Tensões de teste de isolamento de cabos: quão alto é muito alto?

Stephen Drennan - Engenheiro elétrico 

Há muitas maneiras de testar o isolamento de equipamentos elétricos usando uma variedade de tensões, frequências e métodos de teste. O Grupo Megger fornece uma linha abrangente de testadores para essas aplicações, desde testadores de resistência de isolamento de 50 V a 15 kV, passando por conjuntos de teste Tan Delta VLF e CA até instrumentos de diagnóstico de resposta de frequência dielétrica e HiPot ou testadores de prova usando CA ou CC até 80/800 kV. 

Este artigo tem como objetivo resolver a confusão que às vezes existe com relação aos níveis de tensão aceitáveis para testes de cabos e o que significa "teste de CC" de cabos em vários contextos.

 

Definição dos termos 

Quando usados em um contexto específico, muitos termos de engenharia têm um significado claro e bem definido. Entretanto, quando são retirados do contexto ou usados casualmente, esses mesmos termos podem se tornar ambíguos e confusos. Um bom exemplo é "alta tensão". 

Muitas normas nacionais e internacionais definem sem ambiguidade as tensões que podem ser adequadamente designadas como ELV (extra baixa tensão), EHV (extra alta tensão) e todas as demais. No entanto, no uso comum, a expressão "alta tensão" tem significados muito diferentes para um engenheiro de HVAC comercial acostumado a trabalhar com 110 ou 230 V, um engenheiro de distribuição que trabalha com sistemas de 11 kV e um engenheiro de transmissão cujo trabalho envolve linhas de transmissão de 132 kV ou 765 kV. Os equipamentos de teste são frequentemente usados além dessas fronteiras disciplinares e, em parte, pelo menos por causa do uso vago da terminologia, pode haver confusão sobre quais tensões e métodos de teste são apropriados – e quais são potencialmente prejudiciais – em aplicações específicas. 

 

O problema – cabos dielétricos sólidos XLPE 

As preocupações com os testes de alta tensão surgiram como resultado do comportamento dos cabos XLPE quando eles foram submetidos ao mesmo regime de manutenção que havia sido aplicado anteriormente aos tipos de cabos laminados. No início da década de 1990, algumas pesquisas valiosas sobre os fatores que afetavam o envelhecimento dos cabos XLPE foram realizadas pelo Dr. N N Srinivas, do EPRI (Electric Power Research Institute), e por outros, como o Dr. M Mashikian, da Universidade de Connecticut, e o Prof.dr.ir. F.H. Kreuger da Universidade de Delft. 

 

Teste de CC versus teste de sobretensão 

Todos os documentos resultantes se referem ao que é conhecido como "teste de prova", "teste de resistência" ou "teste de alta tensão", o que significa que tensões "altas" (essa palavra de novo), relativas à tensão de trabalho do sistema, são aplicadas aos cabos para verificar se ocorre uma falha durante o teste. Por exemplo, uma tensão de teste de 40 kV pode ser usada para testar um cabo de sistema de 15 kV. No contexto desses regimes de teste de cabos, os documentos também se referem ao "teste de CC" para diferenciá-lo do teste de CA em tensões semelhantes. No entanto, os pesquisadores não estão se referindo a todos os testes de CC, independentemente da tensão usada – afinal, um multímetro usa uma tensão CC de 0,5 a 2,5 V para testar a continuidade, mas isso certamente não estaria incluído! Os pesquisadores estão preocupados apenas com tensões CC "altas", mas o que significa "altas" nesse contexto? 

 

A investigação do EPRI 

O relatório do EPRI começa afirmando que "o teste de alta tensão CC dos cabos é usado em um esforço para detectar imperfeições grosseiras ou deterioração..." 

Nesse contexto, as tensões em questão ficam absolutamente claras em declarações como: 

"O teste de CC a 40kV causará uma redução na vida útil de um cabo isolado com XLPE envelhecido aceleradamente" e 

"O teste de CC a 70kV ou 55kV antes do envelhecimento não parece influenciar a vida útil do cabo." 

As investigações analisaram três classes de cabos XLPE: os novos, os que haviam sido envelhecidos naturalmente e os que haviam sido submetidos a envelhecimento acelerado em laboratório, operando-os com cerca de duas vezes a tensão normal de trabalho em alta temperatura. 

 

Amostragem 

As amostras foram então divididas em dois grupos, e um grupo foi submetido a um teste de sobretensão CC, enquanto o outro grupo não foi. As tensões de teste de sobretensão CC aplicadas aos cabos foram de 3,8 a 5,2 vezes a tensão de projeto CA dos cabos, normalmente de 40 kV a 68 kV. Ambos os conjuntos de amostras foram então submetidos a tensões CA de "envelhecimento acelerado" e o tempo final de falha das amostras foi comparado. 

 

Resultados 

Em alguns testes, as amostras que foram submetidas ao teste de sobretensão CC falharam mais cedo do que as amostras não testadas. Por exemplo, dois dos cabos testados falharam após 346 e 887 dias, enquanto seus equivalentes não testados sobreviveram por mais de 928 dias. No entanto, os resultados não foram de forma alguma claros, pois 32 outros cabos do estudo não apresentaram diferença estatisticamente significativa entre as amostras testadas e não testadas. 

