Pruebas de cables VLF

Las pruebas de cables VLF ( muy baja frecuencia ) son una técnica para probar cables de media y alta tensión (MV y HV). Los sistemas VLF son ventajosos porque se pueden fabricar pequeños y ligeros, lo que los hace útiles, especialmente para pruebas de campo donde el transporte y el espacio pueden ser un problema. Debido a que la capacitancia inherente de un cable de alimentación necesita cargarse cuando se energiza, las fuentes de tensión de frecuencia del sistema son mucho más grandes, pesadas y costosas que sus alternativas de menor frecuencia. Tradicionalmente, las pruebas de alta tensión de CC se usaban para las pruebas de campo de cables, pero se ha demostrado que las pruebas de CC son ineficaces para las pruebas de resistencia de cables modernos con aislamiento a base de polímeros ( XLPE , EPR). También se ha demostrado que las pruebas de CC reducen la vida útil restante de los cables con aislamiento de polímero envejecido. ^{[ 1 ]}

Las pruebas VLF de cables están contempladas en la norma IEC 60502 (hasta 35 kV) y en la IEEE 400.2 (hasta 69 kV). A medida que se desarrollen equipos VLF de mayor tensión, las normas podrán adaptarse para aumentar el nivel de tensión de aplicación.

La prueba VLF se puede utilizar de varias maneras:

• Aplique VLF a los cables en un enfoque de resistencia simple para detectar posibles fallas ( fallas ) en el aislamiento del cable durante una interrupción planificada. El cable probado debe soportar una tensión de CA durante un tiempo de prueba especificado sin descarga disruptiva . Este método produce una declaración de "aprobado/reprobado". Las pruebas de cables VLF utilizan diferentes formas de onda (típicamente sinusoidal y cuadrada) y se debe tener cuidado al describir la tensión que se utilizará. Las tensiones RMS y pico tienen diferentes relaciones entre sí dependiendo de la forma de onda, e IEEE 400.2 utiliza el nivel de tensión pico para igualar las formas de onda. Los rangos de frecuencia utilizados están dentro del rango de 0.01  Hz a 0.1  Hz, donde la selección de frecuencia depende de la carga que presenta el cable. Los niveles de tensión de prueba se calculan utilizando un múltiplo de la tensión fase-fase nominal del cable o mediante tablas en IEEE 400.2; típicamente están en el rango de 1.5 U0 a 3 U0. El tiempo de prueba del cable VLF varía de 15 a 60 minutos. IEEE 400.2 establece algunas tensiones y tiempos de prueba sugeridos. Trabajos posteriores del CDFI han demostrado que no hay cambios significativos en la eficacia de una prueba VLF realizada en el rango de frecuencia de 0,1 a 0,01  Hz cuando se utilizan los voltajes y tiempos de la norma IEEE 400.2. ^{[ 2 ]}
• Aplique VLF a los cables en un enfoque de prueba de resistencia monitorizada, donde se realiza una medición de diagnóstico antes y durante la prueba. La monitorización del diagnóstico permite tomar decisiones adicionales antes de alcanzar la tensión de prueba final. Algunos cables no son adecuados para las pruebas de resistencia, y una indicación de diagnóstico obtenida a una tensión menor puede evitar la necesidad de realizar dichas pruebas. Durante la prueba, la medición de un parámetro de diagnóstico puede utilizarse para optimizar los tiempos de prueba. Estos tiempos pueden acortarse para cables con buenas indicaciones de diagnóstico o alargarse para cables que muestren un deterioro en las mediciones de diagnóstico durante la prueba.
• Aplique VLF para medir las pérdidas de aislamiento (es decir, el factor de disipación de aislamiento o tangente delta). En este caso, la norma IEEE 400.2 establece los criterios de evaluación. La prueba se realiza normalmente en un rango de voltajes de prueba de 0,5 Uo a 2 Uo, según la norma o guía que se siga.
• Aplique VLF para detectar y medir descargas parciales . En este caso, la norma IEEE 400.3 describe un procedimiento de evaluación y la norma IEC 60270 proporciona la base para las pruebas de descargas parciales en aparatos de alta tensión. La prueba se realiza normalmente en un rango de tensiones de prueba para identificar los diferentes defectos y sus tensiones de inicio y extinción.

