Very Low Frequency (VLF) High Voltage Testing

Tóm t tắ

An alternative method of continuous 50Hz AC high voltage testing is excitation at very low frequency(VLF) which is below 1 Hz. Significant reduction achieved in terms of size, weight, cost makes VLFtest equipment suitable for field applications, in particular when testing high capacitance loads such as power cables.

Ngoài ph ng pháp th nghi m cao th xoay chi u truy n th ng t n s 50Hz,ươ ử ệ ế ề ề ố ở ầ ố hi n nay có m t ph ng pháp th đi n cao th xoay chi u t n s th p d iệ ộ ươ ử ệ ế ề ở ầ ố ấ ướ 1Hz g i là th nghi m t n s th p (VLF). Ph ng pháp này có nhi u u đi mọ ử ệ ầ ố ấ ươ ề ư ể nh là gi m kích th c, tr ng l ng và chi phí so v i ph ng pháp truy n th ngư ả ướ ọ ượ ớ ươ ề ố vì th thi t b VLF r t phù h p khi ng d ng th nghi m t i hi n tr ng đ cế ế ị ấ ợ ứ ụ ử ệ ạ ệ ườ ặ bi t đ i v i các đ i t ng th có tính dung cao nh là cáp l c.ệ ố ớ ố ượ ử ư ự

VLF testing as a simple withstand test has been and still is being used extensively among the powerindustries worldwide. It was only recently that VLF testing for diagnostic purposes emerged as apromising tool for insulation condition assessment. Whilst the diagnostic tests used at VLF are similarto those at power frequency, the results obtained at VLF on the same test object are quite different and their interpretation thus requires new analysis methods and this requires a better understanding of the way in which VLF excitation stresses insulation materials. There are now published guidelines whichprovide assessment criteria based on VLF Tangent Delta (TD) measurements. However, they are stillsubject to further refinements as more field experiences and data are gathered. In addition to TangentDelta, VLF Partial Discharge (PD) is another important diagnostic tool. However, while VLF TDtesting, in terms of dielectric response is reasonably well understood, the situation with partialdischarges and the response of the insulation and its imperfections to VLF excitation is not wellunderstood because it involves ionisation phenomena and these are quite different, and poorlydocumented at VLF frequencies. As a consequence, PD testing at VLF and its interpretation of resultsis still very much under development and there are no assessment criteria available to assist inproviding any definitive assessment of condition. However the emergence of PD testing as arguably themost useful real time monitor of insulation condition behoves a better understanding of the VLF PDsituation.

Hi n nay các phép th liên quan đ n VLF t p trung vào các th nghi m nh làệ ử ế ậ ử ệ ư th nghi m ch u đ ng AC VLF (VLF AC), th nghi m tang delta VLF (VLF TD) vàử ệ ị ự ử ệ th nghi m phóng đi n c c b VLF (VLF PD). Nói chung hi n nay có nhi uử ệ ệ ụ ộ ệ ề h ng d n đánh giá các k t qu đo c a VLF nh ng đ có phân tích, đánh giá cướ ẫ ế ả ủ ư ể ụ

th và tin c y c n ph i có các ki n th c chuyên sâu không nh ng v đ i t ngể ậ ầ ả ế ứ ữ ề ố ượ mà còn v các ph ng phap đo.ề ươ

VLF testing offers a viable and practical approach for improvement in high voltage testing and in theassessment of insulation condition of high capacitance insulation systems, such as high voltage cables.However, the interpretation of measurement results obtained with VLF needs further investigation, inparticular in the area of partial discharge diagnostics. It is clear to us that there is a pressing need formore research and development work on VLF testing.

Th nghi m VLF cung c p m t gi i pháp kh thi và thi t th c trong lĩnh v c thử ệ ấ ộ ả ả ế ự ự ử nghi m cao áp và trong đánh giá tình tr ng cách đi n c a h th ng cách đi n cóệ ạ ệ ủ ệ ố ệ tính dung cao, ch ng h n nh cáp l c. Tuy nhiên, vi c gi i thích k t qu đo thuẳ ạ ư ự ệ ả ế ả đ c v i VLF c n ti p t c kh o sát thêm, trong đ c bi t trong lĩnh v c ch nượ ớ ầ ế ụ ả ặ ệ ự ẩ đoán phóng đi n c c b đ có các ch n đoán, phân tích k t qu đo m t cáchệ ụ ộ ể ẩ ế ả ộ chính xác và tin c y.ậ1. Gi i thi uớ ệThe reliable functioning of the electricity infrastructure such as high voltage cable networks is ofparamount importance to the power utilities and to society as a whole. In particular, the electricalinsulation plays a critical role in that it must be able to withstand the severe electric stress imposed bythe network and it must be protected against catastrophic breakdown. This requires conditionassessment to be performed on cables, in particular, and this assessment must be continually improvedto achieve minimal outage times. Testing of insulation is necessarily done at high voltage so thatelectrical stresses simulate those that occur in operation and this requires high voltage off-lineexcitation with separate source test supplies.

