Defectos de aislamento e métodos de proba de tensión de soporte para reactores de UHV imersos en óleo

1 Investigación de defectos de aislamiento en reactores sumergidos en aceite de UHV

Los desafíos clave en los reactores de alta tensión llenos de aceite durante la operación incluyen fallos de aislamiento, calentamiento por fuga magnética del núcleo, vibración/ruido y fugas de aceite.

1.1 Fallos de aislamiento

Los reactores conectados en paralelo, una vez conectados al devanado principal de la red principal y puestos en uso, operan a plena potencia a largo plazo. La alta tensión sostenida eleva las temperaturas de funcionamiento, acelerando el envejecimiento de los materiales de aislamiento del devanado y del aceite. Posibles fallos: rotura del aislamiento entre el devanado y tierra, cortocircuitos intercapa. Los reactores trifásicos también enfrentan riesgos de rotura del aislamiento entre fases.

1.2 Calentamiento por fuga magnética del núcleo

Las holguras hacen que la densidad de fuga magnética de los reactores sea mucho mayor que la de los transformadores. Cerca del núcleo de hierro, la zapata y los soportes del devanado, la intensidad de la fuga es varias veces la de los transformadores. La fuga a través del acero silicio causa pérdidas de energía adicionales y sobrecalentamiento local, especialmente donde la fuga cruza verticalmente la zapata de hierro (por ejemplo, hierros de sujeción, láminas de acero). Un gran desafío para los reactores sumergidos en aceite en redes de UHV.

1.3 Vibración y ruido

Las holguras dividen la vía magnética del reactor en regiones con polos magnéticos independientes. Los cambios en la atracción de los polos causan vibración. El núcleo de hierro, la junta y el marco de la zapata pueden desencadenar resonancia mecánica, haciendo que la vibración/ruido del reactor supere a la de los transformadores. Fallos como la mala operación del relé de gas, fracturas de láminas de aluminio, desgaste del aislamiento, aflojamiento de las láminas del núcleo y descargas del dispositivo de límite del núcleo resultan de la vibración a largo plazo. El ruido está estrechamente relacionado con la vibración del núcleo.

1.4 Fugas de aceite

Las fugas de aceite interrumpen la operación estable, contaminan el medio ambiente y representan un riesgo de seguridad. Tanto los reactores sumergidos en aceite nacionales como importados presentan comúnmente fugas de aceite, debido al mal control de procesos de los fabricantes y a la vibración durante el transporte/operación, que empeora las fugas.

2 Principios y características de dos métodos de prueba de resistencia a voltaje
2.1 Método de prueba de resistencia a voltaje por resonancia en serie

El método de prueba de resistencia a voltaje por resonancia en serie es una estrategia altamente efectiva para la detección de aislamiento en equipos eléctricos de alta tensión. Demuestra una utilidad insustituible, especialmente en la evaluación de aislamiento in situ de reactores en subestaciones de ultra-alta tensión. Esta tecnología logra principalmente el efecto de generar un voltaje de prueba relativamente alto incluso con una capacidad de fuente de alimentación pequeña, a través de la cooperación de resonancia entre la impedancia inductiva del reactor y la impedancia capacitiva del capacitor de compensación a una frecuencia específica. Su principio se muestra en la Figura 1. Las principales características de este método son las siguientes:

• Pequeña capacidad de prueba. En el estado de resonancia, la impedancia del bucle disminuye al mínimo. Por lo tanto, la capacidad real requerida de la fuente de alimentación de prueba es solo una parte pequeña, mucho menor que la potencia total necesaria para generar el voltaje de prueba. Es particularmente adecuado para su uso in situ, especialmente en entornos donde la capacidad de la fuente de alimentación es limitada.

• Alto voltaje de salida. Bajo condiciones de resonancia, la fuente de alimentación puede generar un voltaje que cumple con los requisitos de alta prueba incluso a una frecuencia relativamente baja. Esto crea condiciones para la evaluación de aislamiento in situ de reactores de ultra-alta tensión.

• Buena calidad de onda. La prueba de resonancia en serie puede garantizar la salida de una onda sinusoidal estable a una frecuencia fija de la fuente de alimentación, reduciendo eficazmente el impacto de los armónicos en los resultados de la prueba y asegurando la precisión de la prueba.

• Equipo de prueba simple. Los dispositivos requeridos para esta prueba son relativamente simples, compuestos principalmente por una fuente de alimentación de frecuencia variable, un transformador de excitación y un capacitor de sintonización, etc., facilitando el transporte y la instalación rápida in situ.

• Alta seguridad. Si la muestra de prueba se rompe durante la prueba de resonancia en serie, el bucle perderá inmediatamente el estado de resonancia y la corriente de salida de la fuente de alimentación disminuirá bruscamente, limitando así eficazmente el daño a la muestra de prueba y al equipo de prueba.

En resumen, las investigaciones de defectos de aislamiento proporcionan datos clave para las evaluaciones de aislamiento in situ de reactores en subestaciones, guiando la selección de métodos de prueba. Las investigaciones futuras optimizarán la tecnología de evaluación in situ para aumentar la precisión y confiabilidad de las evaluaciones del estado de aislamiento de los reactores de alta tensión llenos de aceite.

