Prova e diagnostica dei cavi a media tensione con fonti di tensione sinusoidale VLF

Autore: Martin Jenny, Product Manager presso BAUR GmbH, Sulz (Austria) 

La valutazione dello stato di impianti di cavi aiuta i gestori di reti a media tensione nella pianificazione e nella manutenzione efficienti delle reti. Per consentire una diagnostica dei cavi economica e facilmente integrabile nella quotidianità, è opportuno impiegare una tecnica di misura con una fonte di tensione sinusoidale VLF (Very Low Frequency). Questa fonte può essere utilizzata per la prova e la diagnostica dei cavi, ha un peso ridotto e fornisce risultati affidabili.

Per sfruttare una valutazione dello stato di impianti di cavi per una migliore pianificazione degli investimenti e della riparazione, occorre effettuare misure diagnostiche. Queste forniscono ad esempio informazioni sull’invecchiamento dei cavi o su eventuali guasti nascosti. I gestori di reti che oltre al controllo dell’attivazione (prova dei cavi) desiderano eseguire anche la diagnostica, si domandano pertanto come possono ottenere risultati significativi con un ridotto dispendio di tempo e denaro. L’affidabilità dei risultati di misura dipende anche dalla fonte di tensione dell’apparecchio di prova e misurazione. Sul mercato sono reperibili diverse fonti, come ad es. sistemi risonanti a 50 Hz, VLF Sinus 0,1 Hz (VLF = Very Low Frequency), Damped AC / tensione alternata smorzata (DAC) e VLF Cos-Rect (denominata “coseno rettangolare” o anche 50 Hz Slope). L’articolo spiega perché una prova con VLF Sinus 0,1 Hz rappresenti la soluzione migliore nel quotidiano.

 
Un aspetto fondamentale è che una fonte di tensione con VLF Sinus 0,1 Hz non è solo adatta per la prova dei cavi, ma fornisce anche risultati eccellenti nelle misure diagnostiche. Qui sono rilevanti la misura del tan delta (anche denominata “misura del fattore di dissipazione”) e la misura delle scariche parziali (in proseguio abbreviata con “misura SP”), vedi testo nel riquadro. Una panoramica delle caratteristiche delle diverse fonti di tensione ne spiega il motivo.

 
Caratteristiche di diverse fonti di tensione

 
I principali requisiti della fonte di tensione sono:

• Idoneità alla prova dei cavi/prova di tensione applicata
• Elevata precisione di misura durante la misura del fattore di dissipazione
• Risultati affidabili in caso di misura SP (tensione di innesco e di estinzione, livello SP e pattern SP con risoluzione di fase) ed efficace localizzazione delle scariche parziali
• Elevata riproducibilità dei risultati, per garantire la comparabilità di misure sfalsate nel tempo e dei risultati di diversi tratti di cavi nella rete
• Possibilità di utilizzare diversi metodi in parallelo, combinandoli per risparmiare tempo
• Peso ridotto, facile da maneggiare e da utilizzare, collegamento facile, breve durata di misura

La tabella 1 mostra un confronto tra le fonti di tensione in riferimento a diversi requisiti. Per quanto riguarda la prova di tensione applicata, sia nella teoria che nella pratica quasi tutte le fonti di tensione reperibili sul mercato si sono dimostrate adatte. La tensione sinusoidale VLF 0,1 Hz è tuttavia l’unica perfettamente adatta anche per la misura sia di scariche parziali che del fattore di dissipazione (tan delta). Si tenga presente che la forma d’onda è determinante: Per ottenere risultati affidabili, indipendenti dalla lunghezza dei cavi, risulta vantaggiosa una curva sinusoidale (con frequenza sempre costante). Durante le misurazioni eseguite con una tensione sinusoidale ideale, gli utilizzatori possono confrontare i risultati di misura di diversi tratti di cavi o tipi di giunti.

Tabella 1: Confronto fra diverse forme d’onda in riferimento a diversi requisiti rilevanti per la pratica

 

In relazione alla misura del fattore di dissipazione è stato dimostrato che una misura con tensione sinusoidale VLF è superiore persino alla misura a 50 Hz grazie all’elevata precisione e sensibilità. Per cavi isolati in PE con una bassa frequenza di 0,1 Hz si ottengono valori del tan delta superiori; in questo modo è possibile riconoscere meglio un piccolo aumento del tan delta. La tensione sinusoidale a 0,1 Hz è stata pertanto già tenuta in considerazione nelle norme per via delle sue proprietà positive (IEEE 400.2-2013), dove sia il livello di prova che i valori limite sono disponibili per diverse regioni.

