Vlf sine 1 Hz – Universal voltage source for test- ing and diagnostics of medium-voltage cables



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PA VLF sine 01Hz Universal voltage source for testing and diagnostics of medium-voltage cables 210314 EN
9 2020 gt thi nghiem dien 1 tc ktd19md38 7318
Requirement 
VLF sine 
CLF Cos-Rect 
50 Hz resonance 
systems 
DAC 
Withstand voltage test in compliance 
with IEC, VDE (CENELEC), IEEE 
yes 
yes 
yes 
yes, IEEE stand-
ard in prepara-
tion 
Load-dependent test signal 
yes 
Swing phase varies 
in the region of 30-
250 Hz acc. to 
IEEE400.2 [8], re-
load phase varies 
depending on load 
Test frequency 
depends on cable 
length 
Test frequency 
depends on 
cable length 
tan delta measurement accuracy 
high (1*10
--4

unsuitable for tan 
delta 
high 
medium 
tan delta sensitivity / comparability 
high 
unsuitable for tan 
delta 
medium, sensi-
tivity less than 
with VLF 
medium, load-
dependent 
PD localisation possible 
yes 
yes 
yes 
yes 
PD level and PD pattern comparable 
with measurement at 50 Hz 
yes 
not yet studied in 
detail 
yes 
yes 
PD inception voltage comparable with 
measurement at 50 Hz 
yes 
not yet studied in 
detail 
yes 
yes 
Compact voltage source 
yes 
yes 
no 
yes 
Table 1: Comparison of various voltage shapes with regard to different practice-relevant requirements.
Table 1 shows a comparison of the various 
voltage sources in relation to the above 
mentioned requirements. From the table it 
is apparent that the VLF 0.1 Hz sine volt-
age as single voltage source meets all the 
stipulated requirements, i.e. is suitable 
even for measurement of partial discharges 
and the dissipation factor measurement 
(tan delta). With regard to the withstand 
voltage, almost all popular voltage sources 
on the market have been found suitable in 
theory and in practice. 
However, one must note that here it de-
pends on the voltage shape: To achieve 
reliable results independent of the load 
(cable route), an ideal sinusoid is of ad-
vantage. For this, it is important that the 
voltage source, as far as possible, always 
delivers the same signal shape and fre-
quency to avoid any influence on the PD 
test or tan delta measurement, for exam-
ple. The aim is to minimise the influence of 
the voltage source on the measurement 
result. This allows the user to compare the 
measurement results and thus to fine-tune 
decision-criteria for evaluating the condition 
of cable routes. The VLF sine voltage 
source is particularly suitable for this. 
With regard to the measurement of the dis-
sipation factor, it is apparent that due to the 
high precision and sensitivity, a VLF sine 
measurement has an edge even over the 
50 Hz measurement. At low frequency, the 
tan delta values for the PE-insulated cables 
are higher - with this, an increase in the tan 
delta can be detected better (more sensi-
tive). It must be further mentioned that only 
sinusoidal voltage sources are suitable for 
a precise tan delta measurement. And from 
this, as mentioned above, the 0.1 Hz sine 
has been proved to the extent that stand-
ards and limit values (IEEE 400.2-2013) for 
this measurement are available. Among 
other things, this is due to the fact that we 
have acquired more experience with the 
VLF sine in the meantime. 
Fig. 2: A higher tan delta value is measured at low 
frequencies (Graph source: [7]) 
Various scientific publications have already 
discussed the suitability of different voltage 
sources (VLF sine 0.1 Hz, 50 Hz, DAC, 
VLF Cos-Rect) for the partial discharge 
measurement. For example, the behaviour 


