Diagnostica di scarica parziale (PD) per cavi a media tensione (MV) PILC obsoleti

Piotr Cichecki - Specialista del mercato energetico

I guasti ai cavi MV PILC, molti dei quali sono in servizio da quaranta anni o più, rappresentano un problema significativo per i gestori delle reti di distribuzione (DNO). Basandosi su uno studio a lungo termine condotto congiuntamente dal Politecnico di Varsavia e da Megger, questo articolo analizza in che modo l'analisi diagnostica delle scariche parziali possa contribuire ad affrontare questo importante problema.

Prima di discutere il ruolo dell'analisi delle scariche parziali (PD) nella valutazione delle condizioni dei cavi MV, è utile rivedere cosa si intende per "scarica parziale". A dire il vero, il concetto è molto semplice: una scarica parziale è una piccola scintilla elettrica o scarica che si verifica in corrispondenza di un difetto di isolamento, ma che non attraversa completamente il materiale isolante. Il difetto può assumere la forma di una cavità all'interno dell'isolamento, lungo l'interfaccia tra materiali isolanti (generalmente all'interno di accessori) o lungo superfici, ad esempio in terminazioni o testine.

Le caratteristiche della scarica parziale dipendono da molti fattori, tra cui la tipologia, le dimensioni e la posizione del difetto, il tipo di materiale isolante, la tensione applicata e la temperatura. Le caratteristiche variano anche con il tempo. I danni causati dalle scariche parziali possono variare da trascurabili a gravi. In quest'ultimo caso, possono provocare un guasto totale dell'isolamento in un arco temporale che va da pochi giorni ad alcuni anni. Un esempio comune di scarica parziale è rappresentato dall'effetto corona sulle linee di trasmissione ad alta tensione (HV) aeree in presenza di umidità, responsabile del tipico ronzio avvertito sotto le torri di trasmissione HV. 

Nel caso dell'isolamento solido, la scarica parziale si verifica in genere quando una scintilla salta una cavità gassosa nell'isolamento, producendo una piccola corrente all'interno dei conduttori. Utilizzando tecniche di riflettometria nel dominio del tempo (TDR) e tenendo conto delle caratteristiche del cavo che influenzano la propagazione degli impulsi, un set di test di analisi delle scariche parziali può determinare la posizione delle scariche e produrre una mappa che traccia l'intensità della scarica rispetto alla posizione. 

Due delle principali cause di problemi di scariche parziali nei cavi PILC sono l'isolamento a secco, generalmente dovuto ad un elevato carico termico o ad una scarsa impregnazione, e l'ingresso di acqua dovuto al deterioramento della guaina in piombo. Entrambe le condizioni portano alla formazione di tracce carbonizzate nell'isolamento in carta, e possono essere presenti su lunghezze estese di cavo; esempi che si estendono per alcuni metri o più non sono affatto rari. I problemi di scarica parziale si riscontrano anche negli accessori utilizzati nei sistemi di cavi PILC, spesso a causa della presenza di bordi taglienti lasciati nei connettori dei conduttori.

Sebbene sia possibile eseguire online l'analisi delle scariche parziali dei cavi di alimentazione MV, questo approccio presenta inevitabilmente dei limiti, ed è un metodo molto meno sensibile per rilevare i difetti rispetto ai test offline. La parte restante di questo articolo si concentrerà quindi sull'analisi offline delle scariche parziali, per la quale sono disponibili diverse tecniche. Le più importanti sono:

•    Test a una frequenza di alimentazione di 50/60 Hz

Sebbene questa possa essere considerata la tecnica più desiderabile e indicativa, poiché analizza accuratamente il comportamento del cavo in condizioni simili a quelle che si verificheranno in servizio, di solito non è pratica a causa delle enormi dimensioni e dei costi elevati della fonte di alimentazione, necessaria per alimentare tutti i cavi tranne quelli più corti.

•    Test con tensione CA smorzata (DAC)

Questo è il metodo più diffuso a livello mondiale, poiché utilizza apparecchiature di test facilmente trasportabili e convenienti, e funziona a frequenze paragonabili a quella di alimentazione.

•    Test VLF (0,1 Hz) con una tensione di prova sinusoidale

Anche questa tecnica è ampiamente utilizzata, ma i risultati di scarica parziale, ottenuti con onde sinusoidali a questa bassa frequenza possono essere molto diversi da quelli ottenuti alla frequenza di alimentazione. Il test potrebbe pertanto non riflettere accuratamente il comportamento del cavo in servizio.

