Tensioni di prova per l'isolamento del cavo: quando è troppo alta?

Stephen Drennan - Ingegnere elettrico 

Esistono molti modi per testare l'isolamento delle apparecchiature elettriche utilizzando una varietà di tensioni, frequenze e metodi di test. Megger Group fornisce una gamma completa di tester per tali applicazioni, dai tester di resistenza dell'isolamento da 50 V a 15 kV, alle apparecchiature di verifica VLF e Tan Delta CA fino agli strumenti diagnostici di risposta in frequenza dielettrica e tester HiPot o di prova che utilizzano CA o CC fino a 80/800 kV. 

Questo articolo illustra come risolvere la confusione che a volte si crea in materia di livelli di tensione accettabili per il test dei cavi e cosa si intende per "test CC" dei cavi in vari contesti.

 

Definizione dei termini 

Se utilizzati in un contesto specifico, molti termini tecnici hanno un significato chiaro e ben definito. Tuttavia, quando vengono utilizzati fuori contesto o in modo casuale, questi stessi termini possono diventare ambigui e confusi. Un buon esempio è "alta tensione". 

Molti standard nazionali e internazionali descrivono esattamente cosa debba intendersi per tensione extra bassa, o ELV (Extra Low Voltage), tensione extra alta, o EHV (Extra High Voltage) e così via. Nell'uso comune, tuttavia, il termine "alta tensione" indica cose molto diverse per un tecnico HVAC commerciale che lavora a 110 o 230 V, un tecnico di distribuzione che lavora con sistemi a 11 kV e un tecnico di trasmissione il cui lavoro coinvolge linee di trasmissione a 132 kV o 765 kV. Le apparecchiature di verifica vengono spesso utilizzate in tutti questi campi disciplinari separati e, in parte a causa dell'uso superficiale della terminologia, si genera confusione su quali sono le tensioni e i metodi di test appropriati, e quali sono potenzialmente dannosi, nelle applicazioni specifiche. 

 

Il problema: cavi dielettrici solidi XLPE 

I problemi relativi ai test ad alta tensione sono emersi a seguito del comportamento dei cavi XLPE una volta sottoposti allo stesso regime di manutenzione che era stato applicato in precedenza ai tipi di cavi laminati. All'inizio degli anni '90, alcune preziose ricerche sui fattori che influenzano l'invecchiamento dei cavi XLPE sono state condotte dal Dott. N Srinivas all'EPRI (Electric Power Research Institute) e altri esperti come il Dott. M Mashikian all'Università del Connecticut e il Prof.Dott.Ing. F.H. Kreuger all'Università di Delft. 

 

Test CC e test di sovratensione 

Gli articoli risultanti fanno tutti riferimento a ciò che è diversamente noto come "test di prova", test "di tenuta" o test "hi-pot", attraverso cui si indica che le "alte" tensioni (ecco di nuovo quel termine), relative alla tensione di esercizio del sistema, vengono applicate ai cavi per verificare la presenza di guasti durante il test. Ad esempio, è possibile utilizzare una tensione di prova di 40 kV per testare un cavo di sistema da 15 kV. Nell'ambito di questi regimi di test dei cavi, gli articoli fanno riferimento anche al "test CC" per differenziarlo dai test CA a tensioni simili. Tuttavia, i ricercatori non parlano di tutti i test CC indipendentemente dalla tensione utilizzata. Dopotutto, un multimetro utilizza una tensione CC da 0,5 a 2,5 V per verificare la continuità, ma questo certamente non verrebbe incluso. I ricercatori si preoccupano solo di "alte" tensioni CC, ma cosa significa "alte" in questo contesto? 

 

L'indagine EPRI 

Il report EPRI inizia affermando che "il test dell'alta tensione CC dei cavi viene utilizzato per rilevare imperfezioni grossolane o deterioramento…" 

In questo contesto, le tensioni in questione sono estremamente chiare in affermazioni quali: 

"I test CC a 40 kV causano una riduzione della durata di un cavo isolato XLPE a invecchiamento accelerato" e 

"I test CC a 70 kV o 55 kV prima dell'invecchiamento non sembrano influenzare la durata del cavo". 

