Valutazione della capacità di tenuta alla tensione degli isolamenti di apparecchiature elettriche.

Un mezzo tecnico per testare e valutare la capacità di resistenza alla tensione di isolamento delle apparecchiature elettriche. È necessario utilizzare strutture isolanti per isolare le parti attive di tutte le apparecchiature elettriche dalle parti messe a terra, o da altri corpi attivi non equipotenziali, per garantire il normale funzionamento delle apparecchiature. La rigidità dielettrica di un singolo materiale isolante è espressa come intensità media del campo elettrico di rottura lungo lo spessore (l'unità è kV/cm). La struttura isolante delle apparecchiature elettriche, come l'isolamento di generatori e trasformatori, è composta da una varietà di materiali e anche la forma strutturale è estremamente complessa. Qualsiasi danno locale alla struttura isolante causerà la perdita delle prestazioni di isolamento dell'intera apparecchiatura. Pertanto, la capacità di isolamento complessiva dell'apparecchiatura può generalmente essere espressa solo dalla tensione di prova (unità: kV) che può sopportare. La tensione di prova di resistenza dell'isolamento può indicare il livello di tensione che l'apparecchiatura può sopportare, ma non è equivalente all'effettiva resistenza dell'isolamento dell'apparecchiatura. Il requisito specifico per il coordinamento dell'isolamento del sistema di alimentazione è quello di coordinare e formulare la tensione di prova di resistenza all'isolamento di varie apparecchiature elettriche per indicare i requisiti del livello di isolamento dell'apparecchiatura. La prova di tenuta alla tensione di isolamento è una prova distruttiva (vedi prova di isolamento). Pertanto, per alcune apparecchiature chiave in funzione che mancano di pezzi di ricambio o necessitano di molto tempo per la riparazione, è necessario valutare attentamente se condurre il test di resistenza alla tensione di isolamento.

Quando varie apparecchiature elettriche nel sistema di alimentazione sono in funzione, oltre a resistere alla tensione di lavoro CA o CC, subiranno anche varie sovratensioni. Queste sovratensioni non solo sono di ampiezza elevata, ma hanno anche forme d'onda e durate molto diverse dalla tensione di lavoro. Anche i loro effetti sull’isolamento e i meccanismi che possono causare la rottura dell’isolamento sono diversi. Pertanto, è necessario utilizzare la tensione di prova corrispondente per condurre la prova di tensione di tenuta delle apparecchiature elettriche. I test di tenuta alla tensione di isolamento specificati negli standard cinesi per i sistemi di alimentazione CA includono: ① test di tenuta alla tensione di breve durata (1 minuto) a frequenza industriale; ② test di tensione di resistenza alla frequenza industriale a lungo termine; ③ Test di tensione di tenuta CC; ④ test di tensione di resistenza alle onde d'urto operative; ⑤Test di tensione di resistenza alle onde d'urto del fulmine. Stabilisce inoltre che le prestazioni di isolamento delle apparecchiature elettriche da 3 a 220 kV con tensione operativa a frequenza industriale, sovratensione temporanea e sovratensione operativa sono generalmente testate mediante un test di tensione di tenuta a frequenza industriale di breve durata e non è richiesto il test di impatto operativo. Per le apparecchiature elettriche da 330 a 500 kv, è richiesto il test di impatto operativo per verificare le prestazioni di isolamento in caso di sovratensione operativa. Il test di resistenza alla tensione a frequenza industriale a lungo termine è un test condotto per verificare la condizione di degrado dell'isolamento interno e di contaminazione dell'isolamento esterno delle apparecchiature elettriche.