 

Conclusões da pesquisa do EPRI 

No entanto, à luz de trabalhos laboratoriais anteriores sobre a análise microscópica da geração de árvores aquáticas e levando em conta a capacidade limitada da sobretensão CC de induzir falhas durante o teste, os pesquisadores concluíram que, embora o teste de sobretensão CC em cabos novos não envolvesse nenhum risco de degradação do cabo, havia um risco potencial de envelhecimento acelerado em cabos XLPE já envelhecidos. 

 

Mecanismos de falha 

A pesquisa sugeriu que o problema com o teste de sobretensão estava relacionado à indução de um campo elétrico no isolamento da ordem de 230 V por milésimo de polegada (um "thou" na linguagem britânica ou um "mil" na americana). No mundo métrico, isso é equivalente a 9050 V/mm. Esse campo elétrico é um problema para o isolamento de XLPE significativamente envelhecido, pois a resistência dielétrica desse cabo pode cair para menos de 300 V por milésimo de polegada (12.000 V/mm). A partir desse ponto, o estresse da sobretensão pode danificar o isolamento de forma mensurável. 

A pesquisa também estabeleceu que, quando o 

isolamento é novo, sua rigidez dielétrica é da ordem de 1.100 V por milésimo de polegada (44.000 V/mm). Isso é cerca de quatro vezes a força de campo produzida durante o teste de CC que, portanto, não terá efeito sobre o isolamento novo. 

 

Alta tensão 

Tendo em mente o que foi dito acima, é importante perceber que as tensões de tensão produzidas no cabo não são simplesmente resultado da aplicação de uma tensão CC – uma sobretensão CA também acelera o envelhecimento –, mas se devem principalmente à alta tensão usada nos testes de sobretensão. 

 

Testes de isolamento de subtensão 

Nem todos os testes de isolamento em cabos são realizados em altas tensões. De fato, muitos testes de CC são normalmente realizados em 2,5 kV ou 5 kV. Essas tensões elétricas resultantes desses testes são apenas um oitavo a um décimo sexto da resistência dielétrica até mesmo de um cabo XLPE mal envelhecido. Não há nenhuma evidência de que isso cause qualquer problema para o isolamento. Esses valores são, de fato, significativamente menores do que as relações de tensão/força dielétrica que comprovadamente não causam problemas aos novos cabos XLPE. 

Portanto, o teste de isolamento CC de subtensão pode ser usado como parte dos procedimentos de comissionamento e manutenção sem a preocupação de danificar os cabos XLPE. De fato, ele é frequentemente usado por empresas de serviços públicos com, por exemplo, um tempo de teste de 10 minutos entre cada fase e tela, com um nível de aprovação de 10GΩ. Outras concessionárias usam essa forma de teste, em conjunto com outros testes, para verificar a consistência entre as fases. 

 

Por que o teste de sobretensão CC é um problema para o XLPE 

Embora as sobretensões CC e CA possam acelerar o envelhecimento, em durações de teste típicas de, digamos, 30 minutos, o problema para o XLPE é muito pior com CC do que com CA. Isso ocorre porque o campo elétrico, mantido na mesma direção durante o teste, pode criar cargas espaciais indesejáveis dentro do isolamento do XLPE; quando o cabo é subsequentemente reenergizado, essas cargas permanecem, causando tensões localizadas muito altas. A tensão CA normal mais a carga espacial podem iniciar uma arborescência elétrica no isolamento, que pode se transformar em uma falha e reduzir a vida útil. Pode levar até 24 horas para que as cargas espaciais se dissipem após um teste de sobretensão CC e, na maioria dos casos, deixar um cabo fora de serviço por tanto tempo é impraticável. 

 

Soluções para testar cabos XLPE 

É razoável argumentar que qualquer teste destinado a determinar o status do isolamento deve avaliar o sistema sob teste da maneira mais próxima possível de suas condições normais de operação. Assim, para um sistema de cabos destinado ao serviço na frequência de energia CA, um teste de sobretensão CA a 50/60 Hz pode ser considerado o teste mais representativo, especialmente porque as reversões de campo evitarão a geração de cargas espaciais persistentes. 

Entretanto, na frequência de energia, um cabo aparece como uma grande carga capacitiva, com valores típicos de 300 pF/m. Um comprimento de 500 m de um cabo de 66 kV sendo testado em 100 kV CA apresentará, portanto, uma carga capacitiva de 470 kVA. Claramente, o fornecimento dessa carga exigiria um sistema de teste grande, pesado e muito caro. E, se esse sistema de teste fosse alimentado por uma fonte monofásica de 400 V, a corrente de entrada necessária excederia 1 kA! Mesmo que fosse utilizado um conjunto de teste ressonante em série que reduzisse a necessidade de energia de entrada, ele ainda seria grande e caro. No entanto, às vezes não há alternativa e o acesso a esse tipo de equipamento especializado é necessário de tempos em tempos para algumas empresas de serviços públicos e para muitos fabricantes de equipamentos e cabos. 

