1. Presentació: La importància del diagnòstic de fallades del cable
En la societat moderna, Els cables serveixen com a portadors bàsics de la potència, telecomunicació, i camps industrials, amb la seva fiabilitat que afecta directament la seguretat del sistema i el funcionament estable. No obstant això, Les falles del cable són inevitables a causa dels factors ambientals, tensió mecànica, envelliment aïllant, i altres influències. Les interrupcions o interrupcions de la comunicació provocades per aquestes avaries generen anualment importants pèrdues econòmiques. Per tant, dominar les tècniques d'identificació i diagnòstic d'avaries del cable de manera sistemàtica i eficient és de vital importància.
L'equip d'experts en sistemes de cable elabora aquesta guia basant-se en els estàndards de la Comissió Electrotècnica Internacional (IEC) i l'Institut d'Enginyers Elèctrics i Electrònics (IEEE), combinat amb una àmplia experiència de camp. Té com a objectiu proporcionar un marc tècnic de procés complet, des de la preavaluació de la falla fins a la reparació precisa, ajudant al personal tècnic a localitzar ràpidament els tipus i posicions de falla, reduint de manera efectiva els temps de reparació, minimitzant les pèrdues, i millorant de manera integral la fiabilitat del sistema de cable.
2. Classificació d'avaria del cable, Característiques, i causes subjacents
Per diagnosticar de manera eficaç les avaries del cable, és essencial entendre primer els tipus de fallades i les seves causes subjacents. Els diferents tipus de falla presenten característiques elèctriques diferents i requereixen estratègies de detecció diferents.
2.1 Tipus de falla habituals i les seves característiques elèctriques
Els errors dels cables es classifiquen normalment en funció de les característiques de resistència i l'estat de connexió al punt de falla:
Falla de curtcircuit:
Característic: Es produeix una connexió anormal entre fases, o entre una fase i terra (o neutre). La resistència del punt d'avaria sol ser molt baixa, prop de zero (conegut com a curtcircuit de baixa resistència).
Característica elèctrica: La resistència d'aïllament és propera a zero, i la resistència del bucle és anormalment baixa.
Manifestació: Pot provocar ensopegada, fusible bufant, o danys a l'equip.
Falla de circuit obert:
Característic: El conductor del cable està interromput, impedint el flux de corrent. Això pot ser un trencament total o parcial en un, dos, o tres fases.
Característica elèctrica: La resistència del conductor és anormalment alta, o fins i tot infinit; la resistència d'aïllament pot ser normal o danyada.
Manifestació: L'equip no pot rebre energia, o el senyal de comunicació s'interromp.
Falla a terra:
Característic: El conductor del cable (o la capa d'aïllament després de l'avaria) connecta amb la terra. Aquest és un dels tipus més comuns de fallades del cable. Basat en la resistència de contacte al punt de falla a terra, es pot classificar com una falla a terra de baixa resistència o una falla a terra d'alta resistència.
Característica elèctrica: La resistència d'aïllament cau significativament, potencialment des de centenars de MΩ o fins i tot infinit fins a desenes o uns quants MΩ, o fins i tot per sota d'1kΩ (baixa resistència) o superior a 1kΩ (alta resistència), de vegades arribant a centenars de MΩ (alta resistència).
Manifestació: El dispositiu de protecció de falla a terra funciona, El corrent de terra del sistema augmenta de manera anormal, i pot provocar un canvi de tensió.
Falla d'alta resistència:
Característic: La resistència del punt de falla és alta, possiblement des de diversos kΩ fins a diversos MΩ. Això sol ser el resultat de la degradació de l'aïllament, carbonització, o avaria parcial, però encara no ha format un camí complet de baixa resistència. Les falles d'alta resistència solen ser una etapa inicial de moltes avaries de baixa resistència i avaria.
Característica elèctrica: La resistència d'aïllament baixa, però encara té un cert valor. Sota alta tensió, el punt d'avaria pot experimentar flaix o descàrrega, donant lloc a valors de resistència inestables.
