Un nuovo strumento per evitare guasti nei sistemi ad alta (HV) e media tensione (MV)

Il rilevamento di scarica parziale UHF è una tecnologia innovativa che offre numerosi vantaggi in termini difunzionalità, praticità e costi. Facile e veloce da applicare, può essere utilizzato per esaminare gli impianti ad alta e media tensione senza doverli mettere fuori servizio, operando una distinzione tra condizioni pericolose e situazioni meno critiche. Ce lo spiega Hein Putter di Megger.

Nelle reti di distribuzione e trasmissione ad alta e media tensione, i guasti hanno spesso conseguenze costose e problematiche. Ad esempio, un recente guasto fase-terra nella terminazione di un cavo da 380 kV in un'installazione GIS ha causato danni così ingenti da richiedere dieci mesi prima che il cavo potesse essere rimesso in servizio. In un altro caso, un guasto alla rete ha provocato l'interruzione dell'energia elettrica nella maggior parte della città di Monaco. Fino a 450.000 persone sono state coinvolte, con il malfunzionamento dei semafori e di altri servizi, causando una situazione di caos.

Fortunatamente, eventi come questi non si verificano quotidianamente, ma sono tutt'altro che rari e stanno diventando sempre più frequenti con l'invecchiamento delle infrastrutture elettriche nei paesi sviluppati. Questo rappresenta una preoccupazione significativa per le aziende elettriche, che adottano misure significative per monitorare gli impianti e individuare guasti incipienti, così da intervenire tempestivamente ed evitare guasti gravi e interruzioni nell'alimentazione.

Non si tratta di un compito facile, per due motivi principali. Il primo problema è che risulta molto difficile, spesso praticamente impossibile, mettere fuori servizio l'apparecchiatura per effettuare test di routine; il secondo è che i livelli di rumore elettrico intorno agli impianti ad alta e media tensione sono sempre elevati, rendendo l'uso di molte tecniche di test difficile o addirittura impossibile.

Esiste tuttavia una nuova tecnica che consente di risolvere entrambi questi problemi: il rilevamento di scarica parziale (PD) UHF. Questa tecnica si basa sull'utilizzo di un ricevitore UHF appositamente progettato per rilevare le emissioni prodotte dalle scariche parziali, concentrandosi su frequenze superiori a 300 MHz. L'uso di queste alte frequenze offre vantaggi significativi, il primo dei quali è che, sopra i 300 MHz, i livelli di rumore elettrico nelle sottostazioni sono nettamente inferiori. Il secondo è che le emissioni superiori a 300 MHz sono caratteristiche delle scariche parziali interne, che possono indicare un guasto imminente, mentre le emissioni inferiori a 300 MHz sono generalmente indicative di scariche parziali effetto corona o superficiali, che solitamente rappresentano una preoccupazione minore.

Le scariche parziali effetto corona e superficiali generano tipicamente impulsi nell'intervallo dei nanosecondi, che producono uno spettro di frequenze radio (RF) che si estende fino a un massimo di 300 MHz. Al contrario, le scariche parziali interne, particolarmente pericolose per la "salute" futura dell'apparecchiatura sottoposta a test, producono impulsi molto più rapidi nell'intervallo dei picosecondi. Gli impulsi rapidi hanno uno spettro di frequenza con componenti che arrivano almeno fino a 1 GHz e spesso anche più alto.

Oltre alla capacità di distinguere tra condizioni pericolose e condizioni meno gravi, il test di scarica parziale UHF offre altri due vantaggi importanti. Il primo è che non è necessario effettuare alcun collegamento all'apparecchiatura sottoposta a test, poiché il rilevatore funziona ricevendo le emissioni irradiate. Il secondo è che il test viene eseguito con l'apparecchiatura sotto test eccitata, eliminando così gli inconvenienti e gli elevati costi associati alla messa fuori servizio dell'apparecchiatura.

Il test di scarica parziale UHF è utile in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui il controllo delle terminazioni ad alta tensione, la valutazione delle condizioni dei componenti ad alta tensione, quali trasformatori di potenziale, trasformatori di corrente e limitatori di sovratensione, oltre al monitoraggio dei trasformatori di potenza. Questo test rappresenta anche un valido aiuto durante l'esecuzione di interventi di manutenzione su quadri elettrici ad alta e media tensione, soprattutto come controllo finale per verificare che il lavoro sia stato completato correttamente e in sicurezza.
 

