Un'analisi completa delle cause di guasto e delle tecniche di riparazione per i cavi XLPE da 35 kV

1. Guasti causati da difetti di terminazione dei cavi

Le terminazioni e le giunzioni dei cavi rappresentano punti vulnerabili nell'isolamento e la qualità della loro installazione ha un impatto diretto sulla sicurezza operativa. Le statistiche dei rapporti di guasto del 2023 di un'azienda fornitrice di energia elettrica indicano che il 72% dei guasti alle terminazioni è dovuto ai seguenti problemi:

(1) Errore di installazione del cono di stress
Le terminazioni termoretraibili utilizzano strutture a cono di sollecitazione per ridurre l'intensità del campo elettrico nel punto di interruzione dello schermo, modificando la distribuzione del campo elettrico. Errori comuni nella costruzione in loco includono:
① Disallineamento del cono di stress superiore a 5 mm dal punto di taglio del semiconduttore (requisito di specifica: ±2 mm), che causa distorsione del campo elettrico e intensità di campo localizzata che raggiunge i 25 kV/mm (normale: ≤12 kV/mm).
② Levigatura inadeguata del punto di interruzione dello schermo in rame, che lascia sbavature che creano scariche sulla punta (l'intensità del campo misurata sulle punte può aumentare di 3-5 volte).
③ Velocità di trazione eccessiva (>50mm/s) durante l'installazione, che provoca la formazione di pieghe nel cono di stress e di vuoti d'aria (livelli di scarica parziale > 10pC).

(2) Gestione impropria dello strato semiconduttore
In un caso riguardante la rottura di un cavo da 35 kV in un'acciaieria, la dissezione ha rivelato una rigatura profonda 0,3 mm sulla superficie dell'isolamento principale (vedere Fig. 2). Ciò è stato causato dall'utilizzo di un taglierino con un'angolazione troppo accentuata (>45°) durante la rimozione dello strato di semiconduttori. La norma GB50150 richiede esplicitamente l'uso di utensili di spelatura dedicati per la rimozione dei semiconduttori, formando una leggera pendenza di 15° in corrispondenza del taglio, con una profondità di rigatura non superiore a 0,1 mm.

(3) Guasto di sigillatura/impermeabilizzazione
Le statistiche relative alle regioni piovose mostrano che il 43% dei guasti di terminazione è dovuto all'ingresso di umidità. Gli errori tipici includono:
① Mancato rispetto del processo "triple-seal" (guaina esterna, schermatura in rame, strato semiconduttore).
② Spessore insufficiente del composto sigillante (<2 mm) e compressione inadeguata delle molle a forza costante (la compressione dovrebbe raggiungere 1/3 della lunghezza originale).
3. Spazi tra il tubo termoretraibile e il corpo del cavo (l'ispezione con lo spessimetro non dovrebbe mostrare spazi ≥0,05 mm).

2. Meccanismo di degradazione dell'isolamento principale

(1) Invecchiamento elettrico degli alberi
L'isolamento in XLPE può innescare la crescita di un albero elettrico quando l'intensità del campo localizzato supera i 10 kV/mm. Test di invecchiamento accelerato condotti presso una base di ricerca dimostrano:
① Per ogni aumento di 10°C della temperatura, il tasso di crescita degli alberi aumenta di 2,3 volte.
② In presenza di umidità, la propagazione del canale dell'albero accelera di 3-5 volte (in modo significativo quando il contenuto di umidità è > 0,02%).
③ Le particelle di impurità (>50µm) causano la concentrazione del campo e diventano facilmente punti di inizio dell'albero.

(2) Guasto dovuto all'invecchiamento termico
Quando i cavi sono sovraccaricati in modo continuo (corrente >120% della potenza nominale), provocando un superamento della temperatura di isolamento di 90°C, le catene molecolari XLPE si rompono:
① Il tempo di induzione all'ossidazione (OIT) scende da 30 min a meno di 5 min (GB/T 11026.1 richiede ≥20 min).
② Il fattore di dissipazione (tanδ) aumenta da 0,002 a oltre 0,01 (misurato a 20°C).
3 La resistenza alla trazione diminuisce di oltre il 25% e l'allungamento a rottura si riduce del 40%.

(3) Danni meccanici cumulativi
I danni meccanici più comuni durante l'installazione includono:

• Raggio di curvatura insufficiente (cavi unipolari: ≥20× diametro esterno; multipolari: ≥15×).