Tính n đ nh và tin c y c a h th ng đi n trong đó có h th ng cáp l c là tiêuổ ị ậ ủ ệ ố ệ ệ ố ự chí h t s c quan tr ng đ i v i công tác v n hành l i đi n nói riêng và đ i v iế ứ ọ ố ớ ậ ướ ệ ố ớ toàn xã h i nói chung. Đ c bi t, h th ng cách đi n c a cáp l c đóng m t vai tròộ ặ ệ ệ ố ệ ủ ự ộ vô cùng quan tr ng, chúng luôn ch u ng su t cao trong quá trình v n hành vàọ ị ứ ấ ậ chúng đ c b o v đ ch ng phá h y, h h ng. Đi u này đòi h i c n có các thượ ả ệ ể ố ủ ư ỏ ề ỏ ầ ử nghi m đánh giá ch t l ng h th ng cách đi n c a cáp l c, đ c bi t các đánhệ ấ ượ ệ ố ệ ủ ự ặ ệ giá c n liên t c đ c c i thi n, nâng cao đ th i gian m t đi n là nh nh t. Thầ ụ ượ ả ệ ể ờ ấ ệ ỏ ấ ử nghi m cách đi n đ c th c hi n đi n áp cao đ có các ng su t đi n tácệ ệ ượ ự ệ ở ệ ể ứ ấ ệ đ ng đ l n t ng t nh đang trong tình tr ng v n hành và đi u này yêu c uộ ủ ớ ươ ự ư ạ ậ ề ầ c n thi t b có ngu n c p riêng bi t.ầ ế ị ồ ấ ệ

For maintenance and insulation condition assessment purposes, off-line field testing by energising thecables to high voltage at the normal power frequency (50Hz) has always been a problem because of the

very high reactive power requirement on the test supply. AC resonant test systems provide a solutionbut they are costly, and their large size/weight makes it difficult to transport to site. Oscillating wave(OW) test systems, which provide a very short duration attenuated ringing voltage at about 20-500 Hzby discharging an HVDC charged cable through an external inductor, are available commercially buthave limitations, including the potential effects of imposing HVDC on polymer cables.

Đ i v i th nghi m b o d ng cũng nh m c đích đánh giá tình tr ng cáchố ớ ử ệ ả ưỡ ư ụ ạ đi n, th nghi m offline t i hi n tr ng t n s 50Hz đ i v i cáp l c c n thi tệ ử ệ ạ ệ ườ ở ầ ố ố ớ ự ầ ế b th nghiêm công su t l nị ử ấ ớ và chi phí cao. Th nghi m HVDC cũng có th th cử ệ ể ự hi n nh ng c n h n ch vì có th gây ra nh h ng x u đ n h th ng cách đi nệ ư ầ ạ ế ể ả ưở ấ ế ệ ố ệ c a cáp l c.ủ ự

Very Low Frequency (VLF) AC high-voltage excitation is an alternative method of continuous ACvoltage testing with the applied frequency in the range of 0.01 Hz up to 1 Hz [17, 43]. At present, themost commonly-used VLF test frequency is 0.1 Hz. The VLF method has been in use for many years asa withstand test [1-7] but it is becoming more popular recently in an expanded role as a diagnostic tool.For field testing of high capacitance loads such as power cables and rotating machines, the reactivepower required to energise the test object to high voltage is much less because it is inverselyproportional to the applied frequency, e.g. the charging current at 0.1 Hz is only 1/500 of that at 50 Hz.Hence, VLF test sets are much smaller and much more suitable for mobile field testing as compared toconventional test sets at 50 Hz. It is feasible to test cable systems of relatively longer lengths usingmodern VLF sources. Also, VLF testing eliminates the well-known adverse effect of space chargebuild-up associated with the direct-voltage high-potential test method.