Le indagini hanno esaminato tre classi di cavi XLPE: cavi nuovi, cavi con invecchiamento naturale e cavi sottoposti ad invecchiamento accelerato in laboratorio facendoli funzionare a una tensione di esercizio circa due volte superiore al normale a elevate temperature. 

 

Campionamento

I campioni sono stati quindi suddivisi in due gruppi; un gruppo è stato sottoposto a un test di sovratensione CC, mentre l'altro no. Le tensioni di prova di sovratensione CC applicate ai cavi erano da 3,8 a 5,2 volte la tensione di progetto CA dei cavi, in genere da 40 kV a 68 kV. Entrambi i set di campioni sono stati quindi ulteriormente analizzati a tensioni CA ad "invecchiamento accelerato", quindi i tempi di guasto finali dei campioni sono stati confrontati. 

 

Risultati

Con alcuni test, i campioni sottoposti a test di sovratensione CC hanno avuto esito negativo prima dei campioni non testati. Ad esempio, due dei cavi testati hanno presentato un guasto dopo 346 e 887 giorni mentre le loro controparti non testate sono durate per più di 928 giorni. Tuttavia, i risultati non sono stati in alcun modo definitivi, poiché altri 32 cavi dello studio non hanno mostrato alcuna differenza statisticamente significativa tra i campioni testati e quelli non testati. 

 

Conclusioni della ricerca EPRI 

Ad ogni modo, alla luce dei primi lavori di laboratorio sull'analisi microscopica della generazione di water treeing e tenendo conto della limitata capacità della sovratensione CC di indurre guasti durante il test, i ricercatori hanno concluso che, mentre il test di sovratensione CC su un nuovo cavo non comporta alcun rischio di degradazione del cavo, c'era un potenziale rischio di invecchiamento accelerato su un cavo XLPE già vecchio. 

 

Meccanismi di guasto 

La ricerca ha suggerito che il problema del test di sovratensione relativo all'induzione di un campo elettrico nell'isolamento è nell'ordine di 230 V per millesimo di pollice (un "thou" nella variante britannica o un "mil" nella variante americana). Nel mondo delle misure metriche, ciò equivale a 9050 V/mm. Questo campo elettrico rappresenta un problema per l'isolamento di un cavo XLPE con invecchiamento avanzato in quanto la resistenza dielettrica di tale cavo può scendere al di sotto di 300 V per millesimo di pollice (12.000 V/mm). Da questo punto in poi, le sollecitazioni da sovratensione possono danneggiare sensibilmente l'isolamento. 

La ricerca ha anche stabilito che quando 

l'isolamento è nuovo, la sua resistenza dielettrica è nell'ordine di 1100 V per millesimo di pollice (44.000 V/mm). Si tratta di una resistenza di campo pari a circa quattro volte quella prodotta durante il test CC che, pertanto, non ha alcun effetto sul nuovo isolamento. 

 

Alta tensione 

Tenendo conto di quanto sopra, è importante capire che le sollecitazioni di tensione prodotte nel cavo non sono semplicemente il risultato dell'applicazione di una tensione CC - anche una sovratensione CA accelererebbe l'invecchiamento - ma sono principalmente dovute all'alta tensione utilizzata nei test di sovratensione. 

 

Test di isolamento in sottotensione 

Non tutti i test di isolamento sui cavi vengono eseguiti ad alta tensione. Infatti, molti test CC vengono generalmente eseguiti a 2,5 kV o 5 kV. Le sollecitazioni elettriche derivanti da tali test variano solo da un ottavo a un sesto della resistenza dielettrica persino di un cavo XLPE con invecchiamento avanzato. Non vi sono prove che ciò causi problemi di isolamento. Questi valori sono infatti significativamente inferiori rispetto ai rapporti di tensione/resistenza dielettrica che hanno dimostrato di non dare problemi sui cavi XLPE nuovi. 

