1. Introdución: A importancia do diagnóstico de avarías de cables
Na sociedade moderna, os cables serven como portadores de núcleo de enerxía, telecomunicacións, e campos industriais, coa súa fiabilidade afectando directamente á seguridade do sistema e ao funcionamento estable. Con todo, os fallos dos cables son inevitables debido a factores ambientais, tensión mecánica, envellecemento do illamento, e outras influencias. As interrupcións ou interrupcións de comunicación provocadas por estas avarías producen anualmente importantes perdas económicas. Polo tanto, dominar técnicas sistemáticas e eficientes de identificación e diagnóstico de fallas de cables é de vital importancia.
O equipo de expertos en sistemas de cable compila esta guía baseándose nos estándares da Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) e o Instituto de Enxeñeiros Eléctricos e Electrónicos (IEEE), combinado cunha ampla experiencia no campo. Ten como obxectivo proporcionar un marco técnico de proceso completo, desde a avaliación previa de avarías ata a reparación precisa, axudando ao persoal técnico a localizar rapidamente tipos e posicións de avarías, reducindo eficazmente os tempos de reparación, minimizando as perdas, e mellorando de forma integral a fiabilidade do sistema de cable.
2. Clasificación de avarías de cable, Características, e Causas Subxacentes
Para diagnosticar fallas de cables de forma eficaz, é fundamental comprender primeiro os tipos de avarías e as súas causas subxacentes. Os diferentes tipos de falla presentan diferentes características eléctricas e requiren diferentes estratexias de detección.
2.1 Tipos de avarías comúns e as súas características eléctricas
Os fallos dos cables clasifícanse normalmente en función das características de resistencia e do estado de conexión no punto de falla:
Fallo de curtocircuíto:
Característica: Prodúcese conexión anormal entre as fases, ou entre unha fase e terra (ou neutro). A resistencia do punto de falla adoita ser moi baixa, preto de cero (coñecido como curtocircuíto de baixa resistencia).
Característica Eléctrica: A resistencia de illamento é próxima a cero, e a resistencia do bucle é anormalmente baixa.
Manifestación: Pode provocar tropezos, fusible fundido, ou danos no equipo.
Fallo de circuíto aberto:
Característica: O condutor do cable está interrompido, impedindo o fluxo de corrente. Esta pode ser unha ruptura total ou parcial nun, dous, ou tres fases.
Característica Eléctrica: A resistencia do condutor é anormalmente alta, ou mesmo infinito; a resistencia de illamento pode ser normal ou danada.
Manifestación: O equipo non recibe enerxía, ou o sinal de comunicación está interrompido.
Fallo a terra:
Característica: O condutor do cable (ou a capa de illamento despois da avaría) conecta coa terra. Este é un dos tipos máis comúns de fallos de cable. Baseado na resistencia de contacto no punto de falla co chan, pódese clasificar como falla de terra de baixa resistencia ou falla de terra de alta resistencia.
Característica Eléctrica: A resistencia de illamento cae significativamente, potencialmente desde centos de MΩ ou mesmo infinito ata decenas ou algúns MΩ, ou incluso por debaixo de 1kΩ (baixa resistencia) ou superior a 1 kΩ (alta resistencia), ás veces chegando a centos de MΩ (alta resistencia).
Manifestación: O dispositivo de protección contra fallas a terra funciona, a corrente de terra do sistema aumenta anormalmente, e pode provocar un cambio de voltaxe.
Fallo de alta resistencia:
Característica: A resistencia do punto de falla é alta, posiblemente varía de varios kΩ a varios MΩ. Isto xeralmente resulta da degradación do illamento, carbonización, ou avaría parcial, pero aínda non formou un camiño completo de baixa resistencia. As fallas de alta resistencia adoitan ser unha etapa inicial de moitas fallas de baixa resistencia e avarías.
Característica Eléctrica: A resistencia de illamento cae, pero aínda ten un certo valor. Baixo alta tensión, o punto de avaría pode experimentar un flashover ou descarga, dando lugar a valores de resistencia inestables.
Manifestación: Pode provocar quecemento local, aumento da perda dieléctrica, descarga parcial, etc.. Cedo, pode que non haxa signos externos evidentes, pero é facilmente revelado durante as probas de resistencia.
Fallo de flashover:
Característica: Baixo alta tensión, a descarga prodúcese na superficie ou dentro do illante, formando unha condución transitoria ou intermitente. O rendemento do illamento pode recuperarse temporalmente despois de que se elimine a tensión.
