Un metodo multifunzionale per l'individuazione dei guasti nei cavi di alimentazione a bassa tensione (LV)

Autore: Henning Oetjen, Product Manager Cable Products Valley Forge

Premessa

I circuiti dei cavi di alimentazione a bassa tensione (LV) (<600 V) sono la spina dorsale dei sistemi di distribuzione elettrica in quasi tutte le parti del mondo, ad eccezione del Nord America, dove questa funzione è solitamente fornita da circuiti di cavi di alimentazione a media tensione (MV) (da 5 a 35 kV).

Tuttavia, in tutto il mondo vengono utilizzati molti più cavi LV rispetto ai cavi MV, ed è proprio questa una delle ragioni per cui i guasti nei cavi LV sono più numerosi. Oltre all'inevitabilità statistica di un numero maggiore di guasti nei cavi LV semplicemente per il loro numero maggiore, esistono altri fattori che contribuiscono a questo fenomeno. Questi includono la moltitudine di tipi di costruzione di cavi, l'ampia variazione nella progettazione di giunzioni e la varietà di procedure di assemblaggio e lavoro in uso.

Questa ampia gamma di differenze nella costruzione rende difficile individuare i guasti sui cavi LV. A differenza dei cavi MV, in cui la maggior parte dei problemi è costituita da guasti dovuti a fori o scariche elettriche che possono essere rilevati utilizzando solo una piccola gamma di metodi di test, i cavi LV richiedono una gamma molto più ampia di tecniche di individuazione dei guasti. Tradizionalmente, ciò ha reso necessario l'utilizzo di diversi strumenti di test separati, poiché fino ad ora non è stato disponibile sul mercato alcun sistema integrato di localizzazione dei guasti sui cavi LV, sebbene sistemi integrati per i cavi MV siano ampiamente disponibili.

La posizione di Megger

Circa dieci anni fa, Megger a Valley Forge, negli Stati Uniti, iniziò a offrire il localizzatore di guasti sui cavi EZThump da 4 kV, seguito da una versione a doppio condensatore da 3 kV, originariamente progettata per EDF, ENEDIS (ex ERDF), l'azienda francese che gestisce gran parte della rete di distribuzione elettrica francese.

Entrambi i modelli EZ-Thump sono sistemi integrati basati su riflettometro TDR (riflettometro nel dominio del tempo) che adottano il concetto di design "kit di strumenti". In un unico dispositivo, forniscono tutte le tecnologie necessarie per l'individuazione dei guasti su cavi LV e circuiti di tutti i tipi, ad eccezione dei circuiti con molte diramazioni. In pratica, queste eccezioni sono poco frequenti: si stima che l'80% dei circuiti a livello globale sia costituito da circuiti punto a punto o circuiti con diramazioni a T molto corte, di circa 5 - 10 m. La preponderanza di questi tipi di circuiti fa sì che le tecnologie di rilevamento dei guasti basate su riflettometro TDR siano preferite da molti operatori di rete.

Nonostante la diffusa convinzione contraria, l'individuazione dei guasti sui cavi LV non è affatto la stessa cosa che sui cavi MV, sebbene a una tensione inferiore. Una delle ragioni di questa differenza è che quasi tutti i cavi LV sono cavi multiconduttori. È importante comprendere le differenze nella disposizione dei conduttori di fase e neutro, la progettazione dei cavi, i materiali isolanti e, in alcuni casi, nelle disposizioni di schermatura e armatura. Questi parametri, insieme alla resistenza del guasto, influenzano quale metodo di localizzazione del guasto è più probabile che abbia successo.

Questo articolo descrive un protocollo dettagliato per individuare i guasti nei cavi LV e mostra un caso di adozione di tale protocollo in una situazione reale di guasto. Il protocollo si basa sull'uso dei sistemi di localizzazione dei guasti Megger EZ-Thump a 3 kV e a 4 kV.
 

Il guasto

Figura 1: Cavo LV a quattro fili con armatura in acciaio

Il guasto ha coinvolto una sezione di un cavo LV residenziale a quattro conduttori (tre conduttori di fase, uno neutro) con armatura in acciaio, come illustrato nella Figura 1. La sezione del cavo era lunga circa 100 m e correva tra due scatole di fusibili (Figura 2). Alimentava tre abitazioni, ciascuna tramite un giunto a T. I giunti erano distanti circa 30 m l'uno dall'altro.                                      

Protocollo di localizzazione

Figura 2: tipica scatola di fusibili trifase per uso residenziale

Prima di iniziare la localizzazione del guasto, i fusibili di ciascun quadro di servizio domestico all'interno della sezione di cavo sono stati rimossi (vedere la Figura 2, dove un tipico quadro sul lato opposto della strada è evidenziato con una freccia rossa). È stata prestata particolare attenzione per garantire che vi fosse una distanza sufficiente tra i punti di contatto nella scatola dei fusibili (o scatola di terminazione) in modo che la tensione di prova, che era superiore alla normale tensione operativa, potesse essere applicata in sicurezza.

• 1. La resistenza di isolamento (IR) tra tutte le combinazioni univoche di conduttori, inclusa l'armatura, è stata controllata applicando 500 V CC; le misurazioni IR sono state registrate (Tabella 1).

Generalmente, l'armatura è messa a terra (collegata al sistema di messa a terra). Nelle apparecchiature che incorporano la funzione di sicurezza F-OHM, la misurazione IR viene eseguita in modalità ad alta tensione e richiede un collegamento tra il ritorno ad alta tensione e la messa a terra (collegata al sistema di messa a terra) per chiudere il circuito di sicurezza. Tutte le misurazioni vengono quindi effettuate tra il conduttore "caldo" selezionato e il ritorno ad alta tensione, che è di fatto collegato a terra. Tuttavia, questo non è esattamente lo stesso di una misurazione tra il conduttore selezionato e l'armatura (ad es. da L1 a L2 ≠ da L1 ad armatura), poiché i percorsi misurati sono diversi.