Manifestació: Pot provocar escalfament local, augment de la pèrdua dielèctrica, descàrrega parcial, etc. D'hora, pot ser que no hi hagi signes externs evidents, però es revela fàcilment durant les proves de resistència.
Falla de flaix:
Característic: Sota alta tensió, la descàrrega es produeix a la superfície o dins de l'aïllant, formant una conducció transitòria o intermitent. El rendiment de l'aïllament es pot recuperar temporalment després d'eliminar la tensió.
Característica elèctrica: La resistència del punt d'avaria disminueix bruscament amb l'augment de la tensió i augmenta quan es baixa o elimina la tensió..
Manifestació: El sistema pot experimentar una fallada a terra instantània o un curtcircuit, provocant accions de protecció, però el tancament pot tenir èxit. El diagnòstic és un repte.
Falla intermitent:
Característic: Els símptomes d'avaria apareixen i desapareixen de manera intermitent, possiblement relacionat amb factors com la temperatura, humitat, nivell de tensió, o vibració mecànica. Per exemple, una petita esquerda es pot expandir amb l'augment de la temperatura, provocant contacte, i separar quan la temperatura baixa.
Característica elèctrica: La resistència i l'estat de connexió del punt de falla són inestables i canvien amb les condicions externes.
Manifestació: Els dispositius de protecció del sistema funcionen de manera intermitent, dificultant la captura de fallades i suposant un repte important per al diagnòstic.
2.2 Anàlisi dels factors interns i externs que condueixen a fallades de cable
Els errors del cable no són aleatoris; les seves causes són complexes i diverses, generalment resultant de l'acció a llarg termini o transitòria de múltiples factors:
Danys mecànics:
Causes externes: Danys accidentals per excavadores, equip d'aixecament de canonades, etc., durant la construcció; danys per la construcció de carreteres o activitats de tercers; esforç de tracció o compressió per assentament de fonamentació o moviment del sòl; animal (p. ex., rates, tèrmits) rosegant la beina.
Causes internes: Tensió de flexió o tracció excessiva durant la instal·lació; mala qualitat d'instal·lació o impacte de la força externa en els accessoris del cable (p. ex., articulacions, terminacions).
Corrosió química:
Substàncies corrosives al sòl, com els àcids, àlcalis, i sal,s erosiona la funda del cable i les capes de blindatge; residus líquids industrials, taques d'oli, etc., penetrar en l'estructura del cable; corrosió electrolítica (especialment a les zones de corrents errades).
Envelliment tèrmic:
L'operació de sobrecàrrega a llarg termini o la temperatura ambient elevada durant la posada provoquen un envelliment accelerat, enduriment, fragilitat, o fins i tot carbonització dels materials d'aïllament i de la coberta del cable, provocant una pèrdua de rendiment d'aïllament. Mala dissipació de calor (p. ex., cables densament empaquetats, ventilació insuficient) agreuja l'envelliment tèrmic.
Entrada d'humitat i humitat:
Danys a la funda del cable, mal segellat de les juntes, o l'entrada d'humitat a les terminacions permet que l'aigua entri a l'interior del cable. Sota l'acció del camp elèctric, la humitat forma els arbres d'aigua, canals de deteriorament microscòpics en el material aïllant, que redueixen significativament la rigidesa dielèctrica i, finalment, condueixen a la ruptura (Arbres elèctrics).
Estrès elèctric:
Sobretensió: Impulsos de sobretensió produïts pels llamps, operacions de commutació, ressonància, etc., pot superar la capacitat de resistència de l'aïllament del cable, provocant una ruptura de l'aïllament.
Concentració de camp elèctric: Defectes de disseny o instal·lació en accessoris de cable (articulacions, terminacions) provocar una distribució desigual del camp elèctric, creant una intensitat de camp elèctric excessivament alta a les zones locals, accelerant la degradació de l'aïllament, i descàrrega parcial.
