Defeitos de Isolamento e Métodos de Teste de Tensão de Resistência para Reatores Ultra-High Voltage a Óleo Imerso

1 Investigação de Defeitos de Isolamento em Reatores UHV Imersos em Óleo

Os principais desafios nos reatores de alta tensão imersos em óleo durante a operação incluem falhas de isolamento, aquecimento por vazamento magnético do núcleo de ferro, vibração/ruído e vazamento de óleo.

1.1 Falhas de Isolamento

Reatores conectados em paralelo, uma vez ligados à bobina primária da rede principal e postos em uso, operam a plena potência por longos períodos. A tensão elevada sustentada aumenta as temperaturas de operação, acelerando o envelhecimento dos materiais de isolamento das bobinas e do óleo. Possíveis falhas: quebra de isolamento entre a bobina e o solo, curto-circuitos interlaminares. Os reatores trifásicos também enfrentam riscos de quebra de isolamento entre fases.

1.2 Aquecimento por Vazamento Magnético do Núcleo de Ferro

As lacunas de ar fazem com que a densidade de vazamento magnético dos reatores seja muito maior do que a dos transformadores. Próximo ao núcleo de ferro, cintura e suportes das bobinas, a intensidade de vazamento é várias vezes maior do que nos transformadores. O vazamento através do aço silício causa perda de energia extra e superaquecimento local, especialmente onde o vazamento cruza verticalmente a cintura de ferro (por exemplo, ferros de aperto, chapas de aço). Um grande desafio para os reatores imersos em óleo em redes UHV.

1.3 Vibração e Ruído

As lacunas de ar dividem o caminho magnético do reator em regiões com polos magnéticos independentes. As mudanças na atração dos polos causam vibração. O núcleo de ferro, a junta e o quadro da cintura podem desencadear ressonância mecânica, fazendo com que a vibração/ruído do reator exceda os dos transformadores. Falhas como mau funcionamento do relé de gás, fraturas em chapas de alumínio, desgaste do isolamento, soltura de chapas do núcleo e descargas no dispositivo de limite do núcleo resultam da vibração prolongada. O ruído está fortemente ligado à vibração do núcleo.

1.4 Vazamento de Óleo

O vazamento de óleo perturba a operação estável, polui o ambiente e representa riscos de segurança. Tanto os reatores imersos em óleo nacionais quanto os importados frequentemente apresentam vazamentos de óleo, devido ao controle de processo inadequado dos fabricantes e à vibração durante o transporte/operação, que agravam os vazamentos.

2 Princípios e Características de Dois Métodos de Teste de Resistência a Tensão
2.1 Método de Teste de Resistência a Tensão por Ressonância Série

O método de teste de resistência a tensão por ressonância série é uma estratégia altamente eficaz para a detecção de isolamento em equipamentos elétricos de alta tensão. Ele demonstra utilidade irreplaceável, especialmente na avaliação de isolamento in situ de reatores em subestações de ultra-alta tensão. Esta tecnologia principalmente alcança o efeito de gerar uma tensão de teste relativamente alta, mesmo com uma capacidade de fornecimento de energia pequena, através da cooperação de ressonância entre a impedância indutiva do reator e a impedância capacitiva do capacitor de compensação em uma frequência específica. Seu princípio é mostrado na Figura 1. As principais características deste método são as seguintes:

• Capacidade de teste pequena. No estado de ressonância, a impedância do circuito cai para o mínimo. Portanto, a capacidade real de fornecimento de energia necessária é apenas uma parte pequena, muito menor do que a potência total necessária para gerar a tensão de teste. É particularmente adequado para uso in situ, especialmente em ambientes onde a capacidade de fornecimento de energia é limitada.

• Tensão de saída alta. Em condições de ressonância, a fonte de alimentação pode gerar uma tensão que atende aos requisitos de alto teste, mesmo em uma frequência relativamente baixa. Isso cria condições para a avaliação in situ do isolamento de reatores de ultra-alta tensão.

• Boa qualidade de onda. O teste de ressonância série pode garantir a saída de uma onda senoidal estável em uma frequência de fornecimento fixa, reduzindo efetivamente o impacto dos harmônicos nos resultados do teste e garantindo a precisão do teste.

• Equipamento de teste simples. Os dispositivos necessários para este teste são relativamente simples, compostos principalmente por uma fonte de alimentação de frequência variável, um transformador de excitação e um capacitor de sintonia, etc., facilitando o transporte in situ e a instalação rápida.

• Alta segurança. Se a amostra de teste quebrar durante o teste de ressonância série, o circuito perderá imediatamente o estado de ressonância e a corrente de saída da fonte de alimentação cairá drasticamente, limitando efetivamente o dano à amostra de teste e ao equipamento de teste.

Em resumo, as investigações de defeitos de isolamento fornecem dados-chave para as avaliações in situ do isolamento de reatores em subestações, orientando a seleção de métodos de teste. Pesquisas futuras otimizarão a tecnologia de avaliação in situ para aumentar a precisão e confiabilidade das avaliações do estado de isolamento de reatores de alta tensão imersos em óleo.