2.2 Método de prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante

El método de prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante es un medio frecuentemente utilizado en la detección de aislamiento para sistemas de potencia. Demuestra una importancia única, especialmente en la detección de resistencia a voltaje entre vueltas de reactores de núcleo de aire seco. Esta tecnología aplica formas de onda de voltaje oscilante de alta frecuencia al objeto de prueba para aplicar voltaje, induciendo e identificando así defectos en el sistema de aislamiento, como descargas parciales. Su principio se muestra en la Figura 2. Las características centrales de la prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante y los factores clave a considerar son los siguientes:

• Principio de detección: Esta prueba se basa en las características de las formas de onda de alta frecuencia. Al comparar las formas de onda de corriente de la muestra de prueba bajo el voltaje de referencia y el voltaje de prueba, evalúa si la condición de aislamiento es ideal. La tasa de atenuación de la forma de onda y la variación de los puntos de cruce por cero son parámetros clave para medir la calidad del aislamiento.

• Forma de onda de prueba: La forma de onda oscilante generada por este método contiene numerosos componentes de alta frecuencia. Su tiempo de frente de onda es mucho más corto que el de un frente de onda de impulso de rayo, lo que puede activar eficientemente las señales de descarga parcial causadas por defectos en el equipo.

• Dispositivo de prueba: El equipo necesario para la prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante incluye una fuente de alimentación DC, condensadores de carga, un rectificador de silicio de alta tensión, un gap de disparo, un resistor de frente de onda, etc. La estructura es relativamente compleja y requiere condiciones de prueba in situ bastante exigentes.

• Factores ambientales: La prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante es extremadamente sensible a factores ambientales como la temperatura y la humedad. Debe realizarse en condiciones estrictamente controladas para garantizar la precisión de los resultados de la prueba.

• Rendimiento anti-interferencias: Dado el alto voltaje y la frecuencia de oscilación generados por la prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante, los requisitos para los efectos de tierra y blindaje del dispositivo de prueba y las condiciones ambientales del sistema de prueba son extremadamente estrictos. Se deben implementar medidas de supresión de interferencias efectivas.

• Limitaciones: La prueba de resistencia a voltaje por voltaje oscilante tiene ciertas limitaciones en las aplicaciones in situ de reactores de ultra-alta tensión. Especialmente en la prueba de reactores a nivel de 1000 kV, los medios técnicos existentes son difíciles de cumplir con los requisitos de prueba para alta tensión y gran capacidad.

3 Comparación de los dos métodos de prueba de resistencia a voltaje

En la evaluación de rendimiento de aislamiento in situ de reactores de alta tensión llenos de aceite en subestaciones, las técnicas comunes incluyen pruebas de resonancia en serie y pruebas de resistencia a voltaje por voltaje oscilante. Este estudio realiza un análisis comparativo en profundidad de estos dos métodos, con el objetivo de encontrar una solución mejor adaptada a la evaluación in situ de reactores de subestaciones de ultra-alta tensión.

• Requisitos de equipo: La prueba de resonancia en serie se basa en fuentes de alimentación de frecuencia variable, transformadores de excitación y capacitores de sintonización. La prueba de voltaje oscilante requiere fuentes de alimentación DC, capacitores de carga y rectificadores de silicio de alta tensión. La primera tiene un equipo más simple y pequeño, permitiendo una operación in situ más fácil.

• Condiciones de prueba: La prueba de resonancia en serie se adapta bien a los entornos in situ, con una dependencia baja de factores como la temperatura y la humedad. En contraste, la prueba de voltaje oscilante impone demandas ambientales más estrictas para garantizar la precisión de los resultados.

• Procedimientos de prueba: La prueba de resonancia en serie es relativamente sencilla, logrando la resonancia mediante la ajuste de la frecuencia de la fuente de alimentación de frecuencia variable. La prueba de voltaje oscilante, sin embargo, exige un control preciso sobre la generación y atenuación de la forma de onda de voltaje.

• Determinación de resultados: (Nota: Se eliminó contenido redundante para concisión, ya que el original tenía descripciones repetitivas aquí.) La prueba de resonancia en serie simplifica el proceso mediante el ajuste de la frecuencia para lograr la resonancia. La prueba de voltaje oscilante requiere un control preciso de la forma de onda.

• Seguridad: Ambos métodos garantizan una alta seguridad. Sin embargo, la prueba de resonancia en serie puede reducir rápidamente el voltaje durante la ruptura de la muestra, minimizando el daño al equipo y a las instalaciones de prueba.

A través de una comparación en profundidad de los montajes experimentales, las configuraciones del entorno in situ, los procedimientos de prueba y los estándares de determinación de resultados, la prueba de resistencia a voltaje por resonancia en serie se demuestra más adecuada para la evaluación de aislamiento in situ de reactores de alta tensión llenos de aceite. Presenta un montaje simple, una fuerte adaptabilidad, pasos de prueba claros, resultados fácilmente identificables y alta seguridad. En contraste, la prueba de voltaje oscilante tiene demandas ambientales más estrictas, un montaje más complejo y muestra limitaciones en las aplicaciones prácticas de los reactores. Por lo tanto, este estudio recomienda priorizar la prueba de resistencia a voltaje por resonancia en serie para la evaluación de aislamiento in situ de reactores de alta tensión llenos de aceite en subestaciones.

4 Conclusión

Este artículo primero investiga los defectos típicos de aislamiento de los reactores y las tecnologías de evaluación de aislamiento in situ. Luego, para dos métodos de evaluación de aislamiento de reactores, introduce los principios básicos y los tipos de dispositivos de la prueba de resistencia a voltaje por resonancia en serie, junto con los estándares, principios y lógica de detección relevantes de la prueba de voltaje oscilante. Al comparar ventajas y desventajas desde cuatro aspectos (equipo de prueba, configuración de condiciones in situ, procedimientos de prueba y métodos de determinación de resultados), concluye que el método de resonancia en serie es más adecuado para la evaluación de aislamiento in situ de reactores de alta tensión llenos de aceite en subestaciones.