Característica Eléctrica: A resistencia do punto de avaría cae drasticamente ao aumentar a tensión e aumenta cando a tensión é baixa ou eliminada..
Manifestación: O sistema pode experimentar unha falla a terra instantánea ou un curtocircuíto, provocando accións de protección, pero o peche pode ter éxito. O diagnóstico é un reto.
Fallo intermitente:
Característica: Os síntomas de avaría aparecen e desaparecen de forma intermitente, posiblemente relacionado con factores como a temperatura, humidade, nivel de tensión, ou vibración mecánica. Por exemplo, unha pequena fenda pode expandirse co aumento da temperatura, provocando contacto, e separar cando a temperatura baixa.
Característica Eléctrica: A resistencia e o estado de conexión do punto de falla son inestables e cambian coas condicións externas.
Manifestación: Os dispositivos de protección do sistema funcionan de forma intermitente, dificultando a detección de fallos e representando un importante desafío para o diagnóstico.
2.2 Análise de factores internos e externos que conducen a avarías de cables
Os fallos dos cables non son aleatorios; as súas causas son complexas e diversas, xeralmente resultantes da acción a longo prazo ou transitoria de múltiples factores:
Danos Mecánicos:
Causas externas: Danos accidentais por escavadoras, equipos de elevación de tubos, etc., durante a construción; danos derivados da construción de estradas ou de actividades de terceiros; tensión de tracción ou compresión por asentamento da cimentación ou movemento do solo; animal (p.ex., ratos, termitas) roendo a vaíña.
Causas Internas: Tensión excesiva de flexión ou tracción durante a instalación; mala calidade da instalación ou impacto da forza externa nos accesorios do cable (p.ex., articulacións, baixas).
Corrosión química:
Substancias corrosivas no solo, como ácidos, álcalis, e sal,s erosionar a funda do cable e as capas de armadura; líquidos residuais industriais, manchas de aceite, etc., penetrar na estrutura do cable; corrosión electrolítica (especialmente nas zonas de correntes erradas).
Envellecemento térmico:
A operación de sobrecarga a longo prazo ou a alta temperatura ambiente durante a posta provocan un envellecemento acelerado, endurecemento, fragilización, ou mesmo carbonización de materiais de illamento e envolvente de cables, levando á perda do rendemento do illamento. Mala disipación de calor (p.ex., cables densamente empaquetados, ventilación insuficiente) exacerba o envellecemento térmico.
Ingreso de humidade e humidade:
Danos na funda do cable, deficiente selado das xuntas, ou a entrada de humidade nas terminacións permite que a auga entre no interior do cable. Baixo a acción do campo eléctrico, a humidade forma Árbores de auga, canles de deterioración microscópicas no material illante, que reducen significativamente a rigidez dieléctrica e, finalmente, conducen á avaría (Árbores Eléctricos).
Estrés Eléctrico:
Sobretensión: Impulsos de sobretensión provocados por raios, operacións de conmutación, resonancia, etc., pode exceder a capacidade de resistencia do illamento do cable, levando á rotura do illamento.
Concentración de campo eléctrico: Defectos de deseño ou instalación en accesorios de cable (articulacións, baixas) provocar unha distribución desigual do campo eléctrico, creando unha intensidade de campo eléctrico excesivamente alta en áreas locais, acelerando a degradación do illamento, e descarga parcial.
Descarga parcial (PD): Cando pequenos baleiros, impurezas, humidade, ou outros defectos existen dentro, na superficie, ou nas interfaces do material illante, pode producirse unha descarga parcial baixo tensión de funcionamento, liberando enerxía, erosionando gradualmente o material illante, formando canles de descarga, e, finalmente, levando á rotura do illamento.
Defectos de deseño e fabricación:
Impurezas, baleiros, ou materia estraña no material illante durante a fabricación do corpo do cable; proceso de extrusión inadecuado que provoca un grosor de illamento irregular ou microgrietas; superficie rugosa ou protuberancias sobre escudos metálicos ou capas semicondutoras.
Problemas de calidade cos materiais para accesorios de cable (articulacións, baixas) ou deseño estrutural non razoable.
Defectos de instalación e construción:
Colocación incorrecta dos cables (radio de curvatura demasiado pequeno, tensión de tracción excesiva, proximidade a fontes de calor ou corrosivas); procesos de fabricación de terminación de cables non estándar (dimensións de separación inexactas, tratamento inadecuado da capa semicondutora, mala estanqueidade, instalación incorrecta del cono de tensión); uso de material de recheo non cualificado.
