Opzioni della tensione di eccitazione per indagini PD su cavi MV

Autore: Robert Probst, Product Manager

Introduzione

A partire dagli anni '80, il test dei cavi a frequenza molto bassa (VLF, Very Low Frequency), in cui il cavo testato deve resistere a una tensione CA superiore a quella nominale per un determinato periodo di test senza scariche elettriche, è stato accettato come miglior metodo per accrescere l'affidabilità dell'impianto riducendo il numero e la durata delle interruzioni. I test VLF hanno rappresentato la tecnologia chiave che ha consentito alle aziende di servizi pubblici di abbandonare l'ampiamente diffusa cultura della manutenzione reattiva, spesso descritta come "non riuscita", per adottare invece un approccio proattivo alla manutenzione preventiva. Il test VLF però è solo un metodo "successo/fallimento" e, quando una rete di cavi viene sottoposta regolarmente a test VLF, le strategie di manutenzione predittiva e la gestione delle risorse basata sulle condizioni sono necessarie per fornire informazioni aggiuntive sulle condizioni della rete di cavi.

Oggi, soprattutto al di fuori del Nord America, nella maggior parte delle aziende di servizi pubblici sono ben consolidati i test diagnostici sia sulla distribuzione a media tensione (MV) che sui cavi di trasmissione ad alta tensione (HV). Tra le varie tecniche diagnostiche disponibili, due sono diventate dominanti nel settore: misurazioni del fattore di dissipazione (tan delta) e analisi della scarica parziale (PD).

Durante il ciclo di vita di un cavo, questi due metodi sono complementari. Entrambi presentano vantaggi e svantaggi a seconda che l'obiettivo dell'utente sia l'identificazione e la localizzazione dei difetti, la valutazione delle condizioni di invecchiamento dell'isolamento principale o il monitoraggio delle condizioni. Il test del tan delta è una misurazione globale integrale delle perdite dielettriche e determina implicitamente il contenuto medio del "water treeing" in un polimero senza dover fare affidamento sulle misurazioni della corrente di rilassamento isotermico (IRC) effettiva. Tuttavia, non è in grado di identificare i difetti isolati e i punti deboli. La diagnostica del tan delta è quindi la più adatta per valutare i cavi datati prima di procedere con ulteriori test, come il test di resistenza VLF.

Al contrario, l'analisi PD è uno strumento potente in qualsiasi fase del ciclo di vita del cavo. Non può fornire una valutazione globale dell'isolamento principale, né può indicare il contenuto medio del "water treeing", ma può rivelare e individuare i difetti locali e i punti deboli in termini di alta resistenza, come ad esempio dei vuoti. Inoltre, le scariche superficiali e le scariche interne si verificano più comunemente nelle interfacce stratificate (giunzioni e terminazioni), il che significa che il test PD è il metodo ottimale per valutare gli "accessori", ovvero le parti modificate meccanicamente ed elettricamente del complessivo cavi, come terminazioni, giunti e giunzioni. Inoltre, l'analisi PD è particolarmente utile per i test di accettazione e messa in funzione. Consente di valutare direttamente la qualità della lavorazione rivelando i difetti che supererebbero un test di resistenza VLF conforme agli standard, ma che poi si deteriorerebbero lentamente e causerebbero il guasto del cavo entro un periodo di tempo relativamente breve dopo l'attivazione del circuito.
 

Parametri chiave per l'analisi PD

Tensione di innesco scarica parziale

La tensione di innesco scarica parziale (PDIV, Partial Discharge Inception Voltage) è la tensione alla quale iniziano a verificarsi gli eventi PD. Molte pubblicazioni scientifiche hanno dimostrato che la PDIV (l'inizio degli alberi elettrici) è una funzione della frequenza della tensione di testo, in altre parole, del tasso di variazione della tensione (dU/dt) nella regione del punto di attraversamento dello zero (zero crossing) durante l'inversione di polarità. La tensione di innesco per le scariche superficiali e le scariche interne in interfacce stratificate, come giunzioni e terminazioni, è particolarmente sensibile al gradiente di tensione.