• Tensione di trazione eccessiva (cavi in ​​rame: ≤3 kN; alluminio: ≤2 kN).

• Guaine esterne danneggiate e non riparate, che consentono l'ingresso di umidità (tasso di penetrazione radiale dell'umidità: ~0,1 mm/giorno).

3. Impatto dei fattori ambientali esterni

(1) Sovratensioni
I fulmini e le sovratensioni sono fattori scatenanti significativi:

• I fulmini diretti possono generare fino a 200 kV, superando di gran lunga la tensione nominale di tenuta all'impulso del cavo da 35 kV, pari a 32 kV.

• L'interruzione della corrente mediante interruttori a vuoto può produrre sovratensioni che raggiungono 3,5 volte la tensione di fase.

• Durante i guasti monofase-terra del sistema, la tensione di fase sana aumenta fino alla tensione di linea (per un sistema da 35 kV: 60,6 kV).

(2) Corrosione chimica
Le misurazioni nelle zone industriali mostrano, nel terreno con pH <4 o >9:

• La velocità di corrosione della guaina esterna raggiunge 0,2 mm/anno (terreno normale: 0,05 mm/anno).

• L'armatura in nastro d'acciaio può perforarsi entro 5 anni, consentendo all'umidità di accedere direttamente all'isolamento.

• Gli acidi organici derivanti dalla corrosione microbica riducono la rigidità dielettrica dell'XLPE del 5% all'anno.

(3) Stress da cicli di temperatura
Le terminazioni esterne subiscono periodiche dilatazioni/contrazioni termiche con differenze di temperatura diurne di 15°C:

• Lo sforzo di taglio alle interfacce raggiunge 1,2 MPa (superando il limite di fatica del materiale EPDM).

• Si formano microfessure nel composto sigillante (profondità osservata fino a 0,5 mm al microscopio).

• Tra gli accessori metallici e l'isolamento si formano fessure superiori a 0,1 mm, dando origine a scariche parziali.

Tecnologia di diagnosi e localizzazione dei guasti

1. Caratterizzazione e valutazione dei guasti

1. (1) Test di resistenza di isolamento
   Utilizzando un megaohmetro da 2500 V:
   • Una resistenza di isolamento interfase < 1000 MΩ o una resistenza di isolamento di terra < 500 MΩ indicano difetti gravi.
   • Il rapporto di assorbimento (R60s/R15s) < 1,3 suggerisce l'ingresso di umidità.
   • L'indice di polarizzazione (R10min/R1min) < 2,0 indica l'invecchiamento dell'isolamento.

2. (2) Rilevamento di scarica parziale
   Utilizzo combinato di metodi ad altissima frequenza (UHF) e ultrasuoni:
   • L'entità della scarica > 5 pC (a 1,73U₀) alle terminazioni richiede un intervento immediato.
   • Tipici modelli di scarica: la scarica della punta mostra ampiezze di impulsi sparse; la scarica del vuoto mostra gruppi di impulsi regolari.

3. (3) Misurazione del fattore di perdita dielettrica (tan δ)
   A una tensione di prova di 10 kV:
   • Cavo normale tan δ < 0,005; valori > 0,01 indicano un grave degrado dell'isolamento.
   • Un aumento significativo di tan δ con l'aumento della tensione (Δtan δ > 0,002/kV) suggerisce la presenza di difetti.

2. Tecnologie di localizzazione precise

1. (1) Localizzazione della riflettometria nel dominio del tempo (TDR)
   Utilizzando un riflettometro a impulsi (risoluzione minima 0,5 m):
   • Formula della distanza di guasto: L = v × t / 2 (v = velocità dell'onda, 172 m/μs per cavi XLPE).
   • I guasti a bassa resistenza (< 100 Ω) utilizzano il metodo degli impulsi a bassa tensione; i guasti ad alta resistenza utilizzano il metodo delle scariche elettriche ad alta tensione CC.
   • Caratteristiche della forma d'onda: polarità dell'impulso riflesso opposta (bassa resistenza) o uguale (alta resistenza) all'impulso incidente.

2. (2) Localizzazione sincrona acustico-magnetica
   Applicazione di un impulso di alta tensione (3–5 volte U₀) al punto di guasto:
   • Segnali del campo magnetico rilevati tramite bobina; segnali acustici ricevuti tramite sensore piezoelettrico.
   • Localizzazione con differenza temporale: Δt = ΔS / v (v = 340 m/s), con errore di localizzazione < 0,5 m.
   • Ottimale in condizioni di basso rumore ambientale (< 40 dB di notte); si consigliano cuffie antirumore.