I più recenti rilevatori di scarica parziale UHF, come nella nuova gamma UHF PDD di Megger, sono strumenti

estremamente versatili. Offrono una scelta di antenne e possono essere utilizzati anche in combinazione con terminazioni UHF, sensori TEV e HFCT, nonché con sensori installati in modo permanente su apparecchiature ad alta e media tensione come supporto al monitoraggio di routine. I migliori rilevatori consentono inoltre di analizzare i segnali di scarica parziale a frequenze inferiori a 300 MHz, per la sincronizzazione della frequenza industriale e per l'ascolto di segnali di scarica parziale demodulati tramite cuffie stereo.

Quando utilizzati in combinazione con un'antenna a dipolo, i rilevatori di scarica parziale UHF sono ideali per eseguire indagini rapide su impianti ad alta e media tensione. Un'antenna di questo tipo può essere utilizzata sia come dispositivo portatile separato, collegato allo strumento tramite un cavo, sia montata direttamente sullo strumento. Essendo direzionale, facilita l'individuazione dell'origine di eventuali emissioni rilevate. Un'alternativa è un'antenna di tipo "rubber duck", che copre applicazioni simili, ma che a volte risulta più comoda grazie alle sue dimensioni più compatte. Tuttavia, non è direzionale ed è sempre montata direttamente sullo strumento.

Il metodo più sensibile per rilevare le scariche parziali UHF è tramite un sensore installato in modo permanente, sebbene questa soluzione richieda una pianificazione preventiva e non si presti quindi a indagini di scarica parziale occasionali. Un tipico sensore è resistente ai raggi UV e ha un grado di protezione in ingresso IP67, oltre a un ampio intervallo di temperatura operativa; ciò lo rende adatto per l'uso in ambienti sia interni che esterni. È esente da manutenzione e conforme alla norma IEC 60229. I sensori di questo tipo sono facilmente disponibili per l'uso su sistemi fino a 500 kV.

In pratica, le misurazioni di scarica parziale UHF vengono eseguite in tre fasi principali: analisi dello spettro, per identificare le frequenze di interesse per ulteriori misurazioni; misurazione nel dominio del tempo per il riconoscimento del modello PRPD al fine di poter distinguere tra scariche parziali reali e rumore; misurazione del livello per localizzare la sorgente di scarica parziale e determinarne la stabilità nel tempo. L'ultima fase è necessaria solo se le prime due fasi mostrano che è presente un'attività di scarica parziale.

I risultati ottenuti variano naturalmente a seconda dell'applicazione e del tipo di difetto, se presente. In un caso recente, ad esempio, è stata rilevata un'attività di scarica parziale ma le emissioni prodotte presentavano contenuti di frequenza fino a circa 300 MHz. L'analisi del modello PRPD, con il rilevatore sincronizzato alla frequenza industriale, ha mostrato che l'attività di scarica parziale massima coincide con i picchi di tensione. Questi risultati sono indicativi della scarica effetto corona e questa diagnosi è stata infine confermata.

In un altro caso, la distribuzione spettrale delle emissioni delle scariche parziali copriva un ampio intervallo di frequenza e si estendeva nella regione dei gigahertz. L'analisi del modello PRPD ha dimostrato che, in questo caso, l'attività di scarica parziale massima coincideva con la velocità massima di variazione della tensione invece che con la tensione di picco. Questi risultati indicano un guasto interno, confermato successivamente dalla scoperta di una piccola cavità nell'isolamento del campione di prova.

I più recenti rivelatori di scarica parziale UHF sono dispositivi di piccole dimensioni e facili da trasportare, che possono funzionare sia con batterie interne che tramite alimentazione dalla rete elettrica. Offrono una gamma di opzioni di sincronizzazione della frequenza industriale tramite connessioni dirette o wireless. I migliori modelli sono dotati di due canali di ingresso UHF per facilitare il confronto di sensori e sorgenti, e sono dotati di un'interfaccia intuitiva con touch screen. Questi rilevatori sono facili e pratici da usare, promuovono la sicurezza poiché non è necessario collegare il dispositivo all'apparecchiatura sottoposta a test, ed eliminano la necessità di mettere fuori servizio l'apparecchiatura per eseguire i test.

Infine, vale la pena sottolineare che i rilevatori di scarica parziale UHF rappresentano un investimento modesto ma, per le aziende di servizi pubblici e altre organizzazioni che operano su reti di alimentazione, se un tale rilevatore previene anche un singolo guasto, sicuramente genererà risparmi di gran lunga superiori al suo costo.
 

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