Il test di isolamento CC in sottotensione può quindi essere utilizzato come parte delle procedure di messa in servizio e manutenzione senza preoccuparsi di danneggiare i cavi XLPE. In effetti, viene spesso utilizzato dalle utenze con, ad esempio, un tempo di test di 10 minuti tra ciascuna fase e schermata, con un livello di superamento di 10 GΩ. Altre utenze utilizzano questa forma di test, insieme ad altri test, per verificare la coerenza tra le fasi. 

 

Perché il test di sovratensione CC è un problema per i cavi XLPE 

Sebbene le sovratensioni CC e CA possano entrambe accelerare l'invecchiamento, con una durata del test tipica di 30 minuti, il problema per i cavi XLPE è molto più grave con la tensione CC che con la tensione CA. Questo perché il campo elettrico, mantenuto nella stessa direzione per la durata del test, può creare cariche di spazio indesiderate all'interno dell'isolamento del cavo XLPE; quando il cavo viene successivamente rieccitato, queste cariche rimangono, causando sollecitazioni localizzate molto elevate. La normale sollecitazione CA insieme alla carica spaziale possono avviare un processo di treeing elettrico nell'isolamento, che potrebbe trasformarsi in un guasto e ridurre la durata utile. Potrebbero essere necessarie fino a 24 ore affinché le cariche spaziali si disperdano dopo un test di sovratensione CC e, nella maggior parte dei casi, non è pratico lasciare un cavo fuori servizio per questo lasso di tempo. 

 

Soluzioni per il test dei cavi XLPE 

È ragionevole sostenere che qualsiasi test destinato a determinare lo stato dell'isolamento deve valutare il sistema sottoposto a test il più vicino possibile alle normali condizioni di funzionamento. Pertanto, per un sistema di cavi destinato all'utilizzo a una frequenza CA industriale, un test di sovratensione CA a 50/60 Hz potrebbe essere considerato il test più rappresentativo, in particolare in quanto le inversioni di campo eviteranno la generazione di cariche spaziali persistenti. 

Tuttavia, alla frequenza industriale, un cavo appare come carico capacitivo grande, con valori tipici di 300 pF/m. Una lunghezza di 500 m di cavo da 66 kV testato a 100 kV CA, quindi, presenta un carico capacitivo di 470 kVA. Chiaramente, alimentare questo carico richiederebbe un sistema per test grande, pesante e molto costoso. Inoltre, se un sistema per test di questo tipo è alimentato da una sorgente monofase da 400 V, la corrente di ingresso richiesta sarebbe superiore a 1 kA! Anche se si utilizzasse uno strumento per test risonante di serie che riduce il requisito di potenza in ingresso, sarebbe comunque grande e costoso. Tuttavia, a volte non esiste un'alternativa e l'accesso a questo tipo di apparecchiature specialistiche diventa necessario per alcuni servizi di pubblica utilità e per molti produttori di apparecchiature e cavi. 

Nel campo generale, tuttavia, i tester VLF a frequenza molto bassa spesso forniscono un'opzione accettabile e molto più pratica, ma richiedono comunque un'attenta considerazione dei livelli di tensione e delle tecniche di test.

 

Tecniche CA VLF 

Chiaramente, una riduzione dell'effetto di carico capacitivo del cavo facilita la praticità dei test in modo che il test VLF venga condotto a frequenze inferiori a 1 Hz. Riducendo la frequenza del test a 0,1 Hz, la frequenza più spesso utilizzata per i test VLF, la potenza di uscita richiesta dal tester viene ridotta di un fattore di 500, il che lo rende una proposta di test sul campo molto più pratica. 

La Guida IEEE per i test di cavi sul campo che utilizzano VLF (IEEE 400.2, Tabella 1) riassume le tensioni di prova VLF applicabili ai vari tipi di cavi, dividendo ciascuno in categorie per i test di installazione, accettazione e manutenzione. 

La durata dei test VLF è significativamente maggiore rispetto a quella dei test da 5/10 kV CC. La durata consigliata è di solito di 30 o 60 minuti per test, un processo lungo quando è necessario testare ciascuna fase separatamente. 