L’idoneità di diverse fonti di tensione per la misura delle scariche parziali è già stata trattata in diverse pubblicazioni scientifiche. Nella maggior parte delle pubblicazioni veniva descritta la comparabilità dei risultati di misura con quelli misurati a frequenza d’esercizio (50 o 60 Hz). Riassumendo, dalle pubblicazioni [1] - [6] si ottiene il seguente risultato:

Una fonte di tensione coseno-rettangolare VLF ha dato, nel confronto tra misure con 2 x U0 su sei giunti usurati dall’esercizio, un livello SP 5,5 volte superiore (ca. 5.500 pC) rispetto alla misura con 50 Hz e VLF Sinus [6]. Le misure con tensione sinusoidale 50 Hz e 0,1 Hz hanno mostrato livelli pressoché identici. I valori di misura più elevati con la fonte di tensione coseno-rettangolare VLF indicano che la misura rappresenta un carico maggiore per i giunti usurati dall’esercizio. Inoltre, nel confronto tra fonte di tensione sinusoidale e rettangolare si riscontra [6] che la forma della curva della tensione di prova esercita un’influenza maggiore rispetto all’aumento del livello da 2 x U0 a 3 x U0.

In riferimento alle misure SP con VLF Sinus, le suddette pubblicazioni hanno riscontrato che il livello della tensione di inserimento per scarica parziale è comparabile a quello della misura a 50 Hz, quando i test sono stati effettuati su oggetti sul campo (quindi non su oggetti preparati artificialmente / apparecchiature di laboratorio). In caso di guasti generati artificialmente, la tensione di inserimento nella misura VLF e nella misura a 50 Hz differiva. Pertanto, i difetti e i corpi di prova artificiali creati in laboratorio non sono adatti per scegliere la fonte di tensione ottimale per l’impiego sul campo [4].

Per quanto concerne il livello SP e il modello SP (distribuzione dei valori di misura), dalle suddette pubblicazioni si è desunto che i risultati con VLF Sinus 0,1 Hz sono comparabili a quelli delle misure a 50 Hz. Ciò vale per giunti usurati dall’esercizio realizzati nella tecnica per inserimento o termoretrazione. Per quanto riguarda la localizzazione delle scariche parziali, non sono state riscontrate differenze rilevanti.

Un confronto tra i processi VLF Sinus 0,1 Hz, sistema risonante 50 Hz, sistema risonante 20-400 Hz e DAC su quattro tratti di cavo con un totale di 42 diversi punti di guasto ha rilevato che nei test su diversi cavi a media tensione nessuna tecnologia si è dimostrata migliore delle altre [2]. Lo studio descritto non ha riscontrato un chiaro nesso tra il livello di scariche parziali o la tensione di inserimento e la fonte di tensione. Pertanto, nella scelta tra le fonti di tensione qui analizzate, gli utilizzatori dovrebbero piuttosto considerare criteri pratici come l’adempimento dei compiti, il peso, la maneggevolezza e la versatilità.

Conseguenze pratiche

Per l’impiego pratico è necessario tener conto di ulteriori aspetti, oltre alla precisione e all’affidabilità della misura. Per l’impiego sul campo sono importanti anche i seguenti aspetti:

• Facile trasporto e collegamento del sistema di misura
• Fabbisogno di personale e di formazione
• Dispendio di tempo per il collegamento
• Dispendio di tempo per la misura
• Rapporto costi/benefici
• Rilevanza dei risultati di misura per la manutenzione preventiva

Le fonti di tensione VLF vantano fra i loro punti di forza un peso ridotto e un’elevata compattezza rispetto alle fonti di tensione a 50 Hz. Poiché la fonte di tensione sinusoidale VLF viene presa in considerazione sia per la prova dei cavi che per le misure diagnostiche del tan delta e delle scariche parziali, i tecnici di rete possono eseguire tutte le misure rilevanti su cavi nuovi e vecchi con un’unica fonte di tensione. Rispetto all’utilizzo di diverse fonti di tensione per diverse misure/prove, l’impiego di una sola fonte di tensione sinusoidale VLF offre chiari vantaggi in termini di tempo, in quanto il collegamento risulta meno dispendioso. Utilizzando una fonte di tensione universale è inoltre possibile applicare parallelamente metodi di prova e di misura, ad es. con il Monitored Withstand Test (in breve MWT). L’acronimo MWT designa l’esecuzione talvolta simultanea della prova e della diagnostica dei cavi con il metodo del tan delta. Dovendo il tecnico di misura per l’MWT collegare un solo apparecchio e avviare un’unica procedura di lavoro, con un ridotto dispendio di tempo aggiuntivo può eseguire il controllo consueto dopo la nuova posa o riparazione di un tratto di cavi e analizzare lo stato del cavo.