Tensione di estinzione scarica parziale

La tensione di estinzione scarica parziale (PDEV, Partial Discharge Extinction Voltage) è la tensione alla quale un evento PD o un albero elettrico esistente viene estinto. Non esiste alcuna correlazione diretta nota tra PDEV e PDEV, ma i parametri seguono un modello di isteresi. Le osservazioni empiriche e l'esperienza pratica indicano che i livelli di PDEV sono in genere compresi tra 0,8 e 0,9 volte la PDIV e talvolta scendono anche a 0,7 volte. È stato riscontrato che l'attività PD si estingue con un dU/dt molto lento, rendendo difficile eseguire misurazioni PD utilizzando basse frequenze come 0,1 Hz. Solo una fonte di tensione oscillante smorzata (DAC) può misurare correttamente PDIV e PDEV nello stesso ciclo di test.

Intensità, mappatura e localizzazione della scarica parziale

Un'apparecchiatura PD all'avanguardia utilizza un software per visualizzare i dati PD in una rappresentazione del cavo sottoposto a test simile a una mappa. L'asse y indica la carica apparente misurata e pesata, in picocoulomb (pC). L'asse X indica la lunghezza fisica del cavo, in metri o piedi. In conformità alla norma IEC 60270, la criticità di un punto debole viene decisa considerando l'intensità PD alla tensione d'esercizio U0. La mappatura PD mostra:

• Il tasso PD (il numero di eventi PD)
• Il livello di intensità di ciascun evento PD
• La posizione di ciascun evento PD

La posizione degli eventi PD viene determinata utilizzando la riflettometria nel dominio del tempo (TDR) e l'analisi delle differenze di runtime tra l'impulso iniziale e l'impulso riflesso.

Modelli di scarica parziale

La rappresentazione grafica di ogni evento PD rilevato in base al relativo angolo di fase rispetto alla tensione di eccitazione genera modelli di scarica parziale risolta in fase (PRPD). Diverse condizioni PD possono essere associate a diversi modelli PRPD, in modo che questi ultimi possano fornire informazioni preziose sul tipo di punto debole.

Tensioni di eccitazione per il test PD offline sul campo

Con il test PD offline, al cavo viene collegata una fonte di alimentazione separata. Ciò consente di eseguire il test PD a qualsiasi tensione desiderata che, incidentalmente, rappresenta un vantaggio rispetto alle misurazioni PD online. Variando la tensione da circa 0,5 volte a 1,7 volte la tensione nominale per i cavi datati o fino a 2 volte la tensione nominale per i nuovi cavi, è possibile scoprire quale PD di tensione ha inizio. Se gli eventi PD non si verificano fino a oltre la tensione di esercizio (ad esempio 1,5 o 1,7 volte la tensione di esercizio), il cavo deve essere monitorato, ma non rappresenta necessariamente un problema immediato. Tuttavia, se gli eventi PD iniziano molto più in prossimità della tensione d'esercizio (ad esempio 1,1 o 1,2 volte la tensione d'esercizio), quel cavo può destare maggiori preoccupazioni e deve essere monitorato più frequentemente. I cavi con una PDIV inferiore alla tensione d'esercizio sono di immediata preoccupazione e devono essere riparati o sostituiti secondo necessità. Al contrario, i cavi che non presentano PD fino alla tensione massima possono avere un intervallo di test molto più lungo.

