Teste e diagnóstico de cabos de média tensão com fontes de tensão senoidal VLF

 

Autor: Martin Jenny, Gerente de Produto na BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH, Sulz (Áustria) 

 

A avaliação do estado de sistemas de cabos ajuda os operadores de redes de média tensão no planejamento eficiente de redes e conservação. Para que o diagnóstico de cabos seja econômico e possa ser integrado no dia a dia, o uso da tecnologia de medição oferece-se com uma fonte de tensão senoidal VLF (Very Low Frequency). Esta fonte pode ser usada para o teste e diagnóstico de cabos, pesa pouco e permite resultados eficazes.

 

Para utilizar a avaliação de estado de sistemas de cabos para um melhor planejamento de investimento e conservação, são necessárias medições de diagnóstico. Elas fornecem, p.ex., informações sobre o comportamento de envelhecimento ou defeitos ocultos. Operadores de rede, que além do teste de ativação (teste de cabo) desejam realizar também diagnósticos, estão diante da pergunta, como se chega a resultados adequados com um baixo dispêndio de tempo e de custos. Entre outros, a eficácia dos resultados de medição depende da fonte de tensão do equipamento de teste e instrumento de medição. No mercado estão disponíveis diversas fontes, p.ex., sistemas de ressonância de 50 Hz, senoidal VLF 0,1 Hz (VLF = Very Low Frequency), Damped AC / tensão alternada atenuada (DAC) e VLF Cos-Rect (cosseno retangular ou também chamado de 50 Hz Slope). O artigo descreve por que um teste com o senoidal VLF 0,1 Hz representa a melhor solução no dia a dia.

 
Um aspecto importante é o fato de uma fonte de tensão com senoidal VLF 0,1 Hz não apenas ser apropriada para o teste de cabo, mas fornece bons resultados em medições de diagnóstico. Aqui são relevantes a medição tan delta (também chamada de medição de fator de dissipação) e a medição de descarga parcial (doravante chamada de medição de DP), ver o texto no quadro. Isto é esclarecido através de uma visão geral das propriedades de diversas fontes de tensão.

 
Características de diferentes fontes de tensão

 
Os requisitos fundamentais à fonte de tensão são:

• Apropriação para teste de cabo/teste de tensão suportada
• Elevada precisão de medição na medição de fator de dissipação
• Resultados eficazes na medição de DP (tensão inicial e final, nível de DP e padrão de DP com resolução de fase) e boa localização da DP
• Alta reprodutibilidade dos resultados para garantir a comparabilidade de medições com deslocamento de tempo e dos resultados de diferentes segmentos de cabo na rede
• Possibilidade de realizar diversos métodos em paralelo, isto é, combinações com economia de tempo
• Baixo peso, manuseio simples, facilidade de conexão, fácil operação, curta duração de medição

 

A tabela 1 mostra uma comparação das fontes de tensão em relação a diferentes requisitos. No que se refere ao teste de tensão suportada a teoria e a prática se mostraram como adequadas em praticamente todas as fontes de tensão convencionais. A tensão senoidal VLF 0,1 Hz, contudo, é a única que também é bem apropriada para a medição de descargas parciais e da mesma forma para a medição de fator de dissipação (tan delta). Deve ser observado que o que importa é a forma de tensão: Para obter resultados confiáveis, independentes do segmento de cabo, é vantajosa uma curva senoidal ideal (com sempre a mesma frequência). Nas medições realizadas com um seno ideal, os usuários podem comparar adequadamente os resultados de medição de diversos segmentos de cabo ou tipos de emenda.

 

Tabela 1: Comparação de diversas formas de tensão em relação a diversos requisitos relevantes na prática

Requisito	Senoidal VLF	VLF cos ret.	Sistemas de ressonância de 50 Hz	DAC
Teste de tensão suportada conforme IEC, VDE (CENELEC), IEEE	sim	sim	sim	sim, norma IEEE em preparação
Sinal de teste independente de carga	sim	A fase de oscilação varia na faixa de 30-250 Hz conf. IEEE400.2 [7], a fase de recarga varia de acordo com a carga	A frequência depende da extensão do cabo	A frequência depende da extensão do cabo
Precisão de medição tan delta	alta (1*10E-4)	impróprio para tan delta	alta	média
Sensitividade/comparabilidade tan delta	alta	impróprio para tan delta	média, sensitividade menor que no VLF	média, dependente da carga
Possibilidade de localização de DP	sim	sim	sim	sim
Nível de DP e amostra de DP comparável com medição a 50 Hz	sim	ainda não examinado suficientemente	sim	sim
Tensão inicial de DP comparável com a medição a 50 Hz	sim	ainda não examinado suficientemente	sim	sim
fonte de tensão compacta	sim	sim	não	sim