Descàrrega Parcial (PD): Quan petits buits, impureses, humitat, o hi ha altres defectes dins, a la superfície, o a les interfícies del material aïllant, es pot produir una descàrrega parcial sota tensió de funcionament, alliberant energia, erosionant gradualment el material aïllant, formant canals de descàrrega, i, en última instància, condueix a una ruptura de l'aïllament.
Defectes de disseny i fabricació:
Impureses, buits, o matèria estranya en el material aïllant durant la fabricació del cos del cable; procés d'extrusió inadequat que condueix a un gruix d'aïllament desigual o microesquerdes; superfície rugosa o sortints sobre blindatges metàl·lics o capes semiconductores.
Problemes de qualitat amb els materials per als accessoris de cable (articulacions, terminacions) o un disseny estructural no raonable.
Defectes d'instal·lació i construcció:
Col·locació incorrecta del cable (radi de flexió massa petit, tensió de tracció excessiva, proximitat a fonts de calor o corrosives); processos de fabricació de terminacions de cable no estàndard (dimensions de desmuntatge inexactes, tractament inadequat de la capa semiconductora, mal segellat, instal·lació incorrecta del con de tensió); ús de material de rebliment no qualificat.
La comprensió d'aquests tipus i causes d'avaria és fonamental per al diagnòstic eficaç d'avaria i la formulació d'estratègies preventives.
3. Tècniques i equips bàsics de diagnòstic d'avaria del cable
El diagnòstic d'avaria del cable és un procés pas a pas, normalment inclou l'avaluació de fallades, pre-ubicació, localització precisa de la falla, i localitzar la ubicació de la falla a terra. Es necessiten diferents eines i tècniques per a cada etapa.
3.1 Prova bàsica i avaluació preliminar
Després de confirmar una possible fallada del cable, el pas inicial és realitzar mesures de paràmetres elèctrics bàsics per fer una avaluació preliminar de la naturalesa de la falla.
Megòhmetre (Comprovador de resistència d'aïllament):
Propòsit: Mesura la resistència d'aïllament entre conductors del cable i entre conductors i apantallament (o terra). Aquest és el mètode més comú i bàsic per avaluar l'estat d'aïllament del cable.
Funcionament: Aplicar una tensió de prova de CC (normalment 500 V, 1000V, 2500V, 5000V, seleccionat segons la tensió nominal del cable), i registreu el valor de la resistència d'aïllament després d'un temps especificat (p. ex., 1 minut o 10 minuts).
Avaluació: Resistència d'aïllament significativament inferior als valors normals o als requisits d'especificació (p. ex., estàndards recomanats: cables de baixa tensió ≥ 100 MΩ/km, 10cables kV ≥ 1000 MΩ/km) indica una possible degradació de l'aïllament o una fallada a terra. Si el valor de la resistència és proper a zero, indica una fallada a terra de baixa resistència o un curtcircuit.
Multímetre:
Propòsit: Mesura la resistència DC del conductor, comprova la continuïtat (circuit obert), i mesura la resistència entre fases o fase-terra (adequat per a baixa tensió o situacions amb baixa resistència al punt de falla).
Funcionament: Utilitzeu el rang de resistència per mesurar la resistència als extrems del conductor per determinar si es tracta d'un circuit obert; mesura la resistència entre fases o de fase a terra per determinar si es tracta d'un curtcircuit o d'una falla a terra de baixa resistència.
Avaluació: La resistència infinita del conductor indica un circuit obert; La resistència entre fases o fase-terra propera a zero indica un curtcircuit o una fallada a terra de baixa resistència.
Traçador de ruta del cable:
Propòsit: S'utilitza per determinar la ruta precisa dels cables en escenaris de col·locació invisible com l'enterrament directe subterrani. Particularment important en l'etapa de localització de falles.