È stata condotta una ricerca sul campo sui guasti correlati ai test a supporto della ricerca di laboratorio originale che ha portato allo sviluppo dei test VLF. La ricerca ha dimostrato che "i test VLF eseguiti secondo i livelli dello standard IEEE 400.2 non danneggiano significativamente i sistemi di cavi". 

Si noti tuttavia che questa ricerca avverte anche di non aumentare i valori di tensione VLF raccomandati per i cavi sul campo vecchi nel tentativo di ridurre la durata del test (ad esempio 15 minuti per fase), poiché ciò può causare più problemi di guasto. 

I nuovi cavi, al contrario, possono ricevere tensioni più elevate come definite, ad esempio, nella norma IEC605202-2, che include una tensione di prova per i cavi nuovi di 3 Uo a 0,1 Hz per 15 minuti. Questo è un altro esempio in cui è necessario chiarire quando l'"alta" tensione è sufficientemente alta e quando l'"alta" tensione è troppo alta. 

Si potrebbe ritenere che le frequenze molto basse impiegate potrebbero non rappresentare adeguatamente le sollecitazioni nel cavo quando funziona alla frequenza industriale. Per questo motivo, una forma d'onda adattata, nota come "coseno-rettangolare", viene spesso utilizzata sulle apparecchiature di verifica VLF. Questa forma d'onda è sostanzialmente un'onda quadrata con bordi fluttuanti che corrispondono esattamente alla pendenza di un'onda sinusoidale della frequenza industriale. Ciò significa che le sollecitazioni prodotte in un cavo durante il test con una forma d'onda coseno-rettangolare sono più rappresentative di quelle che il cavo subirà durante il normale funzionamento. 

VLF coseno-rettangolare per testare cavi più lunghi 

Questa forma d'onda coseno-rettangolare è raccomandata dagli standard IEC, DIN VDE, i documenti armonizzati HD620 

e lo standard IEEE400. Il documento CIGRE sull'esperienza di test dei cavi negli Stati Uniti non ha rilevato differenze significative nella capacità diagnostica delle forme d'onda sinusoidale rispetto a quelle coseno-rettangolari, ma l'apparecchiatura coseno-rettangolare consente di eseguire test su carichi con capacità superiore, rendendo quindi possibile testare cavi più lunghi rispetto a quelli che possono essere testati utilizzando un'apparecchiatura di verifica sinusoidale comparabile. 

A ciascuno il suo… 

I consigli pratici per il test sul campo dei cavi possono quindi essere riassunti come di seguito: 

1. Test di isolamento a 2,5 kV o 5 kV (test di sottotensione) 

• Può essere eseguito su apparecchiature HV e MV, compresi i cavi XLPE, senza timore di generare guasti, come test Go-NoGo a basso costo o, su alcune apparecchiature oppure come test diagnostico di isolamento, utilizzando tecniche come tensione di fase, indice di polarizzazione o scarica dielettrica. Con le tensioni e le durate solitamente utilizzate, non vi è alcuna prova di degradazione dell'isolamento del cavo XLPE. 

2. Test di prova "Hi-Pot" CC a 40 kV/70 kV o superiore (test di sovratensione) 

• Può essere eseguito durante la messa in funzione di un nuovo cavo, anche se alcuni tipi di difetto potrebbero non essere rilevati. 
• Non deve essere eseguito per il test di cavi XLPE vecchi o di altri cavi dielettrici solidi durante il ciclo di manutenzione, ma può essere eseguito su cavi laminati. 

3. Test VLF 

• Può essere applicato a entrambi i tipi di cavo dielettrico laminato e dielettrico solido. 
• Il test VLF utilizza una frequenza di 0,1 Hz, che risolve i problemi relativi ai test Hi-Pot CC (oltre 40 kV) su cavi XLPE o misti perché la direzione del campo elettrico si alterna. 
• La ridotta potenza richiesta rispetto ai test della frequenza industriale consente di rendere l'apparecchiatura di test mobile e di ridurne i costi. 
• Il test VLF è in grado di testare cavi lunghi a causa dei bassi livelli di corrente richiesti e questa capacità è ottimizzata utilizzando l'opzione di test coseno-rettangolare.