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of various voltage sources has been stud-
ied on the following test samples: 
• Artificially created faults on cable 
routes and cable terminations 
• Dirty outdoor cable terminations, 
fault in outer duct / deflector 
Cables in use 
• Defective joints 
• Aged and worn plastic-insulated 
cables and joints 
Depending on the publication, the behav-
iour of two or more voltage sources was 
compared, particularly in view of the com-
parability of the measurement results with 
those tested at operating frequency (50 
and 60 Hz). To sum up, the following result 
can be derived from the publications (also 
see [1] to [6]): 
According to [6], the comparison of meas-
urements with 2 x U
0
on 6 worn joints re-
sulted in 5.5 times the PD level with ap-
prox. 5,500 pC (as opposed to about 1,000 
pC at 50 Hz and VLF sine) for a VLF Cos-
Rect voltage source. 
Fig. 3: PD strengths of six joints (plug-in technology); 
[6] 
These higher measured values mean that a 
measurement with the Cos-Rect voltage 
source presents a higher load for worn 
joints. However, for proper diagnostics, it is 
important that the cable and accessories 
are not unduly loaded or even damaged by 
the measurement. In addition, in [6] it has 
been determined that the waveform of the 
test voltage has a greater impact than the 
increase in the level from 2 x U
0
to 3 x U
0
(compare sine with Cos-Rect). It is also 
apparent that sine 50 Hz and sine 0.1 Hz 
show almost identical levels. 
Until now, scientific studies have been 
conducted only on PD tests with a VLF 
Cos-Rect voltage source. Practical experi-
ences on the suitability of the VLF Cos-
Rect voltage shape for the PD test espe-
cially with worn cable routes are still not 
available. 
With reference to the PD tests with VLF 
sine, all mentioned publications state that 
the PD inception voltage can be compared 
with the voltage of the 50 Hz measurement 
when tests were conducted on field objects 
(i.e. not artificially prepared objects). In 
artificially created faults, the inception volt-
age during the VLF test and the 50 Hz test 
occasionally differed from each other, 
which is why [4] comes to the conclusion 
that faults and test bodies created artificial-
ly in the laboratory are not suitable for se-
lecting the optimum voltage source. 
With regard to the PD level and the PD 
pattern (distribution of measured values), 
the publications similarly showed that re-
sults with VLF sine 0.1 Hz are comparable 
with the results of 50 Hz measurements. 
This likewise applies for worn joints in plug-
in and heat shrinking technology. There 
were no relevant differences even in the 
location of partial discharges. 
With reference to a comparison (4 cable 
routes with total of 42 different faults) be-
tween VLF sine 0.1 Hz, 50 Hz resonance 
system, 20-400 Hz resonance system and 
DAC (Cos-Rect was not used here), during 
the test on various medium-voltage cables 
we conclude for example [2], that no single 
technology seems better than the other 
(“Under the conditions in which this project 
was carried out, the experimental results 
show that no single partial discharge test-
ing technology for installed MV cable sys-
tems provides significantly better results 
than the others.”). 
No clear correlation was evident between 
the PD strength or the inception voltage 
and the voltage source in the [2] described 
study (“The possible relationship between 
the magnitude of the partial discharges and 
the type of high voltage source used was 
investigated, but no relationship was found 
between them due to the high dispersion of 
results. The same conclusion was reached 
on studying the possible relationship be-
tween the PD inception voltage levels and 


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the type of voltage source used. It was not 
possible to establish any correlation”)
While choosing from the [2] studied voltage 
sources (VLF sine 0.1 Hz, 50 Hz reso-
nance system, 20-400 Hz resonance sys-
tem and DAC), the user must preferably 
consider practical criteria such as possible 
accomplishment of tasks, weight, versatility 
and easy handling. Table 1 shows that of 
the four types of voltage sources – VLF 
sine, VLF Cos-Rect, 50 Hz and DAC – only 
the VLF sine voltage source satisfies all the 
requirements when considering the cable 
test as well as the tan delta and PD test. 
With regard to the tan delta measurement, 
the VLF sine has a favourable impact ow-
ing to its higher sensitivity. 

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