Có th nói VLF AC là m t ph ng pháp th nghi m khác c a phép th xoayể ộ ươ ử ệ ủ ử chi u AC liên t c v i t n s thay đ i t 0,01 đ n 1Hz. th i đi m hi n t i đa sề ụ ớ ầ ố ổ ừ ế Ở ờ ể ệ ạ ố các phép th VLF s d ng t n s 0,1Hz. Ph ng pháp VLF đã đ c s d ng tử ử ụ ầ ố ươ ượ ử ụ ừ nhi u năm tr c v i vai trò nh là m t phép th cao th xoay chi u ch u đ ngề ướ ớ ư ộ ử ế ề ị ự nh ng trong th i gian g n đây nó đ c m r ng nh là m t công c đánh giá,ư ờ ầ ượ ở ộ ư ộ ụ ch n đoán ch t l ng c a h th ng cách đi n cáp l c. Đ i v i t n s 0,1Hz dòngẩ ấ ượ ủ ệ ố ệ ự ố ớ ầ ố n p ch b ng 1/500 khi t n s 50Hz, vì th thi t b VLF nh g n, phù h p v iạ ỉ ằ ở ầ ố ế ế ị ỏ ọ ợ ớ th nghi m t i hi n tr ng. ử ệ ạ ệ ườ

2. VLF test methods2. Các ph ng pháp th nghi m VLFươ ử ệ

VLF testing is widely used internationally and also by Australian power utilities. For cable testing in

particular, it is a popular tool. As an example, Ausgrid’s Network Standard NS161 has included VLFamong the list of high-voltage withstand tests for cables [28]. However, currently there are noAustralian or IEC standards on VLF testing. The most comprehensive guideline on VLF field testing ofshielded power cable systems is the recently revised IEEE Std.400.2 (2013) [43]. It describes VLF ACvoltage withstand and other diagnostic tests in the frequency range from 0.01 Hz to 1 Hz that areperformed on cables rated from 5 kV up to 69 kV. In addition to this document, IEEE Std.433 coversVLF testing in AC electric machinery [22]. CIGRÉ Technical Brochure 502 includes coverage of VLFtesting for on-site PD measurement [35].

Th nghi m VLF hi n nay đ c s d ng m t cách r ng rãi, đ c bi t trong lĩnhử ệ ệ ượ ử ụ ộ ộ ặ ệ v c th nghi m cáp l c, nó là m t công c h u hi u và ph bi n. Tiêu chu n NSự ử ệ ự ộ ụ ữ ệ ổ ế ẩ 161 c a Úc ban hành các th nghi m ch u đ ng cao th VLF đ i v i cáp l c.ủ ử ệ ị ự ế ố ớ ự Ngoài ra h ng d n th nghi m chung nh t v VLF đ c qui đ nh trong IEEEướ ẫ ử ệ ấ ề ượ ị 400.2. Tiêu chu n này mô t ph ng pháp th VLF AC đ i v i cáp l c và m t sẩ ả ươ ử ố ớ ự ộ ố ch n đoán khác liên quan đ n VLF t n s t 0,01 đ n 1Hz th c hi n trên cápẩ ế ở ầ ố ừ ế ự ệ l c có c p đi n áp t 5kV đ n 69kV. Theo IEEE 433 ban hành qui đ nh v thự ấ ệ ừ ế ị ề ử nghi m VLF AC đ i v i máy đi n quay. CIGRE 502 h ng d n th c hi n thệ ố ớ ệ ướ ẫ ự ệ ử nghi m VLF PD t i hi n tr ng.ệ ạ ệ ườ

In general, VLF testing is classified as withstand or diagnostic. The go/no-go voltage withstand test isthe simplest to use to expose insulation weakness. The specimen is required to withstand a specifiedvoltage applied for a specified time without breakdown. The applied voltage waveform can besinusoidal, cosine-rectangular, bipolar rectangular or alternating regulated positive and negative DCstep voltages. The magnitude of the withstand voltage is usually greater than the operating voltage. It isvital that the applied voltage should be high enough so as to accelerate the damage in the faultedinsulation but not to weaken the healthy insulation and the test time is long enough to inducebreakdown from any weak parts during the test. Otherwise, there is a risk that the test itself willexacerbate the insulation weakness and cause subsequent in-service failure after energising.

Nói chung, th nghi m VLF đ c phân ra 2 lo i là th nghi m ch u đ ng và thử ệ ượ ạ ử ệ ị ự ử nghi m ch n đoán. Phép th ch u đ ng đi n áp đ t/không đ t là cách đ n gi nệ ẩ ử ị ự ệ ạ ạ ơ ả nh t s d ng đ đánh giá ch t l ng c a cách đi n. Đ i t ng th nghi mấ ử ụ ể ấ ượ ủ ệ ố ượ ử ệ đ c yêu c u ch u đ ng m t đi n nh t nh t đ nh trong kho ng th i gian nh tượ ầ ị ự ộ ệ ấ ấ ị ả ờ ấ đ nh mà không b phá h y. D ng sóng c a đi n áp có th là sóng sin, cosin chị ị ủ ạ ủ ệ ể ử nh t, DC âm d ng…Biên đ c a đi n áp th nghi m th ng l n h n đi n ápậ ươ ộ ủ ệ ử ệ ườ ớ ơ ệ v n hành. Đi u t t y u đây là đi n áp đ t vào ph i đ cao đ gia tăng s pháậ ề ấ ế ở ệ ặ ả ủ ể ự h y trong cách đi n đã b h h ng nh ng không đ c làm y u đi h th ng cáchủ ệ ị ư ỏ ư ượ ế ệ ố

