1. Introducción: La importancia del diagnóstico de fallas en los cables
en la sociedad moderna, Los cables sirven como portadores centrales en el poder, telecomunicaciones, y campos industriales, con su fiabilidad impactando directamente la seguridad del sistema y la operación estable. Sin embargo, Las fallas de cable son inevitables debido a factores ambientales, estrés mecánico, envejecimiento de aislamiento, y otras influencias. Los cortes o interrupciones en las comunicaciones provocados por estas averías provocan importantes pérdidas económicas anualmente. Por lo tanto, Dominar las técnicas sistemáticas y eficientes de identificación y diagnóstico de fallas en cables es de vital importancia..
El equipo de expertos en sistemas de cables compila esta guía basándose en los estándares de la Comisión Electrotécnica Internacional. (CEI) y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), combinado con una amplia experiencia de campo. Su objetivo es proporcionar un marco técnico de proceso completo., desde la evaluación previa de fallos hasta la reparación precisa, ayudar al personal técnico a localizar rápidamente tipos y posiciones de fallas, acortando eficazmente los tiempos de reparación, minimizando pérdidas, y mejora integral de la confiabilidad del sistema de cables.
2. Clasificación de fallas de cables, Características, y causas subyacentes
Para diagnosticar fallos de cables de forma eficaz, Es esencial comprender primero los tipos de fallas y sus causas subyacentes.. Los diferentes tipos de fallas exhiben diferentes características eléctricas y requieren diferentes estrategias de detección..
2.1 Tipos de fallas comunes y sus características eléctricas
Las fallas de cables generalmente se clasifican según las características de resistencia y el estado de la conexión en el punto de falla.:
Fallo de cortocircuito:
Característica: Se produce una conexión anormal entre fases., o entre una fase y tierra (o neutral). La resistencia del punto de falla suele ser muy baja., cerca de cero (conocido como cortocircuito de baja resistencia).
Característica eléctrica: La resistencia del aislamiento es cercana a cero., y la resistencia del bucle es anormalmente baja.
Manifestación: Puede provocar tropezones, fusible fundido, o daños al equipo.
Falla de circuito abierto:
Característica: El conductor del cable está interrumpido., evitando el flujo de corriente. Esto puede ser una ruptura total o parcial en uno., dos, o tres fases.
Característica eléctrica: La resistencia del conductor es anormalmente alta., o incluso infinito; La resistencia del aislamiento puede ser normal o estar dañada..
Manifestación: El Equipo no recibe energía, o la señal de comunicación se interrumpe.
Falla a tierra:
Característica: El conductor del cable (o la capa de aislamiento después de la rotura) se conecta a la tierra. Este es uno de los tipos más comunes de fallas en los cables.. Basado en la resistencia de contacto en el punto de falla a tierra, Se puede clasificar como falla a tierra de baja resistencia o falla a tierra de alta resistencia..
Característica eléctrica: La resistencia del aislamiento cae significativamente, potencialmente desde cientos de MΩ o incluso infinito hasta decenas o unos pocos MΩ, o incluso por debajo de 1kΩ (baja resistencia) o superior a 1kΩ (alta resistencia), a veces alcanza cientos de MΩ (alta resistencia).
Manifestación: El dispositivo de protección de falla a tierra funciona, La corriente de tierra del sistema aumenta anormalmente., y puede causar un cambio de voltaje.
Falla de alta resistencia:
Característica: La resistencia del punto de falla es alta., posiblemente desde varios kΩ hasta varios MΩ. Esto generalmente se debe a la degradación del aislamiento., carbonización, o avería parcial, pero aún no ha formado un camino completo de baja resistencia. Las fallas de alta resistencia son a menudo una etapa temprana de muchas fallas de baja resistencia y averías..
Característica eléctrica: Caídas de resistencia de aislamiento, pero todavía tiene un cierto valor. Bajo alto voltaje, el punto de falla puede experimentar una descarga súbita o una descarga, lo que lleva a valores de resistencia inestables.