Idealmente, i cavi dovrebbero essere sottoposti a test PD a 50/60 Hz per simulare ciò che avviene durante il funzionamento. Tuttavia, per eseguire questa operazione come test offline sarebbero necessarie fonti di alimentazione molto grandi. Per ridurre i requisiti di alimentazione, viene utilizzata una sorgente VLF. Nel test dei cavi, il termine VLF può riferirsi a una forma d'onda sinusoidale VLF, coseno-rettangolare (CR) VLF o CA smorzata (DAC). Le onde sinusoidali VLF e coseno-rettangolari VLF sono onde continue, mentre la CA smorzata è costituita da impulsi discreti con possibili intervalli significativi tra gli impulsi. Come tensioni di eccitazione per un test PD, queste fonti VLF presentano differenze degne di nota.

VLF coseno-rettangolare a 0,1 Hz

La tecnologia VLF coseno-rettangolare (CR) a 0,1 Hz è stata inventata e brevettata nei primi anni '80 da HDW. È stata la prima tecnologia VLF introdotta sul mercato ed è ancora la più comune tra i due metodi VLF standard utilizzati in tutto il mondo. La forma d'onda CR, un esempio a 0,1 Hz della quale è mostrato nella Figura 1, ha due componenti:

• La fase di permanenza con un plateau di tensione simile a quella CC. Questo stato stazionario consente di misurare la corrente di dispersione effettiva, cosa che non può essere eseguita con la tecnologia VLF sinusoidale. 
• La fase di transizione (o oscillazione) in cui avviene una rapida inversione di polarità con la stessa pendenza di un'onda sinusoidale della frequenza di alimentazione a 50/60 Hz.

Le apparecchiature di test CR utilizzano un circuito risonante LC con trasferimento di energia periodico tra la capacità del cavo sottoposto a test e il reattore induttivo interno dell'apparecchiatura di test. A causa del recupero intrinseco di energia a ogni mezzo ciclo, le apparecchiature di test CR hanno intrinsecamente una capacità di test molto elevata (la capacità di caricare/scaricare la capacità del cavo) e un consumo energetico molto ridotto che le rende notevolmente più pratiche per i test sul campo rispetto alle apparecchiature di test sinusoidali.

Le apparecchiature di test VLF più potenti del settore (al momento 25 μF, 60 kV RMS) possono essere prodotte solo utilizzando la tecnologia CR. Funzionano a livelli di potenza continua che non sono possibili utilizzando la tecnologia VLF sinusoidale, come si può osservare facilmente da questi calcoli.

La potenza apparente, in VA, necessaria per caricare un condensatore (in questo caso la capacità del cavo sottoposto a test) è fornita da S = 2π.F.C.U2, dove "f" è la frequenza della tensione di test applicata in Hz, C è la capacità da caricare in μF e U è la tensione di test applicata in kV. Con una frequenza di test di 0,1 Hz, la potenza apparente necessaria per una capacità di 25 μF a 60 kV RMS è pertanto: 2π x 0,1 x 25 x 3600 = 56 520 VA ≈ 56 kVA
In realtà, le fonti HV dei test VLF sinusoidali devono sempre fornire una potenza più apparente rispetto alla potenza di carica richiesta, ad esempio dal 115 al 130%, quindi, nel nostro esempio, dovrebbero erogare almeno 64 kVA. È impossibile creare un'apparecchiatura di test pratico con questa funzionalità. Come spiegato in precedenza, tuttavia, le apparecchiature di test che utilizzano la tecnologia CR recuperano la maggior parte della potenza quando la polarità viene invertita, ossia circa l'86%. Pertanto, un'apparecchiatura di test CR per testare lo stesso cavo dovrebbe fornire solo 56 x 0,14 = 8 kVA, una proposta molto più pratica (ad es. 3 x 208 V o 3 x 380 V).

Un'altra caratteristica della tecnologia CR è che l'inversione di polarità della forma d'onda CR avviene in un punto della forma d'onda con una pendenza paragonabile a quella della tensione della frequenza di alimentazione a 50/60 Hz. Come illustrato più avanti in questo articolo, il tasso di variazione della tensione nella regione dell'attraversamento dello zero (dU/dt) è un fattore cruciale per ottenere risultati PD validi, affidabili e ripetibili.