Gli standard di prova della tensione di resistenza all'isolamento hanno normative specifiche in ciascun paese. Gli standard cinesi (GB311.1-83) stabiliscono il livello di isolamento di base delle apparecchiature di trasmissione e trasformazione di potenza 3-500 kv; 3-500 kv di trasmissione di potenza e apparecchiature di trasformazione tensione di resistenza all'impulso di fulmine, tensione di resistenza alla frequenza industriale di un minuto; e apparecchiature di trasmissione e trasformazione di potenza 330-500 kv. Tensione di tenuta a impulso per il funzionamento delle apparecchiature elettriche. Il reparto di produzione delle apparecchiature elettriche e il reparto operativo del sistema di alimentazione devono rispettare gli standard nella selezione degli articoli e nel testare i valori di tensione per il test di tensione di tenuta.

Prova di tensione di tenuta a frequenza industriale

Utilizzato per testare e valutare la capacità dell'isolamento delle apparecchiature elettriche di resistere alla tensione a frequenza industriale. La tensione di prova dovrebbe essere sinusoidale e la frequenza dovrebbe essere la stessa della frequenza del sistema di alimentazione. Di solito viene specificato che viene utilizzata una prova di tensione di tenuta di un minuto per testare la capacità di tenuta di tensione a breve termine dell'isolamento e una prova di tensione di tenuta a lungo termine viene utilizzata per testare il progressivo deterioramento all'interno dell'isolamento, come una scarica parziale danni, perdite dielettriche e danni termici causati dalla corrente di dispersione. L'isolamento esterno delle apparecchiature elettriche esterne è influenzato da fattori ambientali atmosferici. Oltre alla prova di tenuta alla tensione di frequenza industriale in uno stato di superficie asciutta, è richiesta anche una prova di tenuta alla tensione in un ambiente atmosferico simulato artificialmente (come uno stato umido o sporco).

La tensione sinusoidale CA può essere espressa in termini di valore di picco o valore efficace. Il rapporto tra il valore di picco e il valore effettivo è la radice quadrata due. La forma d'onda e la frequenza della tensione di prova effettivamente applicata durante il test si discosteranno inevitabilmente dalle normative standard. Gli standard cinesi (GB311.3-83) stabiliscono che l'intervallo di frequenza della tensione di prova dovrebbe essere compreso tra 45 e 55 Hz e la forma d'onda della tensione di prova dovrebbe essere vicina a un'onda sinusoidale. Le condizioni sono che le semionde positive e negative siano esattamente le stesse e che il valore di picco e il valore effettivo siano gli stessi. Il rapporto è pari a ±0,07. Generalmente il cosiddetto valore della tensione di prova si riferisce al valore effettivo, che viene diviso per il suo valore di picco.

