Uma abordagem de caixa de ferramentas para localização de falhas em cabos de energia de BT

Autor: Henning Oetjen, gerente de produtos de cabos da Valley Forge

Histórico

Os circuitos de cabos de energia de baixa tensão (BT) (<600 V) são a espinha dorsal dos sistemas de distribuição elétrica em quase todas as partes do mundo, com a notável exceção da América do Norte, onde essa função é normalmente fornecida por circuitos de cabos de energia de média tensão (MT) (5 a 35 kV).

No entanto, em todo o mundo, há uma quantidade significativamente maior de cabos de BT em uso do que de cabos de MT, o que é um dos motivos pelos quais as falhas nos cabos de BT são mais frequentes. Além da inevitabilidade estatística de ocorrerem mais falhas em cabos de baixa tensão devido à sua maior quantidade, existem outros fatores que contribuem para isso. Esses fatores incluem a diversidade de tipos de construção de cabos, a variação nos projetos de emendas e a variedade de procedimentos de montagem e trabalho utilizados.

Essa ampla gama de variações na construção faz com que a localização de falhas em cabos de BT seja um desafio. Ao contrário dos cabos de média tensão, onde a grande maioria dos problemas são falhas de furos ou arcos elétricos que podem ser detectadas com uma pequena variedade de métodos de teste, os cabos de baixa tensão exigem uma gama muito mais ampla de técnicas para localização de falhas. Tradicionalmente, isso tornava necessário o uso de diversos equipamentos de teste separados, já que, até o momento, não há um sistema integrado de localização de falhas para cabos de BT no mercado, embora os sistemas integrados para cabos de MT estejam amplamente disponíveis.

O posicionamento da Megger

A Megger, em Valley Forge, EUA, começou a oferecer seu localizador de falhas em cabos EZ-Thump de 4 kV há cerca de dez anos, seguido por uma versão de capacitor duplo de 3 kV originalmente projetada para a ENEDIS (antiga ERDF), subsidiária da EDF, a concessionária francesa responsável por grande parte da rede de distribuição de energia da França.

Ambos os modelos EZ-Thump são sistemas integrados baseados em TDR (refletômetro de domínio de tempo) que seguem o conceito de design "kit de ferramentas". Em um único dispositivo, eles reúnem todas as tecnologias necessárias para a localização de falhas em cabos e circuitos de BT de todos os tipos, exceto em circuitos altamente ramificados. Na prática, essas exceções são raras: estima-se que 80% dos circuitos em todo o mundo sejam do tipo ponto a ponto ou possuam ramificações em T muito curtas, com cerca de 5 a 10 metros. A predominância desses circuitos torna as tecnologias baseadas em TDR as preferidas de muitas operadoras de rede.

Apesar da crença comum em contrário, a localização de falhas em cabos de BT não é simplesmente a mesma tarefa realizada em cabos de MT, mas com tensões mais baixas. Uma das razões para isso é que quase todos os cabos de BT são multicondutores. É essencial compreender as diferenças na disposição dos condutores de fase e neutro, no design do cabo, nos materiais isolantes e, em alguns casos, nas configurações de blindagem e armadura. Esses fatores, juntamente com a resistência da falha, influenciam diretamente qual método de localização será mais eficaz.

Este artigo apresenta um protocolo detalhado para a localização de falhas em cabos de BT, demonstrando sua aplicação em um caso real. O protocolo baseia-se no uso dos sistemas de localização de falhas EZ-Thump de 3 kV e 4 kV da Megger.

A falha

Figura 1: Cabo LV de quatro núcleos com armadura de aço

A falha envolveu uma seção de cabo BT residencial de quatro condutores (três fases e um neutro) com armadura de aço, como mostrado na Figura 1. A seção do cabo tinha aproximadamente 100 metros de comprimento e conectava dois gabinetes de fusíveis (Figura 2). Esse cabo alimentava três residências, cada uma conectada por uma emenda em T. As emendas tinham espaçamento de cerca de 30 metros entre elas.

Protocolo de localização

Figura 2: Gabinete de fusíveis trifásico residencial típico

Antes de iniciar a localização da falha, foram removidos os fusíveis de cada caixa de serviço residencial na seção do cabo (veja a Figura 2, onde uma caixa típica no lado oposto da rua está destacada com uma seta vermelha). Foi mantida uma folga adequada entre os pontos de contato na caixa de fusíveis (ou terminação) para que a tensão de teste, superior à tensão operacional normal, pudesse ser aplicada com segurança.

• 1. A resistência de isolamento (RI) foi verificada entre todas as combinações exclusivas de condutores, incluindo a blindagem, aplicando-se 500 V CC. As medições de RI foram registradas (Tabela 1).