Manifestación: Puede causar calentamiento local, aumento de la pérdida dieléctrica, descarga parcial, etc.. Desde el principio, Puede que no haya signos externos obvios., pero se revela fácilmente durante las pruebas de resistencia..
Falla de sobretensión:
Característica: Bajo alto voltaje, La descarga ocurre en la superficie o dentro del aislante., formando una conducción transitoria o intermitente. El rendimiento del aislamiento puede recuperarse temporalmente después de eliminar el voltaje..
Característica eléctrica: La resistencia del punto de falla cae bruscamente al aumentar el voltaje y aumenta cuando el voltaje se reduce o se elimina..
Manifestación: El sistema puede experimentar una falla a tierra instantánea o un cortocircuito., provocando acciones de protección, pero volver a cerrar puede tener éxito. El diagnóstico es un desafío.
Fallo intermitente:
Característica: Los síntomas de falla aparecen y desaparecen intermitentemente, posiblemente relacionado con factores como la temperatura, humedad, nivel de voltaje, o vibración mecánica. Por ejemplo, una pequeña grieta puede expandirse con el aumento de temperatura, causando contacto, y separar cuando baje la temperatura.
Característica eléctrica: La resistencia y el estado de conexión del punto de falla son inestables y cambian con las condiciones externas..
Manifestación: Los dispositivos de protección del sistema funcionan de forma intermitente, dificultando la captura de fallas y planteando un desafío importante para el diagnóstico.
2.2 Análisis de factores internos y externos que provocan fallos en los cables
Los fallos de los cables no son aleatorios; sus causas son complejas y diversas, Generalmente resulta de la acción a largo plazo o transitoria de múltiples factores.:
Daño mecánico:
Causas externas: Daños accidentales por excavadoras., equipo de elevación de tuberías, etc., durante la construcción; Daños por construcción de carreteras o actividades de terceros.; tensión de tracción o compresión por asentamiento de cimientos o movimiento del suelo; animal (p.ej., ratas, termitas) royendo la vaina.
Causas internas: Excesiva tensión de flexión o tracción durante la instalación.; mala calidad de instalación o impacto de fuerza externa en los accesorios del cable (p.ej., articulaciones, terminaciones).
Corrosión química:
Sustancias corrosivas en el suelo., como los ácidos, álcalis, y sal,s erosionar la cubierta del cable y las capas de armadura; líquidos residuales industriales, manchas de aceite, etc., penetrar la estructura del cable; corrosión electrolítica (especialmente en áreas de corrientes perdidas).
Envejecimiento Térmico:
El funcionamiento por sobrecarga a largo plazo o una temperatura ambiente alta durante la instalación provocan un envejecimiento acelerado, endurecimiento, fragilidad, o incluso carbonización del aislamiento del cable y de los materiales de la cubierta., lo que lleva a la pérdida del rendimiento del aislamiento. Mala disipación del calor (p.ej., cables densamente empaquetados, ventilación insuficiente) exacerba el envejecimiento térmico.
Entrada de humedad y humedad:
Daños en la funda del cable, mal sellado de juntas, o la entrada de humedad en las terminaciones permite que entre agua al interior del cable. Bajo la acción del campo eléctrico., la humedad forma árboles de agua, Canales de deterioro microscópicos en el material aislante., que reducen significativamente la rigidez dieléctrica y eventualmente conducen a una falla (Arboles electricos).
Estrés eléctrico:
Sobretensión: Impulsos de sobretensión provocados por la caída de un rayo., operaciones de conmutación, resonancia, etc., puede exceder la capacidad de resistencia del aislamiento del cable, provocando una rotura del aislamiento.
Concentración de campo eléctrico: Defectos de diseño o instalación en accesorios para cables (articulaciones, terminaciones) conducir a una distribución desigual del campo eléctrico, crear una intensidad de campo eléctrico excesivamente alta en áreas locales, aceleración de la degradación del aislamiento, y descarga parcial.