La tecnologia CR è anche un elemento fondamentale per la creazione di una forma d'onda DAC. I componenti che costituiscono i sistemi DAC sono gli stessi dei sistemi CR e necessitano solo di una piccola modifica all'interruttore di scarica affinché un'apparecchiatura di test CR funzioni in modalità DAC. Poiché le tecnologie DAC e VLF CR a 0,1 Hz sono così strettamente correlate, le apparecchiature di test combinate sono state introdotte sul mercato molti anni fa e si sono dimostrate popolari e di successo.

Poiché la VLF CR a 0,1 Hz produce risultati PD paragonabili alla DAC e alla frequenza di alimentazione a 50/60 Hz, è l'unica tecnologia di test dei cavi in grado di fornire contemporaneamente i vantaggi di un test di resistenza VLF e di un test diagnostico PD. Questo test combinato è definito di "resistenza monitorata" e offre una soluzione diagnostica completa particolarmente utile per la messa in funzione di nuove installazioni di cavi.
 

CA smorzata (DAC)

Analogamente alla tecnologia VLF CR a 0,1 Hz, DAC è una forma d'onda riconosciuta in tutti gli standard internazionali pertinenti come IEC 60270 e parti 3 e 4 della guida IEE400. Il test DAC, utilizzato in tutto il mondo da oltre dieci anni, è diventato il metodo standard comprovato per eseguire diagnostica sul campo PD non distruttiva su cavi MV e HV, poiché espone l'isolamento principale del cavo sottoposto a test alla sollecitazione minima possibile (il tempo di esposizione alla tensione è di soli 10 cicli). Utilizza essenzialmente lo stesso hardware delle apparecchiature di test VLF CR a 0,1 Hz, ma con modifiche agli interruttori interni.

Figura 2: Tensione di eccitazione DAC tipica con attività PD

La Figura 2 mostra una misurazione PD con DAC. Il metodo per creare una tensione oscillante smorzata è la risonanza: una fonte CC carica il cavo e l'interruttore di scarica si chiude e rimane chiuso, creando così un circuito risonante in serie. La frequenza di risonanza per il trasferimento di energia tra un'apparecchiatura di test DAC e il cavo sottoposto a test è una funzione dell'induttanza del reattore induttivo nell'apparecchiatura di test, della capacità del condensatore ausiliario nell'apparecchiatura di test e della capacità del cavo sottoposto a test. Normalmente è compresa tra 30 e 500 Hz. I risultati PD ottenuti con la DAC hanno dimostrato una buona correlazione a una frequenza di alimentazione di 50/60 Hz e quindi sono completamente confrontabili. DAC è l'unica tecnologia di eccitazione in grado di misurare correttamente PDIV e PDEV nello stesso ciclo di test.

C. VLF sinusoidale a 0,1 Hz

La tecnologia VLF sinusoidale a 0,1 Hz è stata introdotta sul mercato a metà degli anni '90. Questo sviluppo è stato trainato dai progressi nell'elettronica di potenza e dal crescente interesse dei clienti nell'uso della diagnostica del tan delta sui cavi datati. Ciò richiede una forma d'onda sinusoidale; il tan delta non può essere misurato con la VLF CR a 0,1 Hz. Le apparecchiature di test VLF sinusoidale a 0,1 Hz si basano su una linea di convertitori CA-CC-CA HV che utilizza moduli IGBT. A differenza della VLF CR a 0,1 Hz, l'energia per caricare il cavo non può essere recuperata e deve essere dissipata come calore in un resistore entro un quarto di ciclo prima di ogni inversione di polarità. Il consumo energetico delle apparecchiature di test VLF sinusoidali a 0,1 Hz è tipicamente 1,15 - 1,3 volte superiore alla potenza necessaria per caricare il cavo sottoposto a test e la capacità di test è, nella maggior parte dei casi, 5 - 10 volte inferiore rispetto alle apparecchiature di test VLF CR a 0,1 Hz comparabili.