 

No que se refere à medição do fator de dissipação mostrou-se que uma medição senoidal VLF, através da sua alta precisão e sensitividade, é superior até mesmo à medição de 50 Hz. Na frequência baixa de 0,1 Hz os valores tan delta para cabos com isolamento PE são maiores – isso permite uma melhor detecção de um pequeno aumento do tan delta. Devido às suas propriedades positivas, o senoidal 0,1 Hz foi levado em consideração em normas (IEEE 400.2-2013), onde o nível de medição como também os valores limite estão disponíveis para diferentes regiões.

 

A apropriação de diversas fontes de tensão para a medição de descarga parcial já foi tema em diversas publicações científicas. Na maioria das publicações tratava-se da comparabilidade dos resultados de medição com aqueles que foram medidos na frequência de teste (50 ou 60 Hz). Em resumo resulta o seguinte resultado das publicações [1] até [6]:

Uma fonte de tensão VLF-Cos-Ret, em uma comparação de medições com 2 x U0 em seis emendas envelhecidas pelo uso resultou no nível de DP 5,5 vezes maior (aprox. 5.500 pC) em relação à medição a 50 Hz e senoidal VLF [6]. A medição com senoidal 50 Hz e 0,1 Hz apresentou níveis praticamente idênticos. Os valores medidos maiores na fonte de tensão VLF-Cos-Ret significam que a medição representa uma carga maior para emendas envelhecidas pelo uso. Além disso, na comparação de fontes de tensão senoidais e retangulares é constatado [6] que a forma da curva da tensão de teste é de maior influência do que o aumento do nível de 2 x U0 para 3 x U0.

 

No que se refere às medições de DP com senoidal VLF as publicações mencionadas mostraram que o valor da tensão inicial de DP é comparável com aquelas da medição de 50 Hz, quando os testes foram realizados em objetos de campo (portanto, não objetos/estruturas de laboratório preparados artificialmente). Em defeitos gerados artificialmente a tensão inicial na medição VLF e na medição de 50 Hz às vezes divergiam entre si. Por isso, os defeitos e corpos de teste gerados artificialmente em laboratório não são apropriados para escolher a fonte de tensão ideal para o uso em campo [4].

 

No que se refere ao nível de DP e a amostra de DP (distribuição dos valores medidos) as publicações mencionadas também mostraram que os resultados com senoidal VLF 0,1 Hz são comparáveis com os resultados de medições de 50 Hz. Isto se aplica a emendas envelhecidas pelo uso na técnica de encaixe como também na técnica termoretrátil. No que se refere à localização das descargas parciais não se mostraram diferenças relevantes.

 

Uma comparação de processos em quatro segmentos de cabo com um total de 42 diferentes pontos de defeito entre senoidal VLF 0,1 Hz, sistema de ressonância de 50 Hz, sistema de ressonância de 20-400 Hz e DAC, mostrou-se que nos testes em diversos cabos de média tensão nenhuma tecnologia se mostrou claramente melhor que a outra [2]. Não foi possível comprovar uma relação clara entre a intensidade de DP ou a tensão inicial e a fonte de tensão através da análise descrita. Na escolha entre as fontes de tensão lá analisadas, os usuários devem, portanto, levar em consideração preferencialmente os critérios práticos como cumprimento das tarefas, peso, manuseabilidade e diversidade.

 

Consequências para a prática

 

Na aplicação prática, além da precisão e confiabilidade da medição, cabe a análise de outros aspectos. Para o uso em campo são importantes, entre outros:

 

• Facilidade de transporte e conexão simples da tecnologia de medição
• Dispêndio de pessoal, necessidade de treinamento
• Dispêndio de tempo para a conexão
• Dispêndio de tempo para a medição
• Relação custo/benefício
• Relevância dos resultados de medição para a conservação preventiva

 

Sob estes aspectos as fontes de tensão VLF podem contabilizar como pontos positivos o baixo peso e o design compacto em relação a uma fonte de tensão de 50 Hz. Uma vez que a fonte senoidal VLF se aplica para o teste de cabo e também para as medições de diagnóstico tan delta e DP, os técnicos de rede podem realizar todas as medições relevantes em cabos novos e envelhecidos com apenas uma fonte de tensão. Em comparação com a utilização de diversas fontes de tensão para diversas medições/testes, resultam vantagens de tempo evidentes na utilização de apenas uma fonte de tensão senoidal VLF, uma vez que o dispêndio de conexão é menor. Na utilização de apenas uma fonte de tensão é possível, além disso, aplicar métodos de teste e de medição em paralelo, p.ex., no Monitored Withstand Test (ou seja MWT). Com o MWT, a execução parcialmente simultânea do teste de cabo e do diagnóstico de cabo, é chamada de método tan delta. Uma vez que o técnico de medição com o MWT precisa conectar apenas um equipamento e iniciar uma execução de trabalho integrado, ele pode realizar o teste usual após uma nova instalação ou reparo de um segmento de cabo com um baixo dispêndio adicional para determinar assim o estado do cabo.