Descarga parcial (PD): Cuando pequeños vacíos, impurezas, humedad, u otros defectos existen dentro, en la superficie, o en las interfaces del material aislante, Puede producirse una descarga parcial bajo tensión de funcionamiento., liberando energía, erosionando gradualmente el material aislante, formando canales de descarga, y, en última instancia, provocando una rotura del aislamiento..
Defectos de diseño y fabricación:
Impurezas, vacíos, o materia extraña en el material aislante durante la fabricación del cuerpo del cable.; Proceso de extrusión inadecuado que provoca espesores de aislamiento desiguales o microfisuras.; Superficie rugosa o protuberancias en escudos metálicos o capas semiconductoras..
Problemas de calidad con materiales para accesorios de cables. (articulaciones, terminaciones) o diseño estructural irrazonable.
Defectos de instalación y construcción:
Tendido inadecuado de cables (radio de curvatura demasiado pequeño, tensión de tracción excesiva, Proximidad a fuentes de calor o corrosivas.); Procesos de fabricación de terminaciones de cables no estándar. (dimensiones de desmontaje inexactas, tratamiento inadecuado de la capa semiconductora, mal sellado, instalación incorrecta del cono de tensión); uso de material de relleno no calificado.
Comprender estos tipos de fallas y sus causas es fundamental para un diagnóstico efectivo de fallas y la formulación de estrategias preventivas..
3. Técnicas y equipos básicos de diagnóstico de fallas de cables
El diagnóstico de fallas de cables es un proceso paso a paso, normalmente incluye evaluación de fallas, preubicación, ubicación precisa de la falla, y localizar la ubicación de la falla en el suelo. Se necesitan diferentes herramientas y técnicas para cada etapa..
3.1 Pruebas básicas y evaluación preliminar
Después de confirmar una posible falla en el cable, El paso inicial es realizar mediciones de parámetros eléctricos básicos para realizar una evaluación preliminar de la naturaleza de la falla..
megaóhmetro (Probador de resistencia de aislamiento):
Objetivo: Mide la resistencia de aislamiento entre los conductores del cable y entre los conductores y el blindaje. (o suelo). Este es el método más común y básico para evaluar el estado del aislamiento del cable..
Operación: Aplicar un voltaje de prueba de CC (normalmente 500 V, 1000V, 2500V, 5000V, Seleccionado según la tensión nominal del cable.), y registrar el valor de la resistencia de aislamiento después de un tiempo específico (p.ej., 1 minuto o 10 minutos).
Evaluación: Resistencia de aislamiento significativamente menor que los valores normales o los requisitos de especificación. (p.ej., estándares recomendados: cables de baja tensión ≥ 100 MΩ/km, 10cables kV ≥ 1000 MΩ/km) indica una posible degradación del aislamiento o una falla a tierra. Si el valor de la resistencia es cercano a cero, Indica una falla a tierra de baja resistencia o un cortocircuito..
Multímetro:
Objetivo: Mide la resistencia CC del conductor., comprueba la continuidad (circuito abierto), y mide la resistencia entre fases o fase a tierra. (Adecuado para baja tensión o situaciones con baja resistencia al punto de falla.).
Operación: Utilice el rango de resistencia para medir la resistencia a través de los extremos del conductor para determinar si es un circuito abierto.; Mida la resistencia entre fases o fase a tierra para determinar si se trata de un cortocircuito o una falla a tierra de baja resistencia..
Evaluación: La resistencia infinita del conductor indica un circuito abierto.; La resistencia entre fases o fase a tierra cercana a cero indica un cortocircuito o falla a tierra de baja resistencia..
Trazador de ruta de cable:
Objetivo: Se utiliza para determinar la ruta precisa de cables en escenarios de tendido invisible como el entierro directo subterráneo.. Particularmente importante en la etapa de localización de fallas.
Principio: Se aplica una señal de una frecuencia específica al cable., y un receptor detecta el campo electromagnético inducido para seguir la trayectoria del cable.