No entanto, no ambiente de campo geral, os testadores de VLF (frequência muito baixa) costumam ser uma opção aceitável e muito mais conveniente, mas ainda exigem uma consideração cuidadosa dos níveis de tensão e das técnicas de teste.

 

Técnicas de CA VLF 

É evidente que uma redução no efeito de carga capacitiva do cabo ajudará a facilitar os testes práticos, de modo que os testes de VLF são realizados em frequências abaixo de 1 Hz. Reduzir a frequência de teste para 0,1 Hz, a frequência mais frequentemente usada para testes de VLF, significa que a potência de saída necessária do testador é reduzida em um fator de 500, o que a torna uma proposta de teste de campo muito mais prática. 

O Guia IEEE para Testes de Cabos em Campo Usando VLF (IEEE 400.2, Tabela 1) resume as tensões de teste de VLF aplicáveis a vários tipos de cabos, dividindo cada uma em categorias para testes de instalação, aceitação e manutenção. 

As durações dos testes de VLF são significativamente mais longas do que as dos testes de 5/10 kV CC. As durações recomendadas são geralmente de 30 ou 60 minutos por teste, o que pode tornar o processo demorado quando for necessário testar cada fase separadamente. 

A pesquisa de campo sobre falhas relacionadas ao teste foi realizada para respaldar a pesquisa de laboratório original que levou ao desenvolvimento do teste de VLF. Isso mostrou que "os testes de VLF nos níveis da norma IEEE 400.2 não danificam significativamente os sistemas de cabos”. 

Observe, no entanto, que essa pesquisa também adverte contra o aumento dos valores de tensão VLF recomendados para cabos envelhecidos em campo em uma tentativa de reduzir o tempo de teste (para, digamos, 15 minutos por fase), pois isso pode causar vários problemas de falha. 

Os cabos novos, por outro lado, podem suportar tensões mais altas, conforme definido, por exemplo, na norma IEC605202-2, que inclui uma tensão de teste para cabos novos de 3Uo a 0,1 Hz por 15 minutos. Portanto, esse é outro exemplo em que é necessário ter clareza sobre quão alto é alto o suficiente e quão alto é alto demais! 

Pode-se considerar que as frequências muito baixas empregadas podem não representar adequadamente as tensões no cabo quando ele estiver operando na frequência de potência. Por esse motivo, uma forma de onda adaptada conhecida como "cosseno-retangular" é frequentemente usada em conjuntos de teste de VLF. Essa forma de onda é substancialmente uma onda quadrada com bordas ascendentes e descendentes que se aproximam da inclinação de uma onda senoidal de frequência de potência. Isso significa que as tensões produzidas em um cabo durante o teste com uma forma de onda cosseno-retangular são mais representativas daquelas que o cabo experimentará em operação normal. 

VLF cosseno-retangular para testar cabos mais longos 

Essa forma de onda cosseno-retangular é recomendada pelas normas IEC, DIN VDE, pelos documentos 

de harmonização HD620 e a IEEE400. O documento da CIGRE sobre a experiência de testar cabos nos EUA não encontrou nenhuma diferença significativa na capacidade de diagnóstico das formas de onda senoidal e cosseno-retangular, mas o equipamento cosseno-retangular permite que os testes sejam realizados em cargas com maior capacitância e, portanto, possibilita testar cabos mais longos do que aqueles que podem ser testados usando um conjunto de teste senoidal comparável. 
 

Cada macaco no seu galho… 

As recomendações práticas para testes de campo de cabos podem ser resumidas da seguinte forma: 

1. Teste de isolamento em 2,5 kV ou 5 kV (teste de subtensão) 

• Pode ser realizado em equipamentos de alta e média tensão, incluindo cabos XLPE, sem medo de induzir falhas, seja como um teste de aprovação/rejeição de baixo custo ou, em alguns equipamentos, como um teste de isolamento de diagnóstico, utilizando técnicas como tensão de passo, índice de polarização ou descarga dielétrica. Com as tensões e durações habitualmente usadas, não há evidências de degradação do isolamento do cabo XLPE. 

2. Teste de prova de alta potência CC a 40kV/70kV ou acima (teste de sobretensão) 

• Pode ser realizado durante o comissionamento de qualquer cabo novo, embora certos tipos de defeitos possam passar despercebidos. 
• Não deve ser realizado para testes de cabos XLPE envelhecidos ou outros cabos dielétricos sólidos durante o ciclo de manutenção, mas pode ser realizado em tipos de cabos laminados.  

3. Teste de VLF 

• Pode ser aplicado aos tipos de cabo dielétrico laminado e dielétrico sólido. 
• O teste de VLF usa uma frequência de 0,1 Hz, o que resolve os problemas com o teste de alta potência CC (acima de 40 kV) em cabos XLPE ou mistos, pois a direção do campo elétrico é alternada. 
• O requisito de energia reduzido em comparação com o teste de frequência de energia significa que o equipamento de teste pode ser transportado e custa menos. 
• O VLF pode testar cabos longos devido aos baixos níveis de corrente necessários e essa capacidade é maximizada com a opção de teste cosseno-retangular.