 

A combinação de teste e medição de diagnóstico – o MWT – oferece as seguintes vantagens:

 

• Estrutura de teste simples, operação simples (sem necessidade de conexões adicionais e sem iniciação no MWT)  Redução da duração do teste (de p.ex. 60min para 15min), se o cabo estiver em bom estado
• Sem sobrecarga do cabo
• Avaliação de resultados em tempo real
• Interpretação fácil do estado do cabo através um ícone smiley no display
• Resultados precisos sobre o estado do cabo

 

Coletar informações complementares

 

As informações da medição de fator de dissipação integral e da medição de descarga parcial local se complementam e/ou confirmam entre si, e fornecem aos técnicos de rede e de manutenção mais ou melhores critérios para a avaliação dos seus sistemas.

 

Por que é importante manter a opção de uma medição de fator de dissipação como também da medição de descarga parcial aberta, é explicado através de um exemplo: Tipicamente é possível detectar emendas defeituosas, p.ex., acessórios de cabo montados incorretamente ou aqueles com inclusões condutoras, com a medição de DP (ver a tabela 2). Contudo, este não é o caso em emendas molhadas. Neste exemplo (ver a figura 1 e 2, e a tabela 3), medido na rede de Hong Kong, a medição tan delta forneceu as devidas informações. O desvio padrão tan delta no condutor 2, visível na Fig. 1, sugeria uma emenda molhada, uma vez que a medição de DP não deixava reconhecer nenhuma atividade de DP (excesso de umidade). O MWT, portanto a combinação de teste de cabo e medição tan delta durante 15 minutos, fez com que a emenda secasse e os valores tan delta caíssem consideravelmente (Fig. 2). Isto consolidou a suspeita de umidade.

Desvio padrão	Resultado	Medições necessárias	Medidas necessárias	Comentário
< 0,010	Cabo em boas condições Arborescências em água Apenas algumas DPs	• tan delta • DP	Nenhuma, visto que está em bom estado	Desvio padrão tan delta baixo Nenhuma DP, nenhuma DP forte
0,010 até 0,080	Arborescências em água e DP Somente DP	• tan delta • DP	Envelhecimento moderado quanto a arborescências em água Deve ser analisada a concentração de DP	Arborescências em água moderadas – sem medidas imediatas Substituir emendas em caso de concentração de DP
0,080 até 0,500	Infiltração de água em emendas	tan delta A DP provavelmente não mostra valores elevados	Somente o tan delta mostra o efeito Valores DP atenuados por causa de infiltração de água, a DP não pode servir como critério	A localização de defeito de revestimento pode indicar o local da emenda molhada, porque lá ocorrem correntes de fuga Devem ser examinadas as emendas com indicação de pequenas DP (apesar dos baixos valores de DP)
> 0,500	alta	impróprio para tan delta	média, sensitividade menor que no VLF	média, dependente da carga
Supr.	Supr.	Supr.	Supr.	Supr.
Supr.	Supr.	Supr.	Supr.	Supr.
Supr.	Supr.	Supr.	Supr.	Supr.
Supr.	Supr.	Supr.	Supr.	Supr.

Tabela 2: Exemplo de diretriz para a interpretação do desvio padrão do tan delta

STDTD	0,5*U0 (kV)//3,5	U0 (kV)//6,5	1,5*U0 (kV)//10
L1	0,068	0,036	0,060
L2	4,453	2,313	9,343
L3	0,063	0,004	0,050

Tabela 3: Valores medidos da figura 1

 

A fonte de tensão no trabalho diário

 
Há cerca de dez anos a Elektrizitätswerk Mittelbaden Netzbetriebsgesellschaft mbH (ou seja, E-Werk Mittelbaden) realizou uma comparação da senoidal VLF 0,1 Hz e um método de 50 Hz para a medição de DP com base em mais de 40 segmentos de cabo. Visto que o método de 50 Hz naquela época levava a avaliações muito diferentes, sobretudo, na maioria em prognósticos negativos, que até hoje não se mostraram como defeitos, a empresa decidiu-se pelo método senoidal VLF 0,1 Hz. Neste meio tempo a medição VLF com tensão senoidal se comprovou em centenas de medições. Isto se mostrou em medições de diagnóstico realizadas em 240 km com 500 segmentos parciais na rede de 20 kV da E-Werks Mittelbaden em segmentos de cabo com isolamento de papel impregnado e cabos mistos.