Comprender estes tipos e causas de avarías é fundamental para un diagnóstico eficaz de avarías e a formulación de estratexias preventivas.
3. Técnicas e equipamentos básicos de diagnóstico de avarías de cables
O diagnóstico de avarías de cable é un proceso paso a paso, normalmente inclúe a avaliación de fallos, pre-localización, localización precisa da falla, e identificar a localización da falla no chan. Son necesarias diferentes ferramentas e técnicas para cada etapa.
3.1 Probas básicas e avaliación preliminar
Despois de confirmar un posible fallo do cable, o paso inicial é realizar medicións básicas de parámetros eléctricos para facer unha avaliación preliminar da natureza da avaría.
Megóhmetro (Probador de resistencia de illamento):
Finalidade: Mide a resistencia de illamento entre condutores de cable e entre condutores e apantallamento (ou chan). Este é o método máis común e básico para avaliar a condición de illamento do cable.
Operación: Aplique unha tensión de proba de CC (normalmente 500 V, 1000V, 2500V, 5000V, seleccionado segundo a tensión nominal do cable), e rexistre o valor da resistencia de illamento despois dun tempo especificado (p.ex., 1 minuto ou 10 minutos).
Avaliación: Resistencia de illamento significativamente inferior aos valores normais ou aos requisitos de especificación (p.ex., estándares recomendados: cables de baixa tensión ≥ 100 MΩ/km, 10cables kV ≥ 1000 MΩ/km) indica unha posible degradación do illamento ou unha falla a terra. Se o valor da resistencia é próximo a cero, indica un fallo a terra de baixa resistencia ou curtocircuíto.
Multímetro:
Finalidade: Mide a resistencia DC do condutor, comproba a continuidade (circuíto aberto), e mide a resistencia entre fases ou fase-terra (adecuado para baixa tensión ou situacións con baixa resistencia do punto de falla).
Operación: Use o rango de resistencia para medir a resistencia entre os extremos do condutor e determinar se é un circuíto aberto; medir a resistencia entre fases ou de fase a terra para determinar se se trata dun curtocircuíto ou unha falla a terra de baixa resistencia.
Avaliación: A resistencia infinita do condutor indica un circuíto aberto; a resistencia entre fases ou fase-terra próxima a cero indica un curtocircuíto ou un fallo a terra de baixa resistencia.
Trazador de ruta de cable:
Finalidade: Úsase para determinar o percorrido preciso dos cables en escenarios de tendido invisible como o enterramento directo subterráneo. Particularmente importante na fase de localización de fallas.
Principio: Aplícase ao cable un sinal dunha frecuencia específica, e un receptor detecta o campo electromagnético inducido para seguir o camiño do cable.
Modelos: Os modelos comúns inclúen o RD8000, vLocPro, etc..
3.2 Técnicas de localización precisa de fallas
As probas básicas só poden determinar o tipo de fallo, non a localización exacta. As técnicas de localización precisa de fallas teñen como obxectivo medir a distancia entre o final da proba e o punto de falla.
3.2.1 Reflectometría do dominio do tempo (TDR)
Principio: Un pulso de tensión que aumenta rapidamente inxéctase no cable e propágase ao longo del. Cando o pulso atopa un desajuste de impedancia (como un punto de falla, articulación, rescisión, ou final aberto), parte ou todo o pulso reflíctese de volta. Medindo o intervalo de tempo entre os pulsos transmitidos e reflectidos, e coñecendo a velocidade de propagación do sinal no cable (velocidade de propagación, Vp), pódese calcular a distancia da falla: Distancia = (Diferencia horaria / 2) * Vp.
Escenarios aplicables: Excelente para localizar circuítos abertos e curtocircuítos de baixa resistencia. Os sinais reflectidos son claros e fáciles de interpretar.
Limitacións: Para fallas de alta resistencia (especialmente moi alta resistencia), a enerxía do pulso pode ser atenuada ou absorbida no punto de falla, resultando en sinais reflectidos débiles ou distorsionados, reducindo a precisión da localización ou incluso imposibilitando a localización.
Precisión: Xeralmente alto, pode chegar a ±0,5% ou incluso superior (dependendo do rendemento do equipo, precisión do Vp coñecido, e experiencia de operador). VP debe ser calibrado probando unha lonxitude coñecida dunha sección de cable sa.