Modelos: Los modelos comunes incluyen RD8000, vLocPro, etc..
3.2 Técnicas precisas de localización de fallos
Las pruebas básicas sólo pueden determinar el tipo de falla., no es la ubicación exacta. Las técnicas precisas de localización de fallas tienen como objetivo medir la distancia entre el extremo de la prueba y el punto de falla..
3.2.1 Reflectometría en el dominio del tiempo (TDR)
Principio: Se inyecta un pulso de voltaje de rápido aumento en el cable y se propaga a lo largo de él.. Cuando el pulso encuentra un desajuste de impedancia (como un punto de falla, articulación, terminación, o extremo abierto), parte o la totalidad del pulso se refleja. Midiendo el intervalo de tiempo entre los pulsos transmitidos y reflejados., y conocer la velocidad de propagación de la señal en el cable (velocidad de propagación, vicepresidente), la distancia de la falla se puede calcular: Distancia = (Diferencia horaria / 2) * vicepresidente.
Escenarios aplicables: Excelente para localizar circuitos abiertos y cortocircuitos de baja resistencia.. Las señales reflejadas son claras y fáciles de interpretar..
Limitaciones: Para fallas de alta resistencia (resistencia especialmente muy alta), La energía del pulso puede atenuarse o absorberse en el punto de falla., dando como resultado señales reflejadas débiles o distorsionadas, reducir la precisión de la ubicación o incluso hacer que la ubicación sea imposible.
Exactitud: Generalmente alto, puede alcanzar ±0,5% o incluso más (dependiendo del rendimiento del equipo, exactitud del Vp conocido, y experiencia del operador). VP debe calibrarse probando una longitud conocida de una sección de cable en buen estado.
3.2.2 Método de puente de alto voltaje (Bucle de Murray, Método puente)
Principio: Utiliza el principio del puente de Wheatstone clásico.. Se utiliza un segmento de cable sano o una fase sana del cable defectuoso para construir un circuito puente.. Cuando el puente está equilibrado, La distancia del punto de falla se calcula en función de la relación de resistencia de los conductores del cable.. El puente Murray Loop de uso común es adecuado para fallas a tierra monofásicas o cortocircuitos entre fases..
Ventaja: Especialmente indicado para faltas a tierra de alta resistencia. (incluso hasta varios MΩ), que es una debilidad del TDR. El principio se basa en la medición de resistencia CC., no se ve afectado por la atenuación de la señal reflejada.
Puntos de operación: Requiere al menos un conductor sano como camino de retorno; requiere una medición precisa del total longitud del cable y resistencia del conductor; Requiere el uso de un generador de alto voltaje. (tales como equipos de prueba de resistencia a CC) a “condición” o “quemar” el aislamiento cerca del punto de falla de alta resistencia para reducir la resistencia del punto de falla, facilitar la medición del puente o su posterior localización acústico-magnética. El voltaje de combustión suele ser alto., como 8kV, 15kV, o incluso más alto, y la operación debe ser extremadamente cautelosa y cumplir con las normas de seguridad.
3.2.3 Método de corriente de impulso (HIELO) y método de impulso secundario (SÍ/YO)
Principio: Estos métodos son mejoras del TDR para localizar fallas de alta resistencia.. Aplican un pulso de alto voltaje al cable defectuoso, causando averías o descargas disruptivas en el punto de falla de alta resistencia, generando un pulso de corriente. Luego, los sensores capturan la forma de onda del pulso actual que se propaga a lo largo del cable., y se utiliza un análisis similar al TDR para localizar la falla analizando la onda reflejada.
HIELO: Analiza directamente el pulso de corriente reflejado generado en el punto de falla.
SÍ/YO (también conocido como método de reflexión del arco): Utiliza el arco formado durante la ruptura del punto de falla para crear una baja impedancia. “cortocircuito” para el pulso TDR en el punto de falla, generando una forma de onda reflejada clara. Esto supera el problema de las débiles reflexiones TDR en fallas de alta resistencia y actualmente es un método muy efectivo para abordarlas..