Las pruebas de resistencia a alta tensión se utilizan junto con mediciones de descarga parcial en cables y accesorios dieléctricos sólidos dentro de las plantas de fabricación para garantizar la calidad de los componentes del sistema de cableado terminado, desde media tensión (MT) hasta extra alta tensión (EAT). Por lo tanto, es bastante natural que las empresas de servicios públicos también utilicen pruebas de resistencia y descarga parcial como pruebas de puesta en servicio y mantenimiento para sistemas de cableado en campo. El objetivo de estas pruebas es el mismo que en la prueba de fábrica, es decir, detectar cualquier componente defectuoso del sistema de cableado antes de que falle. Las pruebas de resistencia se pueden realizar utilizando una variedad de fuentes de voltaje desde CC hasta 300  Hz y son fáciles de operar y el equipo puede ser económico. Algunas observaciones para la prueba de resistencia VLF son (Basado en los resultados de CDFI): ^{[ 3 ]}

• Las pruebas VLF son sencillas de realizar para una empresa de servicios públicos y no requieren servicios especializados.
• Las tasas de fallos durante las pruebas en un sistema de cableado oscilan entre el 0,2 y el 4 % para pruebas de 30 minutos realizadas a los niveles de tensión IEEE 400.2.
• La norma IEEE Std. 400.2 proporciona niveles sugeridos de tiempo y voltaje para las pruebas, pero no es posible establecer parámetros exactos, ya que se desconocen las tasas de crecimiento de los defectos y estas pueden variar ampliamente.
• Las pruebas VLF según los niveles de prueba IEEE 400.2 no dañan el aislamiento en buen estado de los sistemas de cableado, sino que se utilizan para degradar los defectos de aislamiento existentes hasta provocar una falla durante la prueba, en lugar de durante el servicio. El motivo es que la falla de baja energía del cable bajo prueba produce menos daños colaterales y reduce la probabilidad de interrupciones no planificadas debido a fallas durante el servicio.
• Se han recopilado datos utilizando ambas formas de onda VLF de uso común, pero hay poca evidencia de una diferencia significativa en los resultados de la tasa de fallas que pueda atribuirse a la forma de onda de voltaje cuando se utilizan los voltajes recomendados.

Los cables de distribución de media tensión y sus accesorios constituyen una parte fundamental de los sistemas de suministro eléctrico . Estos sistemas emplean materiales aislantes con baja permitividad y pérdidas dieléctricas. La permitividad y las pérdidas son propiedades dieléctricas del material aislante. Con el paso del tiempo, estas propiedades dieléctricas pueden variar. Las pérdidas dieléctricas pueden evaluarse, ya que pueden aumentar considerablemente durante la vida útil de los sistemas. Este método se correlaciona bien con ciertos crecimientos que provocan pérdidas en aislamientos poliméricos envejecidos, como los árboles de agua.

La medición de tangente delta constituye una técnica de diagnóstico de cables que evalúa el estado general del aislamiento del sistema de cableado, el cual puede representarse mediante un circuito equivalente simplificado compuesto por dos elementos: una resistencia y un condensador. Al aplicar voltaje al sistema, la corriente total es el resultado de la suma de las contribuciones de la corriente del condensador y la corriente de la resistencia. La tangente delta se define como la relación entre la corriente resistiva y la corriente capacitiva. Las mediciones se realizan fuera de línea.

En la práctica, es conveniente medir las propiedades dieléctricas a una VLF de 0,1  Hz. ^{[ 4 ]} Esto reduce tanto el tamaño como los requisitos de potencia de la fuente de energía y aumenta la resolución del componente resistivo (componente cercano a CC) de la pérdida dieléctrica (no el componente capacitivo).