L'alimentatore utilizzato per il test è costituito da un trasformatore di prova ad alta tensione e da un dispositivo di regolazione della tensione. Il principio del trasformatore di prova è lo stesso del trasformatore di potenza generale. La sua tensione di uscita nominale dovrebbe soddisfare i requisiti del test e lasciare spazio a un margine di manovra; la tensione di uscita del trasformatore di prova deve essere sufficientemente stabile da non causare variazioni di uscita a causa della caduta di tensione della corrente di prescarica sulla resistenza interna dell'alimentatore. La tensione fluttua in modo significativo per evitare difficoltà di misurazione o addirittura influenzare il processo di scarica. Pertanto, l'alimentatore di prova deve avere una capacità sufficiente e l'impedenza interna deve essere la più piccola possibile. Generalmente, i requisiti per la capacità del trasformatore di prova sono determinati dalla quantità di corrente di cortocircuito che può emettere sotto la tensione di prova. Ad esempio, per testare piccoli campioni di isolamento solido, liquido o combinato allo stato secco, la corrente di cortocircuito dell'apparecchiatura deve essere 0,1 A; per la prova degli isolamenti autoripristinanti (isolatori, sezionatori, ecc.) allo stato secco, è richiesta una corrente di cortocircuito dell'apparecchiatura Non inferiore a 0,1 A; per le prove di pioggia artificiale sull'isolamento esterno, la corrente di cortocircuito dell'apparecchiatura non deve essere inferiore a 0,5 A; per prove su provini di dimensioni maggiori la corrente di cortocircuito dell'apparecchiatura deve essere pari a 1A. In generale, i trasformatori di prova con tensioni nominali inferiori adottano per lo più il sistema 0,1 A, che consente a 0,1 A di fluire continuamente attraverso la bobina ad alta tensione del trasformatore. Ad esempio, la capacità di un trasformatore di prova da 50 kV è impostata su 5 kVA e la capacità di un trasformatore di prova da 100 kV è 10 kVA. I trasformatori di prova con tensioni nominali più elevate adottano solitamente il sistema 1A, che consente a 1A di fluire continuamente attraverso la bobina ad alta tensione del trasformatore. Ad esempio, la capacità del trasformatore di prova da 250 kV è 250 kVA e la capacità del trasformatore di prova da 500 kV è 500 kVA. A causa delle dimensioni complessive dell'apparecchiatura di prova a tensione più elevata, maggiore è anche la capacità equivalente dell'apparecchiatura e l'alimentatore di prova deve fornire una maggiore corrente di carico. La tensione nominale di un singolo trasformatore di prova è troppo elevata, il che causerà alcune difficoltà tecniche ed economiche durante la produzione. La tensione più alta di un singolo trasformatore di prova in Cina è 750 kV, e ci sono pochissimi trasformatori di prova singoli al mondo con una tensione superiore a 750 kV. Per soddisfare le esigenze di test della tensione CA di apparecchiature di potenza ad altissima e altissima tensione, diversi trasformatori di prova vengono solitamente collegati in serie per ottenere l'alta tensione. Ad esempio, tre trasformatori di prova da 750 kV sono collegati in serie per ottenere una tensione di prova di 2250 kV. Questo è chiamato trasformatore di prova in serie. Quando i trasformatori sono collegati in serie, l'impedenza interna aumenta molto rapidamente e supera di gran lunga la somma algebrica delle impedenze di più trasformatori. Pertanto, il numero di trasformatori collegati in serie è spesso limitato a 3. I trasformatori di prova possono anche essere collegati in parallelo per aumentare la corrente di uscita, oppure collegati a forma di △ o Y per il funzionamento trifase.

Per eseguire test di tensione di resistenza alla frequenza industriale su campioni con elevata capacità elettrostatica, come condensatori, cavi e generatori di grande capacità, il dispositivo di alimentazione deve essere sia ad alta tensione che di grande capacità. Ci saranno difficoltà nel realizzare questo tipo di dispositivo di alimentazione. Alcuni dipartimenti hanno adottato apparecchiature per test di risonanza in serie ad alta tensione a frequenza industriale (vedere Apparecchiature per test di risonanza in serie ad alta tensione CA).

Prova di tensione di tenuta ad impulso di fulmine

La capacità dell'isolamento delle apparecchiature elettriche di resistere alla tensione impulsiva del fulmine viene testata simulando artificialmente le forme d'onda della corrente di fulmine e i valori di picco. In base ai risultati effettivi della misurazione della scarica di fulmini, si ritiene che la forma d'onda del fulmine sia una curva biesponenziale unipolare con una testa d'onda lunga diversi microsecondi e una coda d'onda lunga decine di microsecondi. La maggior parte dei fulmini ha polarità negativa. Gli standard di vari paesi del mondo hanno calibrato l'onda d'urto standard del fulmine come: tempo apparente del fronte d'onda T1=1,2μs, noto anche come tempo della testa d'onda; tempo apparente di picco della semionda T2=50μs, noto anche come tempo di coda dell'onda (vedi figura). La deviazione consentita tra il valore di picco della tensione e la forma d'onda generata dal dispositivo di prova effettivo e l'onda standard è: valore di picco, ±3%; tempo della testa d'onda, ± 30%; tempo di picco della semionda, ±20%; la forma d'onda standard del fulmine è solitamente espressa come 1,2 /50μs.