Principi: S'aplica un senyal d'una freqüència específica al cable, i un receptor detecta el camp electromagnètic induït per seguir el camí del cable.
Models: Els models habituals inclouen RD8000, vLocPro, etc.
3.2 Tècniques de localització precisa de fallades
Les proves bàsiques només poden determinar el tipus de falla, no la ubicació exacta. Les tècniques de localització de falla precises tenen com a objectiu mesurar la distància entre el final de la prova i el punt de falla.
3.2.1 Reflectometria en el domini temporal (TDR)
Principi: Un pols de tensió que augmenta ràpidament s'injecta al cable i es propaga al llarg d'ell. Quan el pols troba un desajust d'impedància (com un punt de falla, articulació, terminació, o final obert), part o tot el pols es reflecteix cap enrere. Mitjançant la mesura de l'interval de temps entre els polsos transmesos i reflectits, i conèixer la velocitat de propagació del senyal en el cable (velocitat de propagació, Vp), es pot calcular la distància de la falla: Distància = (Diferència de temps / 2) * Vp.
Escenaris aplicables: Excel·lent per localitzar circuits oberts i curtcircuits de baixa resistència. Els senyals reflectits són clars i fàcils d'interpretar.
Limitacions: Per a fallades d'alta resistència (especialment molt alta resistència), l'energia del pols es pot atenuar o absorbir al punt de falla, donant lloc a senyals reflectits febles o distorsionats, reduint la precisió de la ubicació o fins i tot fent impossible la localització.
Precisió: Generalment alt, pot arribar al ±0,5% o fins i tot més (en funció del rendiment de l'equip, precisió del Vp conegut, i experiència d'operador). VP s'ha de calibrar provant una longitud coneguda d'una secció de cable sana.
3.2.2 Mètode de pont d'alta tensió (Murray Loop, Mètode pont)
Principi: Utilitza el principi del pont de Wheatstone clàssic. S'utilitza un segment de cable saludable o una fase sana del cable defectuós per construir un circuit de pont. Quan el pont està equilibrat, la distància del punt de falla es calcula en funció de la relació de resistència dels conductors del cable. El pont Murray Loop que s'utilitza habitualment és adequat per a fallades a terra monofàsiques o curtcircuits de fase a fase.
Avantatge: Especialment indicat per a fallades a terra d'alta resistència (fins i tot fins a diversos MΩ), que és una debilitat per a TDR. El principi es basa en la mesura de la resistència de CC, no afectat per l'atenuació del senyal reflectida.
Punts d'operació: Requereix almenys un conductor sa com a camí de retorn; requereix una mesura precisa del total longitud del cable i la resistència del conductor; requereix l'ús d'un generador d'alta tensió (com ara equips de prova de suport DC) a “condició” o “cremar” l'aïllament a prop del punt de falla d'alta resistència per reduir la resistència del punt de falla, facilitant la mesura del pont o la posterior localització acústica-magnètica. La tensió de combustió és sovint alta, com ara 8kV, 15kV, o fins i tot més alt, i el funcionament ha de ser extremadament prudent i complir les normes de seguretat.
3.2.3 Mètode de corrent d'impuls (GEL) i Mètode d'impuls secundari (SÍ/JO)
Principi: Aquests mètodes són millores del TDR per localitzar falles d'alta resistència. Apliquen un pols d'alta tensió al cable defectuós, provocant una avaria o un flashover al punt de falla d'alta resistència, generant un pols de corrent. A continuació, els sensors capturen la forma d'ona de pols actual que es propaga al llarg del cable, i s'utilitza una anàlisi similar al TDR per localitzar la falla mitjançant l'anàlisi de l'ona reflectida.
GEL: Analitza directament el pols de corrent reflectit generat en el punt de falla.