Utilizando la norma IEEE 400.2, se aplican tres criterios diferentes para diagnosticar un sistema de aislamiento de cables mediante el valor de Tan δ. Un criterio utiliza la magnitud del valor de Tan δ como herramienta de diagnóstico, mientras que el otro utiliza la diferencia en los valores de Tan δ para tensiones eléctricas o niveles de voltaje específicos. Este último se conoce comúnmente como el "punto de inflexión" del valor de Tan δ. ^{[ 5 ]} Los resultados de ambos criterios suelen interpretarse siguiendo las recomendaciones de la guía. La guía proporciona un nivel jerárquico que evalúa el sistema de aislamiento de cables. Las principales limitaciones de este enfoque son:

• Puede que sea necesario realizar pruebas adicionales para localizar el origen de las pérdidas.
• En el caso de cables más largos, las pérdidas debidas a tramos dañados pueden verse diluidas en la medición.
• Algunos defectos de aislamiento no están asociados con pérdidas.

Se puede utilizar una fuente VLF para energizar el aislamiento e iniciar descargas parciales a partir de defectos en el mismo. Dado que la prueba se realiza fuera de línea, se puede variar la tensión de prueba para medir las tensiones de inicio y extinción de la descarga parcial. Se pueden utilizar técnicas TDR para localizar la fuente de la descarga y realizar una medición de referencia con un calibrador para presentar la descarga parcial medida en pC.

Las mediciones de descargas parciales (DP) en VLF tienen las mismas ventajas y limitaciones que otras mediciones de DP, y los datos obtenidos utilizando diferentes fuentes de voltaje presentan las mismas incertidumbres.

Los distintos defectos pueden presentar características diferentes según el entorno y la fuente de excitación. Es probable que esto tenga un impacto insignificante en la decisión final. Incluso a voltajes elevados, los criterios de detección (por ejemplo, en Cigre WG B1.28) y el cálculo de la gravedad no están definidos ni dependen de las propiedades medidas de la descarga parcial. Por lo tanto, la detección de las fuentes de descarga parcial es actualmente más importante que la caracterización de los defectos.

La detección de defectos es especialmente útil en cables nuevos, donde el análisis de la gravedad puede ser menos relevante para la decisión final. Cualquier defecto en instalaciones nuevas debe corregirse. En sistemas antiguos, la gravedad de las descargas parciales (DP) puede evaluarse considerando sus diversas características. Lamentablemente, no existe una guía independiente que permita clasificar la gravedad tras una única medición. Se puede establecer una tendencia a partir de mediciones repetidas, por lo que es importante controlar cuidadosamente las condiciones de medición y repetirlas para que la comparación entre mediciones repetidas sea válida.

Las características típicas de la enfermedad de Parkinson que pueden contribuir al análisis de la gravedad incluyen:

• Voltajes de inicio y extinción
• Clasificación del tipo de PD (Interno, superficial, coronario)
• Magnitud de la diferencia de potencial (en mV/pC)
• Tasa de repetición de PD
• Ubicación del defecto

Existe cierto debate en la industria (en gran parte motivado por intereses comerciales) sobre el uso de diferentes fuentes de voltaje para energizar los cables y sobre las ventajas de las diferentes técnicas de diagnóstico cuando se utilizan junto con las diferentes fuentes.

• DIN VDE 0276 (tras realizar pruebas en cables nuevos)
• IEC 60502-2:2014 Cables para tensiones nominales desde 6 kV (Um = 7,2 kV) hasta 30 kV (Um = 36 kV) (después de realizar pruebas de instalación en cables nuevos)
• Guía IEEE 400-2012 para pruebas de campo y evaluación del aislamiento de sistemas de cables de alimentación blindados con una tensión nominal de 5 kV o superior.
• Guía IEEE 400.2-2013 para pruebas de campo de sistemas de cables de alimentación blindados mediante frecuencia muy baja (VLF).
• CENELEC HD620 S1 (después de realizar pruebas con cables nuevos)

• Cortocircuito
• Prueba de rigidez dieléctrica
• Factor de disipación
• Descarga parcial

• Pruebas de aislamiento de alta tensión VLF - Grupo de discusión en LinkedIn
• Informe final de la Fase 1 de la Iniciativa de Diagnóstico Centrado en Cables
• Primeras implementaciones prácticas de diagnósticos de resistencia monitoreada en EE. UU.
• Extracto sobre pruebas de cables de la Guía de ingeniería de cables y alambres de Prysmian