3.2.2 Método ponte de alta tensión (Murray Loop, Método ponte)
Principio: Utiliza o principio da ponte clásica de Wheatstone. Para construír un circuíto ponte utilízase un segmento de cable sa ou unha fase sa do cable defectuoso. Cando a ponte está equilibrada, a distancia do punto de falla calcúlase en función da relación de resistencia dos condutores do cable. A ponte Murray Loop de uso común é adecuada para fallas a terra monofásicas ou curtocircuítos de fase a fase..
Vantaxe: Especialmente indicado para fallas a terra de alta resistencia (incluso ata varios MΩ), que é unha debilidade para TDR. O principio baséase na medición da resistencia de CC, non afectado pola atenuación do sinal reflectida.
Puntos de operación: Require polo menos un condutor sa como camiño de retorno; require unha medición precisa do total lonxitude do cable e resistencia do condutor; require o uso dun xerador de alta tensión (como equipos de proba de resistencia DC) a “condición” ou “queimar” o illamento preto do punto de falla de alta resistencia para baixar a resistencia do punto de falla, facilitando a medición da ponte ou a posterior localización acústico-magnética. A tensión de combustión adoita ser alta, como 8kV, 15kv, ou incluso superior, e o funcionamento debe ser extremadamente cauteloso e cumprir as normas de seguridade.
3.2.3 Método de corrente de impulso (XEO) e Método do impulso secundario (SI/EU)
Principio: Estes métodos son melloras no TDR para localizar fallas de alta resistencia. Aplican un pulso de alta tensión ao cable defectuoso, causando avaría ou flashover no punto de falla de alta resistencia, xerando un pulso de corrente. Despois os sensores captan a forma de onda de pulso actual que se propaga ao longo do cable, e utilízase unha análise similar á TDR para localizar a falla analizando a onda reflectida.
XEO: Analiza directamente o pulso de corrente reflectido xerado no punto de avaría.
SI/EU (tamén coñecido como método de reflexión do arco): Utiliza o arco formado durante a ruptura do punto de falla para crear unha baixa impedancia “curtocircuíto” para o pulso TDR no punto de falla, xerando unha forma de onda reflectida clara. Isto supera o problema dos reflexos débiles do TDR en fallas de alta resistencia e actualmente é un método moi eficaz para tratalos..
Escenarios aplicables: Localización previa precisa de fallas a terra de alta resistencia e fallas de flashover.
Equipos: Normalmente está integrado en localizadores de fallos de cable profesionais, que require coordinación cun xerador de alta tensión (equipos de alta tensión nunha furgoneta de proba de fallas de cable).
3.2.4 Localización do punto de falla
As técnicas de pre-localización proporcionan a distancia de falla, pero o punto de falla real pode estar dentro dunha área pequena. A localización do punto de falla utiliza métodos externos baseados no resultado da localización previa para determinar con precisión a localización da falla no chan.
Método acústico-magnético:
Principio: Unha sobretensión de alta tensión (utilizando un xerador de alta tensión) aplícase ao cable defectuoso. Cando o punto de falla rompe e descarga, produce son (onda de presión) e sinais electromagnéticos. Un operador usa un receptor sincronizado acústico-magnético para escoitar o son a través de auriculares e recibir o sinal electromagnético a través dunha bobina de indución. Debido á importante diferenza de velocidades de propagación entre as ondas sonoras e electromagnéticas, the equipment can determine if the sound and electromagnetic signal originate from the same location and if the sound lags the electromagnetic signal (electromagnetic wave speed is close to the speed of light, sound wave speed is much slower), thus indicating the direction and location of the fault point. The sound signal is strongest directly above the fault point.
Escenarios aplicables: Various types of breakdown discharge faults (ground, curtocircuíto, flashover), particularly effective for underground direct-buried cables.
Puntos de operación: Ambient background noise can affect listening; the surge energy needs to be adjusted to cause continuous discharge at the fault point without damaging healthy parts of the cable; the operator requires experience to distinguish fault discharge sounds from other noises.
Step Voltage Method:
Principio: Aplícase unha tensión de CC ou CA de baixa frecuencia a un cable con falla de terra, provocando a fuga de corrente á terra no punto de falla. Isto crea un campo de gradiente de voltaxe ao redor do punto de falla. Insírense dúas sondas no chan e conéctanse a un voltímetro de alta sensibilidade, e moveuse polo camiño do cable. Directamente por riba do punto de falla, a diferenza de tensión invertirá a polaridade.
Escenarios aplicables: Fallos a terra de baixa ou media resistencia, particularmente útil para puntos de falla que non producen un son de descarga claro.
Puntos de operación: Afectado significativamente pola humidade e uniformidade do solo; require tensión e corrente de proba suficientes; a profundidade de inserción da sonda e o espazamento afectan á precisión.