SÍ/JO (també conegut com a mètode de reflexió d'arc): Utilitza l'arc format durant la ruptura del punt de falla per crear una impedància baixa “curtcircuit” per al pols TDR al punt de falla, generant una forma d'ona reflectida clara. Això supera el problema dels reflexos TDR febles en falles d'alta resistència i actualment és un mètode molt eficaç per tractar-los..
Escenaris aplicables: Localització prèvia precisa de fallades a terra d'alta resistència i fallades de flashover.
Equipament: Normalment s'integra en localitzadors de fallades de cable professionals, que requereix coordinació amb un generador d'alta tensió (equips d'alta tensió en una furgoneta de prova de fallades de cables).
3.2.4 Localització del punt de falla
Les tècniques de pre-localització proporcionen la distància de falla, però el punt de falla real pot estar dins d'una àrea petita. La localització de punts de falla utilitza mètodes externs basats en el resultat de la pre-ubicació per determinar amb precisió la ubicació de la falla a terra..
Mètode acústic-magnètic:
Principi: Una sobretensió d'alta tensió (utilitzant un generador d'alta tensió) s'aplica al cable defectuós. Quan el punt de falla es trenca i es descarrega, produeix so (ona de pressió) i senyals electromagnètics. Un operador utilitza un receptor sincronitzat acústic-magnètic per escoltar el so mitjançant auriculars i rebre el senyal electromagnètic mitjançant una bobina d'inducció.. A causa de la diferència significativa en les velocitats de propagació entre les ones sonores i electromagnètiques, l'equip pot determinar si el so i el senyal electromagnètic provenen del mateix lloc i si el so es retarda respecte al senyal electromagnètic. (La velocitat de les ones electromagnètiques és propera a la velocitat de la llum, la velocitat de l'ona sonora és molt més lenta), indicant així la direcció i la ubicació del punt de falla. El senyal sonor és més fort just per sobre del punt de falla.
Escenaris aplicables: Diversos tipus d'avaries de descàrrega per avaria (terra, curtcircuit, flashover), especialment eficaç per a cables subterranis enterrats directament.
Punts d'operació: El soroll de fons ambiental pot afectar l'escolta; l'energia de sobretensió s'ha d'ajustar per provocar una descàrrega contínua al punt de falla sense danyar les parts sanes del cable; l'operador necessita experiència per distingir els sons de descàrrega de falla d'altres sorolls.
Mètode de tensió de pas:
Principi: S'aplica una tensió de CC o CA de baixa freqüència a un cable amb falla a terra, provocant la filtració de corrent a la terra al punt de falla. Això crea un camp de gradient de tensió al voltant del punt de falla. S'insereixen dues sondes a terra i es connecten a un voltímetre d'alta sensibilitat, i es va moure pel camí del cable. Directament per sobre del punt de falla, la diferència de tensió invertirà la polaritat.
Escenaris aplicables: Falles a terra de baixa o mitjana resistència, especialment útil per als punts de falla que no produeixen un so de descàrrega clar.
Punts d'operació: Afectat significativament per la humitat i la uniformitat del sòl; requereix una tensió i corrent de prova suficients; la profunditat d'inserció de la sonda i l'espaiat afecten la precisió.
Corrent Mínima / Mètode de camp magnètic màxim:
Principi: S'aplica una freqüència d'àudio o un senyal de corrent de freqüència específica al cable defectuós. Si la falla és un curtcircuit o una falla a terra de baixa resistència, el corrent forma un bucle al punt de falla; si és un circuit obert, el corrent s'atura al punt de ruptura. S'utilitza una pinça de corrent o un sensor de camp magnètic per detectar la intensitat del camp magnètic o del corrent al llarg del camí del cable. Després d'un curtcircuit o un punt d'error a terra de baixa resistència, el corrent disminuirà o desapareixerà significativament (corrent mínima), o el camp magnètic canviarà. Abans d'un punt de circuit obert, el corrent és normal, i després del punt, el corrent és zero.
Escenaris aplicables: Curtcircuits de baixa resistència, falles a terra, o fallades de circuit obert. També s'utilitza sovint juntament amb un traçador de ruta per confirmar el camí.