Escenarios aplicables: Prelocalización precisa de fallas a tierra de alta resistencia y fallas disruptivas.
Equipo: Generalmente integrado en localizadores de fallas de cables profesionales, Requiere coordinación con un generador de alto voltaje. (Equipos de alto voltaje en una camioneta de prueba de fallas de cables.).
3.2.4 Localización de puntos de falla
Las técnicas de prelocalización proporcionan la distancia de la falla., pero el punto de falla real puede estar dentro de un área pequeña. La localización de puntos de falla utiliza métodos externos basados en el resultado de la ubicación previa para determinar con precisión la ubicación de la falla en el terreno..
Método acústico-magnético:
Principio: Una sobretensión de alto voltaje (utilizando un generador de sobretensión de alto voltaje) se aplica al cable defectuoso. Cuando el punto de falla se rompe y se descarga, produce sonido (onda de presión) y señales electromagnéticas. Un operador utiliza un receptor sincronizado acústico-magnético para escuchar el sonido a través de auriculares y recibir la señal electromagnética a través de una bobina de inducción.. Debido a la diferencia significativa en las velocidades de propagación entre el sonido y las ondas electromagnéticas., El equipo puede determinar si el sonido y la señal electromagnética se originan en el mismo lugar y si el sonido va por detrás de la señal electromagnética. (La velocidad de las ondas electromagnéticas es cercana a la velocidad de la luz., La velocidad de la onda sonora es mucho más lenta.), indicando así la dirección y ubicación del punto de falla. La señal acústica es más fuerte directamente encima del punto de fallo..
Escenarios aplicables: Varios tipos de fallos de descarga de averías. (suelo, cortocircuito, flashover), particularmente efectivo para cables subterráneos enterrados directamente.
Puntos de operación: El ruido ambiental de fondo puede afectar la escucha; La sobretensión debe ajustarse para provocar una descarga continua en el punto de falla sin dañar las partes sanas del cable.; El operador requiere experiencia para distinguir los sonidos de descarga de fallas de otros ruidos..
Método de voltaje escalonado:
Principio: Se aplica un voltaje CC o CA de baja frecuencia a un cable con falla a tierra., provocando que la corriente se filtre a tierra en el punto de falla. Esto crea un campo de gradiente de voltaje alrededor del punto de falla.. Se insertan dos sondas en el suelo y se conectan a un voltímetro de alta sensibilidad., y se movió a lo largo del camino del cable. Directamente encima del punto de falla, la diferencia de voltaje invertirá la polaridad.
Escenarios aplicables: Faltas a tierra de baja o media resistencia, particularmente útil para puntos de falla que no producen un sonido de descarga claro.
Puntos de operación: Significativamente afectado por la humedad y la uniformidad del suelo.; Requiere suficiente tensión y corriente de prueba.; La profundidad y el espaciado de la inserción de la sonda afectan la precisión..
Corriente mínima / Método del campo magnético máximo:
Principio: Se aplica una señal de corriente de frecuencia de audio o de frecuencia específica al cable defectuoso. Si la falla es un cortocircuito o una falla a tierra de baja resistencia, la corriente forma un bucle en el punto de falla; si es un circuito abierto, la corriente se detiene en el punto de ruptura. Se utiliza una pinza amperimétrica o un sensor de campo magnético para detectar la intensidad del campo magnético o de corriente a lo largo de la ruta del cable.. Después de un cortocircuito o un punto de falla a tierra de baja resistencia, la corriente disminuirá significativamente o desaparecerá (corriente mínima), o el campo magnético cambiará. Antes de un punto de circuito abierto, la corriente es normal, y después del punto, la corriente es cero.
Escenarios aplicables: Cortocircuitos de baja resistencia, fallas a tierra, o fallas de circuito abierto. También se utiliza a menudo junto con un rastreador de ruta para confirmar la ruta..