đi n t t và th i gian th nghi m đ dài đ gây ra s phá h y b t c đi m y uệ ố ờ ử ệ ủ ể ự ủ ở ấ ứ ể ế nào c a h th ng cách đi n trong th i gian th nghi m. N u không, đây là nguyủ ệ ố ệ ờ ử ệ ế c chính b n thân phép th là gia tăng s h h ng c a cách đi n và gây ra s cơ ả ử ự ư ỏ ủ ệ ự ố trong quá trình v n hành sau khi đóng đi n l i cáp l c.ậ ệ ạ ự

Diagnostic testing enables determination of the relative extent of degradation of the insulation system.By comparing the measurement results with figures of merit from Standards or accumulated historicaldata, decisions can be made about the state of health of the insulation and whether any correctivemeasures should be carried out. In the diagnostic test mode, the applied voltage is comparatively lower(~1.3 to 1.8 U0 versus >2.0 U0 where U0 denotes rated voltage) with shorter test times (<15 minutes) soit is normally non-destructive unless the test object is in an advanced stage of insulation degradation.The voltage waveform is sinusoidal; other waveforms such as the cosine-rectangular are not favouredin standard practice at the moment because they further complicate the interpretation of results forVLF. There are various diagnostic tests performed at these lower test voltages. They can be classifiedinto 3 main groups:

Th nghi m ch n đoán có th cho phép xác đ nh m t cách t ng đ i c ng đử ệ ẩ ể ị ộ ươ ố ườ ộ c a s xu ng c p c a h th ng cách đi n. B ng cách so sánh các k t qu thủ ự ố ấ ủ ệ ố ệ ằ ế ả ử nghi m v i s li u trong tiêu chu n ho c các d li u thu th p trong quá kh c,ệ ớ ố ệ ẩ ặ ữ ệ ậ ứ có th đ a ra các quy t đ nh v tình tr ng ch t l ng c a cách đi n. Trong phépể ư ế ị ề ạ ấ ượ ủ ệ đo ch n đoán , đi n áp th nghi m th ng th p h n (kho ng 1,3 đ n 1,8 x Uoẩ ệ ử ệ ườ ấ ơ ả ế so v i >2xUo, trong đó Uo là đi n áp v n hành) v i th i gian cũng ng n h n (<15ớ ệ ậ ớ ờ ắ ơ phút) chính vì th đây là th nghi m không phá h y tr tr ng h p cách đi nế ử ệ ủ ừ ườ ợ ệ đang giai đo n cu i c a quá trình xu ng c p. D ng sóng đi n áp th ng làở ạ ố ủ ố ấ ạ ệ ườ d ng sóng Sin, m t s d ng sóng khác nh cosin ch nh t…th ng không dùngạ ộ ố ạ ư ử ậ ườ vì nó có th đ a ra m t s k t qu ph c t p trong quá trình ch n đoán. Cóể ư ộ ố ế ả ứ ạ ẩ nhi u phép th ch n đoán khác nhau các đi n áp th p h n, nh ng chung quiề ử ẩ ở ệ ấ ơ ư l i có th chia ra 3 nhóm sau:ạ ể

1. Tang delta VLF TD

It is also known as dielectric dissipation factor (DDF) measurement. TD is obtained by applyingan AC voltage, measuring the phase angle between the voltage and current waveforms. This thenenables separating the total current into the charging current and the loss current, and finallycalculating the ratio of the latter to the former. The basic understanding of tangent delta testing isembedded in the theory of dielectric response to AC excitation over a wide frequency range andthis theory has been well understood for some time.

Phép th này t ng t phép đo h s t n hao đi n môi. TD đ c xác đ nh b ngử ươ ự ệ ố ổ ệ ượ ị ằ cách đ t đi n áp AC vào đ i t ng đo và t các k t qu v dòng đi n, đi n áp cóặ ệ ố ượ ừ ế ả ề ệ ệ th tính toán đ c giá tr TD.ể ượ ị