La combinazione di prova e misura diagnostica, ovvero l’MTW, offre i seguenti vantaggi:

• Semplice procedura di prova, processo semplice (non richiede alcun collegamento aggiuntivo o corso di addestramento a MWT)  Riduzione della durata della prova (ad es. da 60 min a 15 min), se il cavo è in buono stato
• Nessun sovraccarico dei cavi
• Valutazione dei risultati in tempo reale
• Facile interpretazione dello stato dei cavi mediante il simbolo “smile” sul display
• Risultati precisi sullo stato del cavo

Raccolta di informazioni integrative

Le informazioni della misura integrale del fattore di dissipazione e della misura locale delle scariche parziali si integrano e/o confermano reciprocamente e forniscono ai tecnici di rete e agli addetti alla riparazione un maggiore numero di criteri, talvolta migliori, per la valutazione dei rispettivi impianti.

Perché sia importante tenersi aperta l’opzione sia di una misura del fattore di dissipazione che di una misura delle scariche parziali, lo spiega un esempio: In genere i giunti difettosi, ad es. guarnizioni montate in modo errato o con accessori a conduzione elettrica, possono essere riconosciuti con la misura SP (vedi tabella 2). Questo, tuttavia, non è il caso dei giunti umidi. In questo esempio (vedi figura 1 e 2 e tabella 3), misurato nella rete di Hong Kong, la misura del tan delta ha fornito indicazioni in merito. Lo scostamento standard del tan delta sulla fase 2, riconoscibile nella fig. 1, faceva supporre un giunto umido, in quanto la misura SP non rilevava scariche parziali (troppa umidità). L’MWT, ovvero la combinazione di prova dei cavi e misura del tan delta nell’arco di 15 minuti, ha fatto sì che il giunto si asciugasse e i valori del tan delta diminuissero notevolmente (fig. 2). Questo ha rafforzato ulteriormente il sospetto della presenza di umidità.

Tabella 2: Direttiva esemplificativa per l’interpretazione dello scostamento standard del tan delta

Tabella 3: Valori di misura della figura 1

La fonte di tensione nel lavoro quotidiano

 
Circa dieci anni fa, la Elektrizitätswerk Mittelbaden Netzbetriebsgesellschaft mbH (in breve E-Werk Mittelbaden) ha effettuato un confronto tra il metodo della tensione sinusoidale VLF a 0,1 Hz e quello a 50 Hz per la misura delle scariche parziali su oltre 40 tratti di cavo. Poiché allora il metodo a 50 Hz portò a valutazioni molto diverse e, soprattutto, a prognosi più negative, che fino ad oggi non sono sfociate in guasti, l’azienda optò per il metodo della tensione sinusoidale VLF a 0,1 Hz. Nel frattempo, il metodo VLF con tensione sinusoidale si è dimostrato valido in centinaia di misure. Questo è stato dimostrato su 240 km con 500 misure diagnostiche di tratti parziali eseguite nella rete a 20 kV della E-Werk Mittelbanden su tratti di cavi di massa con carta e di cavi misti.

Alla E-Werk Mittelbaden, questi tratti di cavi vengono diagnosticati con una tensione sinusoidale VLF a 0,1 Hz mediante SP e, da circa sette anni, anche con la misura del tan delta. Secondo Werner Brucker, direttore della gestione reti, l’applicazione di entrambi i processi di diagnostica assicura una buona visione d’insieme dell’invecchiamento e dello stato della rete. Le sezioni classificate come “in pericolo” vengono immediatamente sostituite. La circoscrizione delle sezioni difettose consente un elevato risparmio, poiché con richiede la sostituzione di interi tratti di cavi.

Per la verifica della messa in funzione di impianti di cavi nuovi o modificati, la misura VLF si è rivelata adatta nella pratica per localizzare in modo preciso punti di guasto e in futuro, con la misura SP simultanea, per riconoscere anche difetti nelle guarnizioni, pertanto il lavoro richiesto per l’eliminazione dei guasti (eventuali difetti di montaggio) o la riparazione (lavori di scavo) è estremamente ridotto.