La tensione di prova a impulso di fulmine viene generata da un generatore di tensione a impulso. La trasformazione di più condensatori del generatore di tensione a impulsi da parallelo a serie si ottiene attraverso molti traferri di accensione, ovvero più condensatori sono collegati in serie quando i traferri di accensione vengono controllati per scaricarsi. La velocità dell'aumento di tensione sul dispositivo in prova e la velocità della caduta di tensione dopo il valore di picco possono essere regolate dal valore di resistenza nel circuito del condensatore. La resistenza che colpisce la testa d'onda è chiamata resistenza della testa d'onda, mentre la resistenza che colpisce la coda d'onda è chiamata resistenza della coda d'onda. Durante il test, il tempo della testa d'onda predeterminato e il tempo di picco della semionda dell'onda di tensione impulsiva standard vengono ottenuti modificando i valori di resistenza del resistore di testa d'onda e del resistore di coda d'onda. Modificando la polarità e l'ampiezza della tensione di uscita dell'alimentatore raddrizzato, è possibile ottenere la polarità e il valore di picco richiesti dell'onda di tensione impulsiva. Da ciò si possono realizzare generatori di tensione impulsiva che vanno da centinaia di migliaia di volt a diversi milioni di volt o addirittura decine di milioni di volt. La tensione più alta del generatore di tensione a impulso progettato e installato dalla Cina è 6000 kV.

Prova di tensione ad impulso di fulmine

Il contenuto include 4 articoli. ①Test di tensione di resistenza agli urti: viene solitamente utilizzato per isolamenti non autoripristinanti, come l'isolamento di trasformatori, reattori, ecc. Lo scopo è verificare se questi dispositivi possono resistere alla tensione specificata dal grado di isolamento. ② Test di flashover da impatto al 50%: solitamente come oggetti vengono utilizzati isolamenti autoripristinanti come isolanti, traferri, ecc. Lo scopo è determinare il valore della tensione U con una probabilità di flashover del 50%. Con la deviazione standard tra questo valore di tensione e il valore di flashover è possibile determinare anche altre probabilità di flashover, ad esempio un valore di tensione di flashover del 5%. U è generalmente considerata la tensione di tenuta. ③Test di rottura: lo scopo è determinare la resistenza effettiva dell'isolamento. Eseguito principalmente in stabilimenti di produzione di apparecchiature elettriche. ④Test della curva tensione-tempo (test della curva volt-secondo): la curva tensione-tempo mostra la relazione tra la tensione applicata al danno all'isolamento (o al flashover dell'isolamento in porcellana) e il tempo. La curva volt-secondo (curva V-t) può fornire una base per considerare il coordinamento dell'isolamento tra apparecchiature protette come trasformatori e dispositivi di protezione come scaricatori.

Oltre al test con l'onda intera degli impulsi del fulmine, a volte è necessario testare anche le apparecchiature elettriche con avvolgimenti come trasformatori e reattori con onde troncate con un tempo di troncamento compreso tra 2 e 5 μs. Il troncamento può avvenire all'inizio o alla fine dell'onda. La generazione e la misurazione di quest'onda troncata e la determinazione dell'entità del danno causato all'apparecchiatura sono tutte relativamente complesse e difficili. Grazie al suo processo rapido e all'elevata ampiezza, il test della tensione impulsiva del fulmine presenta elevati requisiti tecnici per il test e la misurazione. Procedure, metodi e standard di prova dettagliati sono spesso previsti come riferimento e implementazione durante lo svolgimento dei test.