Con una fonte VLF sinusoidale a 0,1 Hz, il gradiente di tensione nella regione dell'attraversamento dello zero è circa 1000 volte inferiore al gradiente equivalente per una tensione di frequenza di alimentazione a 50/60 Hz. Studi empirici su sistemi di cavi reali, nonché ricerche scientifiche, hanno dimostrato che i test sinusoidali a 0,1 Hz in genere non forniscono risultati paragonabili alla frequenza di alimentazione a 50/60 Hz. Il PDIV, un parametro molto importante nella valutazione delle criticità e della gravità dell'attività PD, viene spesso valutato in modo errato, con una deviazione generalmente compresa tra il 10% e il 60% dal valore effettivo e, in casi estremi di scarica superficiale, fino al 300%. Questa valutazione errata fa sì che vengano nascosti difetti e punti deboli in prossimità della tensione d'esercizio, U0. L'intensità e la mappatura PD possono anche differire dai dati PD della frequenza di alimentazione a 50/60 Hz, il che significa che le valutazioni delle condizioni possono essere ingannevoli a causa dell'attività PD apparentemente bassa o addirittura inesistente alla U0 erroneamente attribuita da questo metodo di test alle giunzioni e alle terminazioni.

Case study

Questo case study fornisce un esempio delle differenze nelle misurazioni PD che potrebbero essere previste quando si utilizzano ciascuna delle tre forme d'onda della tensione di eccitazione. I test sono stati eseguiti da ENSO (Energie Sachsen Ost), una società di servizi pubblici tedesca nello stato federale della Sassonia, che fornisce servizi a circa 500.000 clienti e ha un fatturato di circa 1,1 miliardi di euro all'anno. Il cavo sottoposto a test era un cavo misto da 12/20 kV, datato, lungo 1335 m (4380 piedi), con 10 giunzioni. Era composto prevalentemente da sezioni XLPE (NA2X(F)2Y 3 x 1 x 150), ma aveva anche due sezioni piuttosto vecchie di cavi in carta impregnata, non drenanti, in olio (NAHKBA 3 x 120). Pertanto, vi erano quattro giunzioni di transizione. La Figura 3 mostra una panoramica del cavo.

Figura 3: Rappresentazione "nel software" del cavo sottoposto a test: Lunghezza 1335 m, 10 giunzioni, 11 sezioni, verde = XLPE, blu = massa in carta, nero = giunzioni

Il cavo è stato testato con un sistema completamente integrato installato nel furgone di test, visibile nella Figura 4. Il cavo di collegamento HV senza PD dal furgone di test terminava in un gruppo di comando compatto con isolamento SF6, in modo da utilizzare un adattatore per ottenere un collegamento senza PD al cavo sottoposto a test. La Figura 5 mostra i dati PD ottenuti utilizzando tre tensioni di eccitazione (VLF sinusoidale a 0,1 Hz, DAC, VLF CR a 0,1 Hz). Le mappature PD nella colonna di sinistra sono state osservate a U0 e quelle nella colonna di destra alla tensione di test massima di 1,7 U0. È evidente che i risultati delle indagini VLF CR a 0,1 Hz e DAC sono confrontabili. Ciò era previsto, in quanto la frequenza corrispondente all'inversione di polarità della tensione di eccitazione VLF CR a 0,1 Hz e la frequenza della tensione di eccitazione DAC sono esattamente uguali (280 Hz, che rientra nella banda di frequenza di alimentazione). Inoltre, il livello e l'intensità PD hanno mostrato solo piccole differenze tra U0 e 1,7 U0. PDIV era esattamente la stessa (5,8 kV) per tutte e tre le tensioni di eccitazione.