 

Na E-Werk Mittelbaden estes segmentos de cabo são diagnosticados com um senoidal VLF 0,1 Hz por meio de DP e, há cerca de sete anos, também com a medição tan delta. Segundo Werner Brucker, diretor de operação de rede, através da aplicação dos dois processos de diagnóstico resulta uma boa visão geral sobre o envelhecimento e o estado da rede. Os segmentos parciais classificados como perigosos são substituídos imediatamente. Através da delimitação de segmentos parciais defeituosos resulta uma grande economia, uma vez que não é necessário substituir toda a rota de cabos.

 

Para o teste de colocação em funcionamento de sistemas de cabos de cabos novos ou modificados a medição VLF se mostrou como apropriada na prática, para localizar com precisão os locais de defeitos e no futuro detectar defeitos também nos acessórios de cabo com simultânea medição de DP, de forma que o dispêndio de trabalho para a eliminação de defeitos (event. defeitos de montagem) ou na conservação (trabalhos de escavação) seja baixo.

 
Como vantagem principal da fonte de tensão senoidal VLF, Brucker destaca o peso e a adequação para o uso no dia a dia. A tecnologia de 0,1 Hz pode ser transportada e operada por apenas um colaborador, o que certamente não seria o caso com um equipamento de 50 Hz.

 
Raramente é necessário usar um veículo de medição ocupado por duas pessoas, uma vez que o instrumento de medição e equipamento de teste portátil é suficiente para a maioria das extensões de cabo. Assim, o uso de um veículo de medição somente é necessário a cada sétima medição.

 
Para a E-Werk Mittelbaden resulta uma clara vantagem de custos através do uso da tecnologia VLF 0,1 Hz: As medições podem ser realizadas de forma simples e rápida por apenas um colaborador. Graças ao curto tempo de conexão e a curta duração de medição, como também a baixa demanda de pessoal, é possível medir um número relativamente grande de segmentos de cabo por ano. As seções ou segmentos parciais avaliadas como críticas durante as medições são previstas para o reparo / a substituição rápida. Assim é possível aplicar os orçamentos de conservação. Através do conhecimento de pontos fracos na rede e a conservação dependente de estado é possível operar a rede de média tensão com uma baixa taxa de falha a custo eficaz, apesar do aumentado efetivo de cabos.

 
O plano de conservação na E-Werk Mittelbaden é de cerca de 4 milhões de EUR, destes, 2,5 milhões são relevantes para a rede de distribuição. Os custos para o diagnóstico de cabos atualmente chegam a 90.000 €/ano.

 
Nos testes de comparação antes da aquisição do equipamento VLF, Brucker sabe que em suas medições ocorriam diferenças nítidas entre senoidal VLF 0,1 Hz e medições de 50 Hz.

 
Na prática, contudo, a mudança há muito já não é mais relevante, uma vez que a E-Werk Mittelbaden se familiarizou muito bem com as medições VLF de 0,1 Hz e sua interpretação, e pode utilizar os valores medidos com alta confiabilidade para a classificação dos segmentos de cabo. A experiência acumulada também permite a previsão relativamente exata se um segmento de cabo está em risco de falha a curto ou médio prazo, de forma que as medidas de conservação são devidamente priorizadas.

 

Conclusão

 
A fonte de tensão senoidal VLF abre a possibilidade de realizar os testes de cabo e diagnósticos de um segmento de cabo com apenas um colaborador e com equipamento portátil. A forma senoidal ideal, independente da carga, se mostra como vantajosa quando se trata da reprodutibilidade dos resultados e quando é desejada uma boa comparabilidade. Assim, o diagnóstico com economia de tempo abre as seguintes vantagens:
▼

• Uso objetivo do orçamento de conservação
• Economias de custos através da delimitação de segmentos parciais defeituosos
• Baixa taxa de falhas
• Efeito positivo sobre a estrutura de custos em relação à taxa de falhas de rede
• Qualidade de novos segmentos de cabo (detecção de defeitos de montagem antes de uma eventual falha)

 

Referências

 
[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)