Corriente Mínima / Método de campo magnético máximo:
Principio: Aplícase unha frecuencia de audio ou un sinal de corrente de frecuencia específica ao cable defectuoso. Se o fallo é un curtocircuíto ou unha falla a terra de baixa resistencia, a corrente forma un bucle no punto de falla; se é un circuíto aberto, a corrente detense no punto de ruptura. Utilízase unha pinza de corrente ou un sensor de campo magnético para detectar a intensidade da corrente ou do campo magnético ao longo do camiño do cable. Despois dun curtocircuíto ou un punto de falla a terra de baixa resistencia, a corrente diminuirá ou desaparecerá significativamente (corrente mínima), ou o campo magnético cambiará. Antes dun punto de circuíto aberto, a corrente é normal, e despois do punto, a corrente é cero.
Escenarios aplicables: Curtocircuítos de baixa resistencia, fallas a terra, ou fallos de circuíto aberto. Tamén se usa a miúdo xunto cun trazador de ruta para confirmar o camiño.
3.3 Técnicas de avaliación do estado de illamento e alerta temperá
Estas técnicas utilízanse principalmente para avaliar a saúde xeral do illamento do cable e detectar posibles defectos. Dentro da categoría de mantemento preventivo ou diagnóstico de avarías de alta resistencia/fase inicial.
Descarga parcial (PD) Detección:
Principio: Defectos no material de illamento (como os baleiros, impurezas) provocar descargas parciales baixo a influencia do campo eléctrico, xerando pulsos eléctricos, ondas electromagnéticas, ondas acústicas, luz, e subprodutos químicos. Os detectores PD captan estes sinais para avaliar o grao de degradación do illamento e o tipo de defecto.
Parámetros técnicos: A sensibilidade normalmente mídese en picocoulombs (pC), capaz de detectar sinais de descarga moi débiles (p.ex., 1 pC).
Métodos:
Método Eléctrico: Detecta pulsos de corrente xerados pola descarga (p.ex., a través de sensores HFCT de transformadores de corriente de alta frecuencia en cables de tierra, or by measuring capacitively coupled signals). Applicable for online or offline testing.
Acoustic Method: Detects ultrasonic waves generated by discharge (p.ex., through contact or air-coupled sensors). Suitable for testing cable accessories.
Ultra-High Frequency (UHF) Method: Detects UHF electromagnetic waves (300 MHz – 3 GHz) generated by discharge. Offers strong interference immunity, commonly used for GIS, transformers, etc., and can also be used for cable terminations.
Transient Earth Voltage (TEV) Method: Detects transient voltages to ground coupled onto the metal enclosures of switchgear, etc., from internal PD.
Finalidade: 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 (Tan Delta, tgδ) Test:
Principio: Mide a tanxente do ángulo de perda dieléctrica do material de illamento do cable baixo tensión alterna. A perda dieléctrica representa a capacidade do material illante para converter a enerxía eléctrica en calor. Os materiais de illamento saudables teñen baixas perdas, un valor tanδ baixo, e o valor cambia pouco co aumento da tensión. Ingreso de humidade, envellecemento, ou a presenza de árbores de auga e outros defectos no illamento fará que o valor de tanδ aumente e aumente rapidamente co aumento da tensión..
Finalidade: Avalía o nivel global de entrada de humidade ou envellecemento xeneralizado no illamento do cable. A miúdo realízase en conxunto con probas de resistencia a CA ou VLF.
Proba de resistencia:
Finalidade: Verifica a capacidade do cable para soportar un certo nivel de sobretensión sen que se rompa o illamento. Expón de forma efectiva os defectos que só se manifestan en alta tensión.
Métodos:
Resistencia DC: Un método tradicional, pero a tensión de CC pode acumular carga espacial en XLPE e outros illamentos extruídos, cables saudables que poidan danar. Vaise substituíndo gradualmente por VLF.
AC Resistencia: Simula máis de preto as condicións reais de funcionamento do cable, pero o equipo de proba é grande e require moita enerxía.
Frecuencia moi baixa (VLF) AC Resistencia (0.1 Hz): Amplamente utilizado hoxe para probas de resistencia de XLPE e outros cables de illamento extruído. O equipo é portátil, require baixa enerxía, e non provoca acumulación de carga espacial. A miúdo combínase con medicións de tanδ e PD.
No seguinte artigo, explicaremos a resolución de problemas de cables en diferentes escenarios con casos específicos. Siga ZMS CABLE FR para obter máis información sobre os cables.