Tuttavia, sono evidenti alcune differenze principali tra i risultati di VLF sinusoidale a 0,1 Hz e VLF CR a 0,1 Hz. Alla tensione di esercizio, è stato identificato un solo punto debole con VLF sinusoidale a 0,1 Hz, mentre sono stati rilevati due punti deboli con le altre tensioni di eccitazione. Inoltre, l'intensità PD era di gran lunga inferiore con eccitazione VLF sinusoidale a 0,1 Hz rispetto alle altre forme d'onda. La VFL sinusoidale a 0,1 Hz era in grado di rilevare il secondo punto debole nel cavo solo a tensioni elevate. Il tasso PD nel primo punto debole difficilmente aumentava con tensioni di test superiori per VFL sinusoidale a 0,1 Hz, mentre con VLF CR a 0,1 Hz e DAC si verificava un notevole incremento con l'aumento della tensione. Anche il livello di intensità PD misurato con VLF sinusoidale a 0,1 Hz era significativamente inferiore rispetto a DAC e VLF CR a 0,1 Hz, dando l'impressione di una situazione non critica.

Figura 4: Collegamento del sistema diagnostico PD al cavo sottoposto a test

La conclusione che si può trarre da questo case study è che i test PD eseguiti con eccitazione VLF CR a 0,1 Hz e DAC forniscono risultati comparabili e sono molto efficaci nel rivelare guasti che possono, senza interventi correttivi, condurre ai guasti dei cavi. I risultati ottenuti con l'eccitazione VLF sinusoidale a 0,1 Hz sono significativamente diversi da quelli ottenuti con le altre due forme di eccitazione e sono molto meno efficaci nel rivelare i punti deboli del cavo.

Riepilogo e conclusione

Come abbiamo visto, vi sono notevoli limitazioni di prestazioni quando si eseguono test PD con eccitazione VLF sinusoidale a 0,1 Hz e queste limitazioni non si osservano con eccitazione VLF CR a 0,1 Hz e DAC. Sebbene DAC sia la tensione di eccitazione standard consolidata per la diagnostica del campo PD non distruttiva e minimamente invasiva sui cavi di distribuzione MV e trasmissione HV, la VLF CR a 0,1 Hz è il metodo più comune e più efficace per il test di resistenza VLF sui cavi MV e può essere utilizzata per eseguire test di resistenza monitorati molto utili durante l'accettazione e la messa in servizio delle nuove installazioni di cavi.

Principalmente perché consente l'utilizzo di apparecchiature di dimensioni ragionevoli per test del tan delta, che non possono essere eseguite con altri tipi di eccitazione, anche il test VLF sinusoidale a 0,1 Hz è diventato una tecnologia consolidata. Tuttavia, le apparecchiature di test VLF sinusoidali tendono a produrre misurazioni errate di PDIV e spesso producono rappresentazioni di tasso, intensità e mappatura PD che non sono paragonabili a quelle ottenute mediante test DAC o a una frequenza di alimentazione di 50/60 Hz. Ciò è dovuto all'elevata lentezza di variazione della tensione (dU/dt) nella regione dell'attraversamento dello zero. Inoltre, i test di resistenza monitorati forniti dalle apparecchiature di test sinusoidali (VLF sinusoidale a 0,1 Hz + tan delta + PD) non rilevano guasti a bassa resistenza poiché non è possibile misurare la corrente di dispersione. Queste limitazioni rappresentano un problema significativo per la corretta valutazione delle condizioni e il monitoraggio di cavi e accessori, e quindi per un processo decisionale preciso e sicuro.

Figura 5: 1 mappatura ENSO – PD che confronta tre diverse forme d'onda alla tensione d'esercizio U0 e a 1,7 U0. Riquadri superiori: VLF sinusoidale a 0,1 Hz; riquadri centrali: DAC; riquadri inferiori: VLF CR a 0,1 Hz. Assi X: lunghezza del cavo in metri; assi Y: livello PD in picocoulomb