Prova di sovratensione impulsiva di funzionamento

Simulando artificialmente la forma d'onda della sovratensione impulsiva di funzionamento del sistema di alimentazione, viene testata la capacità dell'isolamento delle apparecchiature elettriche di resistere alla tensione impulsiva di funzionamento. Esistono molti tipi di forme d'onda e picchi di sovratensione operativa nei sistemi di alimentazione, che sono correlati ai parametri della linea e allo stato del sistema. Generalmente si tratta di un'onda di oscillazione attenuata con una frequenza che va da decine di Hz a diversi kilohertz. La sua ampiezza è correlata alla tensione del sistema, che solitamente è espressa come diverse volte la tensione di fase, fino a 3-4 volte la tensione di fase. Le onde d'urto di funzionamento durano più a lungo delle onde d'urto del fulmine e hanno effetti diversi sull'isolamento del sistema elettrico. Per i sistemi di alimentazione da 220 kV e inferiori, è possibile utilizzare test di breve durata della tensione di tenuta alla frequenza industriale per testare approssimativamente le condizioni dell'isolamento delle apparecchiature in caso di sovratensione operativa. Per i sistemi e le apparecchiature ad altissima e altissima tensione da 330 kV e superiori, la sovratensione operativa ha un impatto maggiore sull'isolamento e i test di tensione a frequenza industriale di breve durata non possono più essere utilizzati per sostituire approssimativamente i test di tensione a impulso operativo. Dai dati di test si può vedere che per traferri superiori a 2 m, la non linearità della tensione di scarica operativa è significativa, ovvero la tensione di tenuta aumenta lentamente quando aumenta la distanza del traferro ed è persino inferiore alla frequenza di alimentazione a breve termine tensione di scarica. Pertanto l'isolamento deve essere testato simulando la tensione impulsiva di funzionamento.

Per distanze lunghe, isolanti e isolamento esterno delle apparecchiature, sono disponibili due forme d'onda di tensione di prova per simulare la sovratensione operativa. ① Onda di decadimento esponenziale non periodica: simile all'onda d'urto del fulmine, tranne per il fatto che il tempo della testa dell'onda e il tempo di semipicco sono molto più lunghi della lunghezza d'onda dell'urto del fulmine. La Commissione Elettrotecnica Internazionale raccomanda che la forma d'onda standard della tensione dell'impulso operativo sia 250/2500μs; quando la forma d'onda standard non può soddisfare i requisiti di ricerca, è possibile utilizzare 100/2500μs e 500/2500μs. Onde di decadimento esponenziale non periodiche possono essere generate anche da generatori di tensione a impulsi. Il principio di generazione delle onde d'urto del fulmine è fondamentalmente lo stesso, tranne che la resistenza della testa d'onda, la resistenza della coda d'onda e la resistenza di carica devono essere aumentate molte volte. Nei laboratori ad alta tensione viene comunemente utilizzato un set di generatori di tensione a impulso, dotati di due set di resistori, sia per generare la tensione a impulso di fulmine che per generare la tensione a impulso di funzionamento. Secondo le normative, la deviazione consentita tra la forma d'onda della tensione dell'impulso operativo generato e la forma d'onda standard è: valore di picco, ±3%; testa d'onda, ±20%; tempo di metà picco, ±60%. ② Onda di oscillazione attenuata: la durata della semionda 01 deve essere 2000~3000μs e l'ampiezza della semionda 02 dovrebbe raggiungere circa l'80% dell'ampiezza della semionda 01. L'onda di oscillazione attenuata viene indotta sul lato ad alta tensione utilizzando un condensatore per scaricare il lato a bassa tensione del trasformatore di prova. Questo metodo viene utilizzato principalmente nei test delle onde operative dei trasformatori di potenza in loco nelle sottostazioni, utilizzando il trasformatore testato stesso per generare forme d'onda di prova per testare la propria capacità di resistenza alla tensione.

Il contenuto del test di sovratensione a impulso operativo comprende 5 elementi: ① test di tensione di tenuta a impulso operativo; ② Test di flashover dell'impulso operativo al 50%; ③ prova di guasto; ④ test della curva tempo-tensione (test della curva volt-secondo); ⑤ Test della curva della testa dell'onda di tensione dell'impulso operativo. Le prime quattro prove corrispondono ai corrispondenti requisiti di prova della prova della tensione impulsiva del fulmine. Il test n. 5 è necessario per le caratteristiche di scarica d'urto operativa poiché la tensione di scarica di un lungo traferro sotto l'azione delle onde d'urto operative cambierà con la testa dell'onda d'urto. Ad una certa lunghezza della testa d'onda, ad esempio 150μs, la tensione di scarica è bassa e questa testa d'onda è chiamata testa d'onda critica. La lunghezza d'onda critica aumenta leggermente con la lunghezza del gap.

