de dezenas de Hz a vários quilohertz. Sua amplitude está relacionada à tensão do sistema, que geralmente é expressa como várias vezes a tensão de fase, até 3 a 4 vezes a tensão de fase. As ondas de choque de operação duram mais do que as ondas de choque relâmpago e têm efeitos diferentes no isolamento do sistema de energia. Para sistemas de energia de 220kV e abaixo, testes de tensão suportável de frequência de energia de curta duração podem ser usados ​​para testar aproximadamente a condição do isolamento do equipamento sob sobretensão operacional. Para sistemas e equipamentos de ultra-alta tensão e ultra-alta tensão de 330kV e acima, a sobretensão operacional tem um impacto maior no isolamento, e testes de tensão de frequência de energia de curto prazo não podem mais ser usados ​​para substituir aproximadamente os testes de tensão de impulso operacional. Pode-se observar pelos dados de teste que para entreferros acima de 2m, a não linearidade da tensão de descarga operacional é significativa, ou seja, a tensão suportável aumenta lentamente quando a distância do entreferro aumenta, e é ainda menor que a frequência de energia de curto prazo tensão de descarga. Portanto, o isolamento deve ser testado simulando a tensão de impulso operacional.

Para intervalos longos, isoladores e isolamento externo de equipamentos, existem duas formas de onda de tensão de teste para simular sobretensão operacional. ① Onda de decaimento exponencial não periódica: semelhante à onda de choque relâmpago, exceto que o tempo de cabeça da onda e o tempo de meio pico são muito maiores que o comprimento de onda do choque relâmpago. A Comissão Eletrotécnica Internacional recomenda que a forma de onda padrão da tensão de impulso operacional seja 250/2500μs; quando a forma de onda padrão não pode atender aos requisitos de pesquisa, 100/2500μs e 500/2500μs podem ser usados. Ondas de decaimento exponencial não periódicas também podem ser geradas por geradores de tensão de impulso. O princípio de geração de ondas de choque relâmpago é basicamente o mesmo, exceto que a resistência da cabeça da onda, a resistência da cauda da onda e a resistência de carga devem ser aumentadas muitas vezes. Um conjunto de geradores de tensão de impulso é comumente utilizado em laboratórios de alta tensão, equipados com dois conjuntos de resistores, tanto para geração de tensão de impulso atmosférico quanto para geração de tensão de impulso operacional. De acordo com os regulamentos, o desvio permitido entre a forma de onda da tensão de impulso operacional gerada e a forma de onda padrão é: valor de pico, ±3%; cabeça de onda, ±20%; tempo de meio pico, ±60%. ② Onda de oscilação atenuada: A duração da meia onda 01 deve ser de 2.000 ~ 3.000 μs, e a amplitude da meia onda 02 deve atingir aproximadamente 80% da amplitude da meia onda 01. A onda de oscilação atenuada é induzida no lado de alta tensão usando um capacitor para descarregar o lado de baixa tensão do transformador de teste. Este método é usado principalmente em testes de ondas operacionais de transformadores de potência no local em subestações, usando o próprio transformador testado para gerar formas de onda de teste para testar sua própria capacidade de resistência à tensão.

O conteúdo do teste de sobretensão do impulso operacional inclui 5 itens: ① teste de tensão suportável do impulso operacional; ② Teste de flashover de impulso operacional de 50%; ③ teste de avaria; ④ teste de curva de tempo de tensão (teste de curva volt-segundo); ⑤ teste de curva de cabeça de onda de tensão de impulso operacional. Os primeiros quatro testes são iguais aos requisitos de teste correspondentes no teste de tensão de impulso atmosférico. O teste nº 5 é necessário para características de descarga de choque operacional porque a tensão de descarga de um entreferro longo sob a ação de ondas de choque operacionais mudará com a cabeça da onda de choque. Em um determinado comprimento de cabeça de onda, como 150 μs, a tensão de descarga é baixa e essa cabeça de onda é chamada de cabeça de onda crítica. O comprimento crítico da onda aumenta ligeiramente com o comprimento do intervalo.

Teste de tensão suportável DC

Use energia CC para testar o desempenho de isolamento de equipamentos elétricos. O objetivo é: ① determinar a capacidade do equipamento elétrico de alta tensão CC de suportar tensão CC; ② devido à limitação da capacidade da fonte de alimentação de teste CA, use alta tensão CC em vez de alta tensão CA para realizar testes de resistência de tensão em equipamentos CA de grande capacitância.

A tensão de teste CC é geralmente gerada pela fonte de alimentação CA através de um dispositivo retificador e é, na verdade, uma tensão pulsante unipolar. Existe um valor máximo de tensão U no pico da onda e um valor mínimo de tensão U no vale da onda. O chamado valor da tensão de teste DC refere-se ao valor médio aritmético desta tensão pulsante, ou seja, obviamente não queremos que a pulsação seja muito grande, então o coeficiente de pulsação S da tensão de teste DC é estipulado para não exceder 3 %, ou seja, a tensão DC é dividida em polaridades positiva e negativa. Diferentes polaridades têm diferentes mecanismos de ação em vários isolamentos. Uma polaridade deve ser especificada no teste. Geralmente, uma polaridade que testa severamente o desempenho do isolamento é usada para o teste.

Normalmente, um circuito retificador de meia onda ou onda completa de estágio único é usado para gerar alta tensão CC. Devido à limitação da tensão nominal do capacitor e da pilha de silício de alta tensão, este circuito geralmente pode produzir 200 ~ 300kV. Se for necessária uma tensão CC mais alta, o método em cascata pode ser usado. A tensão de saída do gerador de tensão CC em cascata pode ser 2n vezes a tensão de pico do transformador de potência, onde n representa o número de conexões em série. A queda de tensão e o valor de ondulação da tensão de saída deste dispositivo são funções do número de séries, da corrente de carga e da frequência da rede CA. Se houver muitas séries e a corrente for muito grande, a queda de tensão e a pulsação atingirão níveis intoleráveis. Este dispositivo gerador de tensão CC em cascata pode produzir uma tensão de cerca de 2.000-3.000kV e uma corrente de saída de apenas dezenas de miliamperes. Ao fazer testes em ambiente artificial, a corrente de pré-descarga pode atingir várias centenas de miliamperes, ou até 1 ampere. Neste momento, um dispositivo de estabilização de tensão tiristor deve ser adicionado para melhorar a qualidade da tensão de saída. É necessário que quando a duração for 500ms e a amplitude for 500mA. Quando o pulso de corrente de pré-descarga flui uma vez por segundo, a queda de tensão causada não excede 5%.

No teste preventivo de isolamento de equipamentos do sistema de energia (ver teste de isolamento), a alta tensão CC é frequentemente usada para medir a corrente de fuga e a resistência de isolamento de cabos, capacitores, etc., e o teste de tensão suportável de isolamento também é realizado. Testes mostraram que quando a frequência está na faixa de 0,1 a 50 Hz, a distribuição de tensão dentro do meio multicamadas é basicamente distribuída de acordo com a capacitância. Portanto, o teste de tensão suportável usando frequência ultrabaixa de 0,1 Hz pode ser equivalente ao teste de tensão suportável de frequência de energia, o que evita o uso de grande tensão suportável de tensão. A dificuldade de capacidade do equipamento de teste de tensão suportável CA também pode refletir a condição de isolamento do equipamento em teste. Atualmente, os testes de tensão suportável de frequência ultrabaixa são realizados no isolamento final dos motores, que são considerados mais eficazes do que os testes de tensão suportável de frequência de potência.

Weshine Fabricação Elétrica Co., Ltd.