•    Test VLF (0,1 Hz) con una tensione di prova coseno-rettangolare (CR)

Questa è una tecnica relativamente nuova. La caratteristica principale è che la forma d'onda CR da 0,1 Hz utilizzata ha tempi di salita e di discesa molto simili a quelli di un'onda sinusoidale da 50/60 Hz. Pertanto, le misurazioni PD eseguite durante queste transizioni sono vicine ai risultati che si otterrebbero alla frequenza di alimentazione.

Tabella 1 – Metodi di prova per i cavi MV

La Tabella 1 riassume le tecniche di test disponibili per i cavi MV. Vale la pena sottolineare che, sulla base dei risultati dei test raccolti nella banca dati Megger, riportati da un'elevato numero di operatori di cavi dal 2005, l'88% dei cavi MV ha superato il test di resistenza/Hi-Pot con fonti di tensione VLF a 0,1 Hz, senza monitoraggio della scarica parziale. Tuttavia, circa il 5% di questi cavi ha presentato guasti entro sei mesi dalla messa in servizio, apparentemente riuscita, in gran parte a causa della lavorazione scadente di accessori dei cavi come giunti e terminazioni.

Tornando all'uso della tensione DAC per i test delle scariche parziali, gli studi condotti da Megger insieme al Politecnico di Varsavia, hanno dimostrato che si tratta di un metodo eccellente per identificare in modo affidabile le scariche parziali, utilizzando una tensione di prova non distruttiva. Un altro importante vantaggio è che si tratta di un metodo ben collaudato, che fornisce risultati direttamente confrontabili con le prestazioni del cavo a 50/60 Hz, consentendo di decidere in modo affidabile se è necessario intervenire.

Per quanto riguarda la forma d'onda VLF CR, un vantaggio importante è che i test delle scariche parziali possono essere eseguiti contemporaneamente a un test di resistenza VLF standard, in conformità a IEC/IEEE 400.2/3. Ciò consente di risparmiare tempo perché, se non viene rilevata alcuna scarica parziale durante il test, non è necessaria alcuna analisi separata. Durante il test di resistenza viene fornita anche un'indicazione diretta della qualità della lavorazione del cavo. Ancora una volta, i dati delle scariche parziali sono paragonabili alle prestazioni del cavo a 50/60 Hz, permettendo così di prendere decisioni affidabili. Infine, i test VLF a 0,1 Hz soddisfano i requisiti della norma IEC 60502-2.

È importante notare che entrambe le tecniche DAC e VLF CR per l'analisi delle scariche parziali, presentano vantaggi specifici. Fortunatamente, gli acquirenti di apparecchiature di test non sono più costretti a scegliere tra le due tecniche, poiché i più recenti set di test per cavi, come il Megger TDS NT, le supportano entrambe, consentendo così di selezionare quella più adatta al cavo da testare. 

Il fatto che entrambe le tecniche siano ugualmente efficaci nell'individuare i guasti e localizzarli è illustrato nella Figura 1, in cui sono mostrati i risultati dei test eseguiti su una fase di un cavo PILC lungo 240 metri a Varsavia, utilizzando sia la tecnica DAC che quella VLF CR. Come illustrato chiaramente nella figura, la differenza tra i risultati ottenuti è minima.

Figura 1: Cavo analizzato con due fonti di tensione

In realtà, i risultati non sono sempre così chiari come quelli ottenuti sul cavo di Varsavia, come si può vedere nella Figura 2. Tuttavia, le tecniche avanzate di filtraggio ed elaborazione del segnale possono rendere molto più semplice l'interpretazione di risultati come questi. La Figura 3, che mostra il filtraggio applicato agli stessi dati utilizzati nella Figura 2, mostra quanto può essere efficace.

Figura 2: Risultati di scarica parziale senza filtraggio

Figura 3: Risultati di scarica parziale con filtraggio

Abbiamo osservato che le caratteristiche della scarica parziale, come l'ampiezza, la posizione e la frequenza, sono simili sia se la fonte della tensione di prova è DAC che VLF CR. Abbiamo anche visto che i più recenti sistemi di test, che offrono entrambe queste sorgenti di tensione e integrano funzioni di filtraggio potenti ed efficaci, rendono possibile un'analisi delle scariche parziali rapida e affidabile. Ciò significa che i gestori delle reti di distribuzione che operano su infrastrutture con vecchi cavi PILC dispongono oggi di un metodo pratico e conveniente per prevenire i guasti ai cavi e, di conseguenza, godere di una tranquillità significativamente maggiore!