Progettazione di terminazioni di cavi per prove di tensione di guasto CA

In ingegneria, una soluzione o un progetto ideale deve essere stabilito a causa di limitazioni economiche, tecniche, pratiche e ambientali. Nella progettazione e costruzione di linee di trasmissione o distribuzione di potenza, possono essere utilizzati due tipi di cavi, vale a dire cavi aerei o sotterranei [1]. I cavi interrati ad alta tensione sono stati ampiamente utilizzati come conduttori elettrici in diverse applicazioni come impianti industriali di media tensione, collegamenti di trasmissione sotterranei e sottomarini, impianti di energia rinnovabile [1], alimentazione di edifici residenziali e centri urbani, nonché nelle strutture dove gli aspetti ambientali e visivi richiedono l'utilizzo di cavi interrati. Tuttavia, l'installazione di cavi sotterranei rappresenta una spesa finanziaria significativa rispetto all'applicazione di cavi aerei [1,2].

 Inoltre, il complesso processo di fabbricazione dei cavi interrati e la diversità dei prodotti e dei produttori possono portare alla commercializzazione di cavi a basse prestazioni. L'uso di cavi con buone prestazioni è essenziale per le applicazioni interrate, poiché i cavi sono soggetti a diverse sollecitazioni durante la loro vita, come elettriche (dovute a tensioni di esercizio, sovratensioni e altro), termiche (poiché i cavi sono soggetti a temperature anomale aumenti, espansione termica e contrazione), meccanici (come danni esterni, impatto laterale e anomalie di pressione) e ambientali (a causa di umidità, ossidazione, radiazione solare e altri fenomeni)

Pertanto, al fine di garantire il funzionamento alle suddette sollecitazioni e migliorare l'affidabilità e la continuità dell'alimentazione, i cavi devono essere sottoposti a prove elettriche di routine e di tipo per garantire, sostanzialmente, le prestazioni dielettriche del materiale isolante e ridurre, di conseguenza, le perdite economiche per le aziende elettriche e le industrie. Uno dei materiali più utilizzati è il polietilene reticolato (XLPE)

Sebbene la maggior parte dei guasti in un cavo di alimentazione si verifichino nelle sue giunzioni e terminazioni, la valutazione del materiale isolante del cavo è estremamente necessaria. Uno dei test richiesti per questa valutazione è la determinazione della tensione di rottura del cavo. Gli standard internazionali IEC 60229 e IEC 60520-2 [6,7] stabiliscono i requisiti di prova per i cavi ad alta tensione. In Brasile, gli standard NBR 10299 e NBR 16132 [8,9] forniscono le specifiche relative ai test per la distribuzione statistica dell'intensità del campo elettrico di perforazione nei cavi per sistemi con una tensione superiore a 15 kV. NBR 10299 mira a stabilire il tasso di guasto minimo in base alla lunghezza del cavo installato. Un valore generalmente accettato è 6,7 × 10−4 guasto/(anno × km)

Le prove prescritte devono essere eseguite utilizzando un campione di almeno 3 m di lunghezza effettiva, cioè senza considerare le terminazioni su entrambi i lati. La schermatura esterna è collegata a terra e sul cavo viene applicata una tensione CA crescente fino al raggiungimento del guasto interno. La configurazione sperimentale dovrebbe garantire il verificarsi del guasto sul cavo di lunghezza effettiva. Considerando che le prove possono sottoporre il cavo a sovratensioni con valori da 5 a 10 volte superiori alla normale tensione di esercizio, il problema principale riscontrato durante le prove è la distorsione del campo elettrico alle estremità del cavo, che provoca la rottura esterna e impedisce la valutazione del il materiale isolante interno. Per eseguire l'installazione in campo o le prove di tensione di rottura nei cavi isolati, è necessario rimuovere una parte dell'isolamento del cavo. Mentre il campo elettrico all'interno della lunghezza effettiva ha una distribuzione prevedibile, con direzione radiale e comportamento logaritmico [1,2,10], c'è una grande intensificazione di campo alle estremità del cavo. Il campo elettrico in prossimità dell'estremità della schermatura è illustrato nella Figura 1. Pertanto, tale distribuzione prevedibile dovrebbe essere garantita per consentire test di successo.

L'estremità del cavo è costituita da un conduttore, strati semiconduttori, strato isolante e nastro conduttivo per la schermatura, oltre all'aria. La diversità dei materiali con diverse caratteristiche elettriche, rigidità dielettrica e relativa permittività fornisce campi elettrici altamente non uniformi con componenti di campo sia assiali che tangenziali. Il campo elettrico tangenziale è una delle cause principali dei guasti nei terminali [12,13]. Il potenziamento del campo all'estremità del cavo produce scariche superficiali ed esterne nell'aria, che possono essere prevenute utilizzando terminazioni opportunamente progettate [1,9,10,14]. In questo senso, arrangiamenti con caratteristiche diverse sono stati studiati da [12–19].

La maggior parte degli studi che si sono occupati della distribuzione del campo elettrico nelle terminazioni dei cavi ad alta tensione applicano software commerciali basati sul metodo degli elementi finiti (FEM) ai fini dell'analisi e/o progettazione di terminazioni, giunti o coni di distensione. In [12,15,16], le simulazioni sono state utilizzate per assistere nella progettazione di coni di sollecitazione basati su superconduttori ad alta temperatura (HTS). Gli autori di [16] hanno proposto l'uso di uno strato conduttivo epossidico/ZnO per migliorare la distribuzione del campo elettrico. Altri studi hanno confrontato diversi materiali e opzioni di classificazione sul campo per i cavi. In [13], ad esempio, sono stati confrontati diversi tipi di opzioni di classificazione sul campo per cavi in ​​piombo isolati in carta da 36 kV (PILC) e cavi in ​​polietilene reticolato (XLPE). In [17] è stato analizzato l'impatto dei difetti sui giunti dei cavi, e [18] ha studiato il campo elettrico in una terminazione di cavo sottoposta a sollecitazioni transitorie. Durante la fase di progetto di una cessazione, un altro possibile obiettivo è quello di stimare le aree più suscettibili ai difetti e quindi migliorare i prototipi. A questo proposito, [19] ha calcolato il campo elettrico in un manicotto per un cavo da 110 kV utilizzando FEM, al fine di stimare le zone più suscettibili alla rottura dielettrica e quindi migliorare un prototipo di manicotto.

Alcuni degli studi sopra menzionati hanno presentato progetti di terminazione basati sul concetto di cono di sollecitazione e hanno analizzato la distribuzione del campo elettrico o l'influenza di diversi materiali. Tuttavia, mancano studi relativi alle prestazioni di terminazione durante i test di sovratensione o i test di tensione di rottura. Inoltre, alcuni prototipi proposti richiedono materiali costosi. Pertanto, in questo articolo viene riportata una metodologia per l'ideazione, il disegno e la simulazione elettrostatica di una terminazione fattibile. La terminazione deve essere in grado di garantire il completamento delle prove di sovratensione sui cavi. La procedura proposta può essere utilizzata anche per la progettazione di terminazioni di cavi ottimizzate. Tali terminazioni sono solitamente responsabili, ad esempio, del collegamento tra diverse linee di trasmissione, fungendo da connettori. Per l'analisi delle sollecitazioni elettriche alla terminazione sono state effettuate simulazioni computazionali utilizzando un software commerciale basato sul metodo degli elementi finiti e un modello di cavo monofase 35 kV, che è stato utilizzato come campione. Nel progetto sono stati presi in considerazione materiali convenzionali, che rappresentano una potenziale riduzione dei costi.