Prova di tensione di tenuta CC

Utilizzare l'alimentazione CC per testare le prestazioni di isolamento delle apparecchiature elettriche. Lo scopo è: ① determinare la capacità delle apparecchiature elettriche CC ad alta tensione di resistere alla tensione CC; ② a causa della limitazione della capacità dell'alimentatore di prova CA, utilizzare l'alta tensione CC anziché l'alta tensione CA per condurre test di resistenza alla tensione su apparecchiature CA di grande capacità.

La tensione di prova CC è generalmente generata dall'alimentatore CA attraverso un dispositivo raddrizzatore ed è in realtà una tensione pulsante unipolare. C'è un valore massimo di tensione U al picco dell'onda e un valore minimo di tensione U alla valle dell'onda. Il cosiddetto valore della tensione di prova CC si riferisce al valore medio aritmetico di questa tensione pulsante, ovvero ovviamente non vogliamo che la pulsazione sia troppo grande, quindi il coefficiente di pulsazione S della tensione di prova CC non deve superare 3 %, ovvero la tensione CC è divisa in polarità positiva e negativa. Polarità diverse hanno meccanismi d'azione diversi su vari isolamenti. Nel test deve essere specificata una polarità. Generalmente, per il test viene utilizzata una polarità che mette a dura prova le prestazioni di isolamento.

Di solito, per generare un'elevata tensione CC viene utilizzato un circuito raddrizzatore a semionda o onda intera a stadio singolo. A causa della limitazione della tensione nominale del condensatore e dello stack di silicio ad alta tensione, questo circuito può generalmente emettere 200~300 kV. Se è necessaria una tensione CC più elevata, è possibile utilizzare il metodo a cascata. La tensione di uscita del generatore di tensione CC in cascata può essere 2n volte la tensione di picco del trasformatore di potenza, dove n rappresenta il numero di collegamenti in serie. La caduta di tensione e il valore di ondulazione della tensione di uscita di questo dispositivo dipendono dal numero di serie, dalla corrente di carico e dalla frequenza di rete CA. Se ci sono troppe serie e la corrente è troppo grande, la caduta di tensione e la pulsazione raggiungeranno livelli intollerabili. Questo dispositivo generatore di tensione CC a cascata può emettere una tensione di circa 2000-3000 kV e una corrente di uscita di sole decine di milliampere. Quando si eseguono test in ambienti artificiali, la corrente di prescarica può raggiungere diverse centinaia di milliampere o addirittura 1 amp. A questo punto, è necessario aggiungere un dispositivo di stabilizzazione della tensione a tiristore per migliorare la qualità della tensione di uscita. È necessario che quando la durata è 500 ms e l'ampiezza è 500 mA. Quando l'impulso di corrente di prescarica scorre una volta al secondo, la caduta di tensione causata non superi il 5%.

Nel test preventivo di isolamento delle apparecchiature del sistema di alimentazione (vedere test di isolamento), l'alta tensione CC viene spesso utilizzata per misurare la corrente di dispersione e la resistenza di isolamento di cavi, condensatori, ecc., e viene eseguito anche il test di tensione di tenuta dell'isolamento. I test hanno dimostrato che quando la frequenza è compresa tra 0,1 e 50 Hz, la distribuzione della tensione all'interno del mezzo multistrato è sostanzialmente distribuita in base alla capacità. Pertanto, il test di tenuta alla tensione utilizzando una frequenza ultrabassa di 0,1 Hz può essere equivalente al test di tenuta alla frequenza industriale, che evita l'uso di una tensione di tenuta ad alta tensione. La difficoltà della capacità dell'apparecchiatura di prova della tensione di resistenza CA può anche riflettere le condizioni di isolamento dell'apparecchiatura sottoposta a prova. Attualmente vengono eseguite prove di tensione di tenuta a frequenza ultrabassa sull'isolamento terminale dei motori, che sono considerate più efficaci delle prove di tensione di tenuta a frequenza industriale.

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