3. (3) Monitoraggio distribuito della fibra ottica
   Utilizzando sistemi DTS (Distributed Temperature Sensing):
   • Risoluzione spaziale: 1 m; precisione della temperatura: ±0,5°C.
   • Aumento anomalo della temperatura nei punti di faglia (5–10°C in più rispetto alle sezioni normali).
   • In combinazione con la fibra di rilevamento delle vibrazioni, è possibile individuare i punti di danno esterni (allarme attivato alla frequenza di vibrazione > 5 Hz).

Specifiche tecniche per la riparazione dei guasti dei cavi da 35 kV

1. Procedura di ri-terminazione della terminazione del cavo
Prendendo come esempio una terminazione restringente a freddo da 35 kV (modello WLS-35/1×300), i passaggi chiave sono i seguenti:

(1) Fase di pretrattamento

• Raddrizzamento dei cavi: utilizzare una macchina raddrizzatrice dedicata (che applichi una tensione di 2-3 kN) per garantire un errore di rettilineità < 1‰.

• Rimozione della guaina esterna: tagliare ad anello a 550 mm dall'estremità, conservare 30 mm di armatura, irruvidire un'area di 50 mm dal taglio della guaina utilizzando carta vetrata a grana 80.

• Trattamento con schermatura in rame: conservare 20 mm di schermatura in rame, lucidare il taglio fino a ottenere una transizione ad arco uniforme (R ≥ 2 mm) utilizzando una tela vetrata n. 0.

(2) Trattamento dello strato semiconduttore

• Lunghezza di spelatura: conservare 15 mm dello strato semiconduttore esterno, tagliare ad anello utilizzando un coltello spelafili dedicato (angolo di 15°), evitando assolutamente di danneggiare l'isolamento principale.

• Smussatura: smussare l'estremità dell'isolamento principale con un angolo di 45° (profondità 0,5 mm), arrotondando il bordo di taglio del semiconduttore (R = 1 mm).

• Procedura di pulizia: pulire in modo unidirezionale utilizzando un panno privo di lanugine imbevuto di etanolo anidro (purezza ≥ 99,7%), cambiando il panno ogni 100 mm.

(3) Installazione del cono di stress

• Applicazione del grasso al silicone: applicare il grasso al silicone dedicato (tan δ < 0,001) entro 5 mm dal taglio del semiconduttore, spessore 0,2 mm.

• Segno di posizionamento: avvolgere un nastro di posizionamento (larghezza 10 mm) a 75 mm dal taglio del semiconduttore.

• Operazione di restringimento a freddo: tirare il rivestimento centrale a una velocità costante di 50 mm/s, evitando di ruotare la terminazione durante il restringimento.

(4) Processo di sigillatura

• Tripla impermeabilizzazione: avvolgere in sequenza il nastro semiconduttivo anti-acqua (sovrapposizione del 25%), il composto sigillante (spessore ≥ 2 mm) e l'alloggiamento in acciaio inossidabile.

• Collegamento a terra: utilizzare un cavo di rame da 25 mm², compressione della molla a forza costante pari a 1/3 della lunghezza originale, spaziatura di collegamento ≤ 10 mm.

• Identificazione della fase: applicare il tubo termorestringente colorato in fase (giallo fase A, verde fase B, rosso fase C), lunghezza 100 mm.

2. Tecnologia principale di riparazione dell'isolamento
Per guasti localizzati dell'isolamento (area < 5 cm²), riparazione mediante tecnologia brevettata (brevetto n. ZL202210666205.8):

(1) Trattamento del punto di faglia

• Isolamento ad anello: creare una scanalatura a forma di manubrio (diametro 50 mm, profondità 20 mm) centrata sul punto di rottura con una pendenza di 1:5.

• Trattamento superficiale: carteggiare lungo la circonferenza con carta vetrata a grana 200 fino a quando non viene esposto un nuovo isolamento (senza strato carbonizzato).

• Controllo della pulizia: utilizzare un contatore di particelle per garantire una pulizia di Classe 100 (< 3500 particelle/m³ per particelle ≥ 0,5μm).

(2) Infusione liquida nano-riparatrice

• Rapporto materiale: 15% nano-SiO₂ (dimensione delle particelle 50 nm), 75% matrice di resina epossidica, 10% agente indurente (in peso).