3.3 Evaluación del estado de aislamiento y técnicas de alerta temprana
Estas técnicas se utilizan principalmente para evaluar el estado general del aislamiento del cable y detectar posibles defectos.. Se incluyen en la categoría de mantenimiento preventivo o diagnóstico de fallas de alta resistencia/en etapa temprana..
Descarga parcial (PD) Detección:
Principio: Defectos en el material aislante. (como los huecos, impurezas) provocar una descarga parcial bajo la influencia del campo eléctrico, generando pulsos eléctricos, ondas electromagnéticas, ondas acusticas, luz, y subproductos químicos. Los detectores de PD capturan estas señales para evaluar el alcance de la degradación del aislamiento y el tipo de defecto..
Parámetros técnicos: La sensibilidad generalmente se mide en picoculombios. (ordenador personal), capaz de detectar señales de descarga muy débiles (p.ej., 1 ordenador personal).
Métodos:
Método eléctrico: Detecta pulsos de corriente generados por descarga. (p.ej., a través de sensores HFCT de transformador de corriente de alta frecuencia en cables de tierra, o midiendo señales acopladas capacitivamente). Aplicable para pruebas en línea o fuera de línea.
Método acústico: Detecta ondas ultrasónicas generadas por descarga. (p.ej., mediante sensores de contacto o acoplados por aire). Adecuado para probar accesorios de cables..
Frecuencia ultraalta (frecuencia ultraelevada) Método: Detecta ondas electromagnéticas UHF (300 megahercio – 3 GHz) generado por descarga. Ofrece una fuerte inmunidad a las interferencias., comúnmente utilizado para SIG, transformadores, etc., y también se puede utilizar para terminaciones de cables.
Tensión transitoria de tierra (TEV) Método: Detecta tensiones transitorias a tierra acopladas a las carcasas metálicas de los cuadros., etc., desde PD interno.
Objetivo: Detecta tempranamente defectos de aislamiento en cables y sus accesorios. (p.ej., huecos en las articulaciones, entrada de humedad en las terminaciones, árboles de agua/árboles eléctricos en el cuerpo del cable). Es una tecnología clave para el mantenimiento predictivo.
Pérdida dieléctrica (Tan Delta, tgδ) Prueba:
Principio: Mide la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica del material aislante del cable bajo voltaje de CA.. La pérdida dieléctrica representa la capacidad del material aislante para convertir la energía eléctrica en calor.. Los materiales aislantes saludables tienen bajas pérdidas, un valor tanδ bajo, y el valor cambia poco al aumentar el voltaje. Entrada de humedad, envejecimiento, o la presencia de árboles de agua y otros defectos en el aislamiento harán que el valor de tanδ aumente y aumente rápidamente con el aumento de voltaje..
Objetivo: Evalúa el nivel general de entrada de humedad o envejecimiento generalizado en el aislamiento del cable.. A menudo se realiza junto con pruebas de resistencia de CA o VLF.
Prueba de resistencia:
Objetivo: Verifica la capacidad del cable para soportar un cierto nivel de sobretensión sin romper el aislamiento.. Expone eficazmente defectos que sólo se manifiestan bajo alto voltaje..
Métodos:
Resistencia CC: Un método tradicional, pero el voltaje CC puede acumular carga espacial en XLPE y otros aislamientos extruidos., cables sanos potencialmente dañinos. Está siendo reemplazado gradualmente por VLF..
Resistencia CA: Simula más fielmente las condiciones reales de funcionamiento del cable., pero el equipo de prueba es grande y requiere mucha energía.
Muy baja frecuencia (VLF) Resistencia CA (0.1 Hz): Ampliamente utilizado hoy en día para pruebas de resistencia de XLPE y otros cables aislantes extruidos.. El equipo es portátil., requiere poca energía, y no causa acumulación de carga espacial. A menudo se combina con mediciones de tanδ y PD.
En el próximo artículo, Explicaremos la solución de problemas de cables en diferentes escenarios con casos específicos.. Siga ZMS CABLE FR para saber más sobre cables.