In questo caso particolare, è stato piuttosto sorprendente che tutti i valori IR fossero compresi tra 50 kΩ e 2 kΩ, valori più bassi rispetto a quelli attesi. Teoricamente, i guasti nei cavi avrebbero potuto essere in diversi punti su tutti e quattro i conduttori, ma era più probabile che tutti i guasti si trovassero nella stessa posizione, ad esempio in un giunto. Questa è stata la prima indicazione che il guasto del cavo era potenzialmente in uno dei giunti a T.

• 2. Una procedura simile è stata adottata con il riflettometro TDR, confrontando le tracce di tutte e dieci le coppie di conduttori tra di loro, come illustrato nella Figura 3.

Figura 3: tracce del riflettometro TDR, confronto tra coppie di conduttori

Poiché la modalità con riflettometro TDR non è una modalità ad alta tensione, può essere attivata senza il ritorno ad alta tensione collegato a terra, pertanto i risultati riflettono la reale impedenza tra i conduttori e tra tutti e quattro i conduttori e l'armatura (= terra). Il riflettometro TDR ha rilevato la fine del cavo a circa 110 m, e le tracce hanno mostrato una buona sovrapposizione da sinistra a destra fino alla linea rossa verticale, che rappresenta una distanza di circa 29 m dal punto di collegamento. A questa distanza, tutte le tracce (che rappresentano le coppie di conduttori) hanno mostrato un aumento dell'impedenza in misura variabile. Ciò corrisponde alla misurazione di diversi valori IR tra le coppie. Questo risultato ha confermato il sospetto che tutti i conduttori avessero un guasto nella stessa posizione, il che è stato ancora una volta un forte indicatore di un possibile guasto in uno dei giunti a T.

• 3. Per il guasto in esame, tutti i valori di resistenza dell'isolamento erano bassi, impedendo potenzialmente scariche elettriche tra i due conduttori, rendendo quindi impossibile l'uso della tecnica ARM (Arc Reflection Method) per la localizzazione del guasto. Tuttavia è sempre utile provare perché, se funziona, la tecnica ARM fornisce una verifica indipendente dei risultati ottenuti dal confronto dell'impedenza tra le coppie.

In questa indagine, sono stati selezionati i due conduttori con la maggiore differenza IR (L1 e L3) per avere la migliore possibilità di creare scariche elettriche (vedere la Figura 4). Il condensatore dell'EZ-Thump 3 è stato caricato fino alla tensione di 3 kV completi, che fornisce 500 J di energia di picco. Con l'aiuto di un filtro ARM di tipo induttivo ad alta efficienza energetica, la traccia dei guasti ARM ha mostrato il guasto quasi alla stessa distanza (29 m) precedentemente identificata dal metodo di confronto delle coppie di conduttori.

Figura 4: localizzazione del guasto tramite tecnica ARM

• 4. Quando possibile, è sempre consigliabile individuare l'esatta posizione del guasto, collocandolo entro un'area di circa 0,25 m2 (3 ft2). Poiché questo guasto aveva generato una traccia ARM, il sistema avrebbe dovuto segnalare un "guasto" lampeggiante, rispondendo quindi alla tecnologia di localizzazione magnetico/acustica, comunemente conosciuta come metodo della “coincidenza” o del “Thunder and Lightning”.

L'EZ-Thump 3 è stato commutato in modalità thump (surge) a una tensione di 3 kV, erogando 500 J. In base ai risultati TDR e ARM e alla conoscenza del percorso del cavo, la localizzazione è iniziata intorno ai 29 m e la posizione esatta del guasto è stata rapidamente individuata, evidenziata come un “bersaglio” sul display del DigiPHONE+ Pinpointer (vedi Figura 5). La posizione del giunto difettoso è mostrata nella Figura 6 e il giunto stesso nella Figura 7.

Figura 5: immagine del punto esatto ottenuta dopo l'individuazione precisa del guasto

Figura 6: il corpo del giunto è stato individuato ed esposto

Figura 7: giunto a T con cavo principale (trunk) e cavo secondario più piccolo (diramazione) (per alimentazione domestica)

Riepilogo

I sistemi EZ-Thump a 3 kV e a 4 kV sono strumenti completi per la localizzazione dei guasti nei cavi, basati su un metodo multifunzionale e progettati per essere utilizzati su cavi LV di ogni tipo e struttura. Nel caso descritto, quattro dei cinque metodi di individuazione dei guasti forniti dall'EZ-Thump sono stati utilizzati con successo in un processo sistematico di individuazione dei guasti. Questi sono stati:

• Modalità di test IR
• Confronto delle coppie di conduttori tramite riflettometro TDR
• Pre-localizzazione con metodo ARM
• Individuazione precisa con metodo surge/thump

Il quinto metodo, quello del gradiente di tensione o potenziale graduale, non può essere utilizzato per individuare precisamente questo guasto a bassa resistenza perché il guasto si trovava in un giunto e l'armatura era collegata alla custodia metallica della giunzione. In genere, questo metodo non può essere utilizzato con cavi armati.

Come dimostrato in questo esempio, le apparecchiature di verifica EZ-Thump forniscono una soluzione pratica, efficace e intuitiva per affrontare la complessità della localizzazione dei guasti nella vasta gamma di cavi LV che costituiscono il cuore delle reti di distribuzione elettrica in tutto il mondo.