• Degasaggio sotto vuoto: processo a -0,09 MPa per 30 minuti per rimuovere le bolle (diametro delle bolle < 5 μm).

• Infusione pressurizzata: applicare una pressione di 0,3 MPa per 2 ore per garantire una profondità di penetrazione del liquido di riparazione ≥ 10 mm.

(3) Stagionatura e finitura

• Fase di polimerizzazione: 60°C/2h + 80°C/4h + 100°C/2h, evitare surriscaldamento locale (velocità di riscaldamento ≤ 5°C/min).

• Finitura superficiale: levigare a filo con l'isolamento originale (deviazione < 0,1 mm) utilizzando una mola diamantata (grana 400).

• Ripristino dello scudo: avvolgere il nastro di rame spesso 0,1 mm (sovrapposizione del 20%), sigillare con saldatura (lunghezza del giunto di saldatura ≥ 30 mm).

3. Procedura di sostituzione articolare
Quando il punto di rottura si trova al centro del cavo, sostituirlo utilizzando un giunto dritto prefabbricato da 35 kV (modello JLS-35/1×400):

(1) Pretrattamento dei cavi

• Sezione di guasto: conservare 1,5 m di cavo audio a ciascuna estremità, accertandosi che la superficie isolante sia priva di rigature (verificare con un rilevatore di difetti a correnti parassite).

• Collegamento del conduttore: utilizzare uno stampo di compressione (esagonale), comprimere dal centro verso l'esterno, fattore di compressione ≥ 0,9.

• Gradino di isolamento: creare un gradino conico 1:10 (lunghezza 50 mm), rugosità superficiale Ra ≤ 0,8 μm.

(2) Assemblea congiunta

• Ripristino dello schermo del semiconduttore: avvolgere il nastro del semiconduttore (larghezza 50 mm) per garantire un contatto affidabile con il semiconduttore originale (resistenza di contatto < 50 mΩ).

• Installazione dei componenti isolanti: riscaldare l'isolante prefabbricato a 70°C, farlo scorrere, applicare una pressione assiale di 5 kN per 30 minuti.

• Guarnizione dell'alloggiamento in metallo: utilizzare doppi O-ring (materiale in gomma fluorurata), controllare la compressione al 25%-30%.

(3) Schermo e messa a terra

• Collegamento schermatura in rame: utilizzare treccia di rame da 35 mm², collegamento a bullone (coppia 25 N·m).

• Sistema di messa a terra: adottare una messa a terra a doppia estremità, sezione del filo di terra ≥ 50 mm², resistenza di terra < 10 Ω.

• Trattamento anticorrosione: rivestire l'alloggiamento con primer epossidico (spessore del film secco 80μm) + finitura poliuretanica (spessore del film secco 120μm).

La prevenzione e la riparazione dei guasti dei cavi XLPE da 35 kV devono rispettare il principio "prima la prevenzione, poi la riparazione. Si raccomanda di rafforzare la gestione nelle seguenti aree:

• Controllo dei materiali: stabilire un sistema di whitelist dei fornitori e implementare ispezioni in entrata per le terminazioni termoretraibili a freddo (verificando la perdita dielettrica, la scarica parziale e le prestazioni di tenuta).

• Ottimizzazione dei processi: promuovere l'uso di robot di costruzione intelligenti per automatizzare processi critici come la rimozione degli strati di semiconduttori e l'installazione dei coni di stress.

• Monitoraggio delle condizioni: eseguire diagnosi dell'isolamento (perdita dielettrica, tanδ, scarica parziale) sui cavi in ​​servizio da oltre 15 anni per valutarne la durata residua.

• Capacità di risposta alle emergenze: formare squadre di riparazione di emergenza professionali dotate di localizzatori acustico-magnetici, veicoli di prova ad alta tensione e altri strumenti per garantire la localizzazione del guasto entro 2 ore e il ripristino entro 24 ore.

I metodi tecnici descritti in questo articolo possono ridurre efficacemente il tasso di guasti dovuti a guasti nei cavi da 35 kV. Dopo l'implementazione di questo sistema tecnico, un'azienda di distribuzione elettrica ha ridotto il tempo medio di riparazione dei guasti nei cavi da 48 a 12 ore nel 2024. In futuro, con i progressi nei materiali nano-riparanti e nelle tecnologie di monitoraggio intelligente, la riparazione dei cavi evolverà verso una localizzazione precisa, una riparazione minimamente invasiva e la consapevolezza delle condizioni.