 
Tra i principali vantaggi della fonte di tensione sinusoidale VLF, Brucker evidenzia il peso e l’idoneità all’impiego quotidiano. La tecnica a 0,1 Hz può essere trasportata e azionata da un unico collaboratore, cosa di certo impossibile con un sistema a 50 Hz.

 
L’impiego di un laboratorio mobile occupato da due persone è richiesto solo raramente, poiché l’apparecchio di misura e prova portatile è sufficiente per la maggior parte delle lunghezze dei cavi. Pertanto, l’impiego di un laboratorio mobile è necessario solo per una misura su sette.

 
Per la E-Werk Mittelbaden, l’uso della tecnica VLF a 0,1 Hz offre un chiaro vantaggio in termini di costi: Le misure possono infatti essere effettuate in breve tempo da un solo collaboratore. Grazie ad un ridotto tempo di allacciamento e una breve durata di misura, nonché al ridotto fabbisogno di personale, è così possibile misurare molti tratti di cavi all’anno. I tratti o le sezioni valutati come critici durante le misure vengono predisposti per la riparazione immediata o la sostituzione. Il budget per le riparazioni può così essere impiegato in modo mirato. Grazie alla conoscenza dei punti deboli nella rete e alla riparazione orientata allo stato effettivo dei cavi, è possibile gestire la rete a media tensione con un ridotto tasso di guasto e a costi ottimizzati nonostante la sempre crescente quantità di cavi.

 
Il piano di riparazione alla E-Werk Mittelbaden prevede circa 4 milioni di Euro, di cui 2,5 milioni sono rilevanti per la rete di distribuzione. I costi per la diagnostica dei cavi ammontano attualmente a 90.000 €/anno.

 
Dai test comparativi effettuati prima dell’acquisto dell’apparecchiatura VLF, Brucker ha constatato che nelle sue misurazioni si erano verificate grosse differenze tra misure con tensione sinusoidale VLF a 0,1 Hz e misure a 50 Hz.

 
Nella pratica, un eventuale passaggio non è tuttavia più rilevante, in quanto la E-Werk Mittelbaden ha acquisito una buona familiarità con le misure VLF a 0,1 Hz e la loro interpretazione ed è ora in grado di utilizzare valori di misura con un’elevata affidabilità per la classificazione dei tratti di cavi. Anche la previsione relativa al rischio di guasto in un tratto di cavi nel breve o medio termine può essere effettuata con grande precisione grazie all’esperienza acquisita, così da stabilire priorità adeguate per le misure di riparazione.

Riepilogo

 
La fonte di tensione sinusoidale VLF consente di eseguire prove dei cavi e la diagnostica di un tratto di cavo con un solo collaboratore e con un’apparecchiatura portatile. La forma sinusoidale ideale indipendente dal carico risulta vantaggiosa quando è richiesta la riproducibilità e una buona comparabilità dei risultati. La diagnostica rapida offre pertanto i seguenti vantaggi:


• Impiego mirato del budget per riparazioni
• Risparmio sui costi grazie alla circoscirzione delle sezioni difettose
• Basso tasso di guasto
• Effetto positivo sulla struttura dei costi in rapporto al tasso di guasto della rete
• Qualità di nuovi tratti di cavi (riconoscimento di difetti di montaggio prima di un eventuale guasto)

Riferimenti

 
[1] The Use of the 0,1 Hz Cable Testing Method as Substitution to 50 Hz Measurement and the Application for PD Measuring and Cable Fault Location; M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz

 
[2] Jicable 11 – Investigation of the Technologies for Defect Localization and Characterization on Medium Voltage Underground Lines; G. Maiz (Iberdrola Distribución, Spain)

 
[3] New Studies on PD Measurements on MV Cable System at 50 Hz and Sinusoidal 0,1 Hz (VLF) Test Voltage; K. Rethmeier, P. Mohaupt, V. Bergmann, W. Kalkner, G. Voigt

 
[4] Partial Discharge Measurements on Service Aged Medium Voltage Cables at Different Frequencies; G. Voigt, P. Mohaupt

[5] VLF-TE Messungen an betriebsgealterten Mittelspannungskabel (Abschlussbericht); G. Voigt

[6] Grundlagenuntersuchung zum Teilentladungsverhalten in kunststoffisolierten Mittelspannungskabeln bei Prüfspannungen mit variabler Frequenz und Kurvenform, D. Pepper

[7] IEEE 400.2-2013 IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)