Normalmente, a blindagem é conectada ao aterramento do sistema (terra). Em equipamentos com o recurso de segurança F-OHM, a medição de RI é realizada no modo de alta tensão, exigindo uma ligação entre o retorno de AT e o aterramento para fechar o circuito de segurança. Portanto, todas as medições são feitas entre o condutor "quente" selecionado e o retorno de AT, que é de fato aterrado. No entanto, isso não é exatamente o mesmo que uma medição entre o condutor selecionado e a blindagem (ou seja, L1 a L2 ≠ L1 a blindagem), pois os caminhos medidos são diferentes.

Nesse caso específico, foi surpreendente constatar que todos os valores de RI estavam entre 50 kΩ e 2 kΩ, abaixo do esperado. Embora fosse possível que houvesse falhas em vários locais no cabo, era mais provável que todas estivessem concentradas em um único ponto, como em uma emenda. Essa foi a primeira indicação de que a falha poderia estar em uma das emendas em T.

• 2. Uma rotina semelhante foi conduzida com o TDR, comparando os traços de todos os dez pares de condutores, como mostrado na Figura 3.

Figura 3: Traços de TDR, comparação de pares de condutores

Como o modo TDR não opera em alta tensão (AT), ele pode ser ativado sem que o retorno de AT esteja conectado ao terra, permitindo que os resultados reflitam a verdadeira impedância entre os condutores, bem como entre os quatro condutores e a blindagem (= terra). O TDR conseguiu detectar a extremidade do cabo a aproximadamente 110 metros, e os traços demonstraram uma excelente sobreposição de dados da esquerda para a direita até a linha vermelha vertical, que indica uma distância de cerca de 29 metros do ponto de conexão. Nessa distância, todos os traços (representando os pares de condutores) apresentaram um aumento na impedância, em graus variados. Esse comportamento corresponde aos diferentes valores de resistência de isolamento (RI) medidos entre os pares. Esse resultado corroborou a suspeita de que todos os condutores apresentavam falhas no mesmo local, fortalecendo a hipótese de que o problema estivesse em uma das emendas em T.

• •    3. No caso analisado, os valores de resistência de isolamento estavam baixos, o que poderia impedir a ocorrência de um arco elétrico entre dois condutores, inviabilizando o uso da técnica ARM (método de reflexão de arco) para localizar a falha. Ainda assim, a tentativa valeu a pena, pois, se bem-sucedida, a técnica ARM oferece uma validação independente dos resultados obtidos por comparação de impedâncias entre pares.

Nesta investigação, os condutores com maior diferença de resistência de isolamento (L1 e L3) foram selecionados para aumentar as chances de provocar um arco elétrico (conforme ilustrado na Figura 4). O capacitor do EZ-Thump 3 foi carregado ao máximo de 3 kV, gerando 500 J de energia de surto. Com o auxílio de um filtro ARM indutivo de baixo consumo, o traço da falha gerado pelo ARM indicou uma distância de 29 metros, confirmando o resultado obtido anteriormente pelo método de comparação de pares de condutores.

Figura 4: Localização da falha pelo método ARM

• 4. Sempre que possível, é ideal identificar o local exato da falha, restringindo a área de busca para cerca de 0,25 m² (ou 3 pés²). Como essa falha gerou um traço ARM, tratava-se de uma falha intermitente e, portanto, adequada à tecnologia de localização magnética/acústica, também conhecida como método de "coincidência" ou "trovões e relâmpagos"

O EZ-Thump 3 foi configurado no modo "thump" (surto), aplicando 3 kV e 500 J. Com base nos resultados do TDR, do ARM e no conhecimento do trajeto do cabo, a busca foi iniciada a aproximadamente 29 metros. O local exato da falha foi rapidamente identificado, aparecendo como um "alvo" na tela do DigiPHONE+ Pinpointer (Figura 5). A localização da emenda defeituosa está ilustrada na Figura 6, enquanto a emenda propriamente dita é apresentada na Figura 7.

Figura 5: Imagem de alvo ("olho de boi") após a localização da falha

Figura 6: Corpo da emenda localizado e descoberto

Figura 7: Emenda em T mostrando o cabo "tronco" e o cabo "ramal" menor (alimentando o serviço da casa)

Resumo

Os sistemas EZ-Thump 3 kV e 4 kV são soluções completas, baseadas no conceito de "caixa de ferramentas", projetadas para localizar falhas em cabos BT de diferentes designs e construções. No caso descrito, quatro dos cinco métodos de localização de falhas oferecidos pelo EZ-Thump foram aplicados com sucesso em um processo sistemático. Foram eles:

•  Modo de teste RI
•  Comparação de pares de condutores via TDR
•  Pré-localização pelo método ARM
•  Localização de falhas por surto/thump

O quinto método, potencial de passo ou gradiente de tensão, não foi aplicável devido à natureza da falha (baixa resistência) e porque ela estava localizada em uma emenda cuja armadura estava conectada à caixa metálica. Em geral, esse método não é viável em cabos blindados.

Este exemplo demonstra que os equipamentos EZ-Thump fornecem uma solução conveniente, eficaz e de fácil uso para enfrentar o desafio de localizar falhas em cabos de baixa tensão, amplamente utilizados em redes de distribuição de energia ao redor do mundo.