2.2 Método de Teste de Resistência a Tensão por Voltagem Oscilante

O método de teste de resistência a tensão por voltagem oscilante é um meio frequentemente usado na detecção de isolamento para sistemas de energia. Ele demonstra importância única, especialmente na detecção de resistência a tensão entre espiras de reatores de núcleo de ar seco. Esta tecnologia aplica formas de onda de voltagem oscilante de alta frequência ao objeto de teste para aplicar tensão, induzindo e identificando defeitos no sistema de isolamento, como descargas parciais. Seu princípio é mostrado na Figura 2. As características centrais do teste de resistência a tensão por voltagem oscilante e os fatores-chave a serem considerados são os seguintes:

• Princípio de detecção: Este teste depende das características das formas de onda de alta frequência. Comparando as formas de onda de corrente da amostra de teste sob a tensão de referência e a tensão de teste, ele avalia se a condição de isolamento é ideal. A taxa de atenuação da forma de onda e a variação dos pontos de cruzamento zero são parâmetros-chave para medir a qualidade do isolamento.

• Forma de onda de teste: A forma de onda oscilante gerada por este método contém numerosos componentes de alta frequência. Seu tempo de frente de onda é muito menor do que o da frente de onda de impulso de raio, podendo ativar eficientemente sinais de descarga parcial causados por defeitos no equipamento.

• Dispositivo de teste: O equipamento necessário para o teste de resistência a tensão por voltagem oscilante inclui uma fonte de alimentação DC, capacitores de carga, retificador de silício de alta tensão, gap de disparo, resistor de frente de onda, etc. A estrutura é relativamente complexa e coloca exigências relativamente altas no ambiente de teste in situ.

• Fatores ambientais: O teste de resistência a tensão por voltagem oscilante é extremamente sensível a fatores ambientais, como temperatura e umidade. Deve ser realizado sob condições rigorosamente controladas para garantir a precisão dos resultados do teste.

• Desempenho anti-interferência: Dada a alta tensão e a frequência de oscilação geradas pelo teste de resistência a tensão por voltagem oscilante, os requisitos para o efeito de aterramento e blindagem do dispositivo de teste e as condições ambientais do sistema de teste são extremamente rigorosos. Medidas eficazes de supressão de interferência devem ser implementadas.

• Limitações: O teste de resistência a tensão por voltagem oscilante tem certas limitações em aplicações in situ para reatores de ultra-alta tensão. Especialmente no teste de reatores no nível de 1000kV, os meios técnicos existentes têm dificuldade em atender aos requisitos de teste para alta tensão e grande capacidade.

3 Comparação dos Dois Métodos de Teste de Resistência a Tensão

Na avaliação in situ do desempenho de isolamento de reatores de alta tensão imersos em óleo em subestações, técnicas comuns incluem testes de ressonância série e testes de resistência a tensão por voltagem oscilante. Este estudo realiza uma análise comparativa aprofundada desses dois métodos, visando encontrar uma solução mais adequada para a avaliação in situ de reatores de subestações de ultra-alta tensão.

• Requisitos de Equipamento: O teste de ressonância série depende de fontes de alimentação de frequência variável, transformadores de excitação e capacitores de sintonia. O teste de voltagem oscilante requer fontes de alimentação DC, capacitores de carga e retificadores de silício de alta tensão. O primeiro tem equipamentos mais simples e menores, permitindo uma operação in situ mais fácil.

• Condições de Teste: O teste de ressonância série se adapta bem aos ambientes in situ, com baixa dependência de fatores como temperatura e umidade. Por outro lado, o teste de voltagem oscilante impõe exigências ambientais mais rigorosas para garantir a precisão dos resultados.

• Procedimentos de Teste: O teste de ressonância série é relativamente simples, alcançando a ressonância ajustando a frequência da fonte de alimentação de frequência variável. O teste de voltagem oscilante, no entanto, exige controle preciso sobre a geração e atenuação da forma de onda de tensão.

• Determinação de Resultados: O teste de ressonância série simplifica o processo por meio do ajuste de frequência para ressonância. O teste de voltagem oscilante requer controle preciso da forma de onda.

• Segurança: Ambos os métodos garantem alta segurança. No entanto, o teste de ressonância série pode rapidamente reduzir a tensão durante a quebra da amostra, minimizando danos ao equipamento e às configurações de teste.

Através de uma comparação aprofundada das configurações experimentais, configurações do ambiente in situ, procedimentos de teste e padrões de determinação de resultados, o teste de resistência a tensão por ressonância série prova-se mais adequado para a avaliação in situ do isolamento de reatores de alta tensão imersos em óleo. Ele apresenta uma configuração simples, forte adaptabilidade, etapas de teste claras, resultados facilmente identificáveis e alta segurança. Em contraste, o teste de voltagem oscilante tem exigências ambientais mais rigorosas, uma configuração mais complexa e mostra limitações em aplicações práticas de reatores. Portanto, este estudo recomenda priorizar o teste de resistência a tensão por ressonância série para a avaliação in situ do isolamento de reatores de alta tensão imersos em óleo em subestações.

4 Conclusão

Este artigo primeiro investiga os defeitos típicos de isolamento dos reatores e as tecnologias de avaliação in situ do isolamento. Em seguida, para dois métodos de avaliação de isolamento de reatores, introduz os princípios básicos e os tipos de dispositivos do teste de resistência a tensão por ressonância série, juntamente com os padrões, princípios e lógica de detecção relevantes do teste de voltagem oscilante. Ao comparar vantagens e desvantagens em quatro aspectos (equipamento de teste, configuração de condições in situ, procedimentos de teste e métodos de determinação de resultados), conclui-se que o método de ressonância série é mais adequado para a avaliação in situ do isolamento de reatores de alta tensão imersos em óleo em subestações.