3.3 Tècniques d'avaluació de l'estat d'aïllament i d'alerta primerenca
Aquestes tècniques s'utilitzen principalment per avaluar la salut general de l'aïllament del cable i detectar possibles defectes. Entren en la categoria de manteniment preventiu o diagnòstic d'avaries d'alta resistència/etapa inicial.
Descàrrega Parcial (PD) Detecció:
Principi: Defectes en el material aïllant (com els buits, impureses) provocar una descàrrega parcial sota la influència del camp elèctric, generant polsos elèctrics, ones electromagnètiques, ones acústiques, llum, i subproductes químics. Els detectors de PD capturen aquests senyals per avaluar l'abast de la degradació de l'aïllament i el tipus de defecte.
Paràmetres tècnics: La sensibilitat es mesura normalment en picocoulombs (pC), capaç de detectar senyals de descàrrega molt febles (p. ex., 1 pC).
Mètodes:
Mètode elèctric: Detecta polsos de corrent generats per la descàrrega (p. ex., mitjançant sensors HFCT del transformador de corrent d'alta freqüència als cables de terra, o mesurant senyals acoblats capacitivament). Aplicable per a proves en línia o fora de línia.
Mètode acústic: Detecta ones ultrasòniques generades per la descàrrega (p. ex., mitjançant sensors de contacte o acoblats a l'aire). Adequat per provar accessoris de cable.
Freqüència ultra alta (UHF) Mètode: Detecta ones electromagnètiques UHF (300 MHz – 3 GHz) generada per la descàrrega. Ofereix una forta immunitat a les interferències, s'utilitza habitualment per als SIG, transformadors, etc., i també es pot utilitzar per a terminacions de cable.
Tensió de terra transitòria (TEV) Mètode: Detects transient voltages to ground coupled onto the metal enclosures of switchgear, etc., from internal PD.
Propòsit: Detects early insulation defects in cables and their accessories (p. ex., voids in joints, moisture ingress into terminations, water trees/electrical trees in the cable body). It is a key technology for predictive maintenance.
Dielectric Loss (Doncs Delta, tgδ) Test:
Principi: Measures the tangent of the dielectric loss angle of the cable insulation material under AC voltage. Dielectric loss represents the insulation material’s ability to convert electrical energy into heat. Healthy insulation materials have low losses, a low tanδ value, and the value changes little with increasing voltage. Moisture ingress, aging, o la presència d'arbres d'aigua i altres defectes en l'aïllament farà que el valor tanδ augmenti i augmenti ràpidament amb l'augment de la tensió.
Propòsit: Avalua el nivell general d'entrada d'humitat o envelliment generalitzat en l'aïllament del cable. Sovint es realitza conjuntament amb proves de resistència AC o VLF.
Prova de resistència:
Propòsit: Verifica la capacitat del cable per suportar un cert nivell de sobretensió sense trencar l'aïllament. Exposa eficaçment els defectes que només es manifesten sota alta tensió.
Mètodes:
Resistent a DC: Un mètode tradicional, però la tensió de CC pot acumular càrrega espacial en XLPE i altres aïllaments extrusats, cables saludables potencialment danyosos. A poc a poc s'està substituint per VLF.
Resistent a la CA: Simula més de prop les condicions reals de funcionament del cable, però l'equip de prova és gran i requereix molta energia.
Freqüència molt baixa (VLF) Resistent a la CA (0.1 Hz): Àmpliament utilitzat avui dia per resistir proves de XLPE i altres cables d'aïllament extruït. L'equip és portàtil, requereix poca energia, i no provoca acumulació de càrrega espacial. Sovint es combina amb mesures de tanδ i PD.
En el següent article, explicarem la resolució de problemes de cable en diferents escenaris amb casos concrets. Seguiu ZMS CABLE FR per obtenir més informació sobre els cables.
