Test di tenuta alla tensione in corrente alternata e in corrente continua: comprendere la differenza

Nel mondo dei test sui cavi ad alta tensione, due metodi fondamentali dominano il settore: i test di tenuta in corrente alternata (CA) e i test di tenuta in corrente continua (CC). Entrambi vengono utilizzati per verificare l'integrità dell'isolamento del cavo, ma si basano su principi diversi, evidenziano punti deboli differenti e sono adatti ad applicazioni diverse. Comprendere la differenza tra questi due metodi di prova è essenziale per ingegneri, tecnici e chiunque sia coinvolto nella messa in servizio o nella manutenzione di sistemi di cavi ad alta tensione.

Questo articolo analizza il funzionamento dei test di tenuta alla tensione in corrente alternata e continua, i loro vantaggi e svantaggi e quando è opportuno utilizzare ciascuno di essi.

1. Che cos'è un test di tenuta alla tensione?

Una prova di tenuta alla tensione, detta anche prova di rigidità dielettrica o prova ad alto potenziale (hipot), è una procedura in cui a un cavo o accessorio viene applicata una tensione superiore alla normale tensione di esercizio per una durata specificata. Lo scopo è verificare che l'isolamento sia in grado di resistere alle sovratensioni senza guastarsi.

Il test viene in genere eseguito:

• Dopo l'installazione, verificare che il cavo e gli accessori siano stati installati correttamente.

• Durante la manutenzione, per verificare l'eventuale degrado dell'isolamento nel tempo.

• In fabbrica, come controllo di qualità di routine.

Se l'isolamento resiste alla tensione di prova senza subire danni, il cavo è idoneo. In caso contrario, il cavo deve essere riparato o sostituito.

La differenza fondamentale tra le prove di tenuta in corrente alternata e in corrente continua risiede nel tipo di tensione applicata, e questa differenza ha implicazioni significative per i risultati delle prove e per le apparecchiature necessarie.

2. Prove di tenuta alla tensione CA: simulazione delle condizioni reali

Un test di tenuta alla tensione CA applica una tensione alternata sinusoidale, tipicamente alla frequenza di sistema di 50 o 60 Hz, all'isolamento del cavo. La tensione viene gradualmente aumentata fino al livello di prova, mantenuta per una durata specificata (di solito da 5 a 15 minuti per i test in fabbrica o da 15 a 60 minuti per i test sul campo) e quindi gradualmente ridotta.

Come funziona il test AC:

• La tensione alterna la polarità a una frequenza di 50/60 volte al secondo.

• L'isolamento è sollecitato in entrambe le direzioni (positiva e negativa).

• La tensione di prova è in genere da 2 a 3 volte la normale tensione di esercizio.

• Il test viene eseguito con la schermatura del cavo collegata a terra.

Vantaggi delle prove di tenuta in corrente alternata:

• Simula le reali condizioni operative: il cavo è sottoposto allo stesso tipo di stress che dovrà affrontare durante il funzionamento.

• Rileva le debolezze legate alle sollecitazioni: i test in corrente alternata hanno maggiori probabilità di individuare difetti che causerebbero guasti nelle effettive condizioni operative.

• Nessun accumulo di carica spaziale: a differenza della corrente continua, la corrente alternata non accumula cariche spaziali nell'isolamento, che possono distorcere il campo elettrico.

• Ampiamente accettato: il test in corrente alternata è lo standard per il collaudo in fabbrica di nuovi cavi e accessori.

Svantaggi delle prove di tenuta in corrente alternata:

• Richiede apparecchiature grandi e pesanti: per i cavi lunghi, il carico capacitivo richiede una sorgente CA ad alta potenza, il che rende le apparecchiature di prova ingombranti e costose.

• Applicazione limitata sul campo: a causa delle dimensioni e del peso dell'apparecchiatura, i test in corrente alternata risultano meno pratici per il collaudo in loco di cavi lunghi.

• Può danneggiare l'isolamento debole: un test in corrente alternata può accelerare il degrado di un isolamento già indebolito, riducendo potenzialmente la durata residua del cavo.

3. Test di tenuta alla tensione CC: l'alternativa portatile

Un test di tenuta alla tensione in corrente continua (CC) applica una tensione in corrente continua (non alternata) all'isolamento del cavo. La tensione viene gradualmente aumentata fino al livello di prova, mantenuta per una durata specificata (in genere da 5 a 15 minuti) e quindi scaricata in sicurezza.

Come funziona il test DC:

• La tensione è costante (nessuna inversione di polarità).

• Una volta che il cavo è carico, non scorre corrente continua, ad eccezione delle correnti di dispersione attraverso l'isolamento.

• La tensione di prova è in genere da 3 a 4 volte la normale tensione di esercizio (superiore alla corrente alternata perché la corrente continua non sollecita l'isolamento in modo così intenso).

• Il test viene eseguito con la schermatura del cavo collegata a terra.

Vantaggi dei test di resistenza in corrente continua:

• Apparecchiature portatili: i set di test in corrente continua (CC) sono molto più piccoli e leggeri rispetto a quelli in corrente alternata (CA), il che li rende ideali per l'utilizzo sul campo.

• Minore consumo energetico: una volta caricato il cavo, viene assorbita solo la corrente di dispersione, pertanto i set di test in corrente continua richiedono meno energia.

• Efficace per rilevare le infiltrazioni d'acqua: il test in corrente continua è sensibile all'umidità e alle bolle d'acqua nell'isolamento in XLPE, che si manifestano come un aumento della corrente di dispersione.

• Meno dannoso per l'isolamento invecchiato: i test in corrente continua (CC) hanno meno probabilità di accelerare il degrado dell'isolamento invecchiato o indebolito.

Svantaggi dei test di resistenza alla corrente continua:

• Non simula le reali condizioni operative: il cavo è soggetto a sollecitazioni unidirezionali, che non sono rappresentative del funzionamento in corrente alternata.

• Accumulo di carica spaziale – La corrente continua può causare l'accumulo di cariche spaziali nell'isolamento, distorcendo il campo elettrico e potenzialmente mascherando i difetti.

• Meno efficace nel rilevare determinati difetti: alcuni difetti che causano guasti in corrente alternata (come vuoti o fessure interfacciali) potrebbero non essere rilevati in corrente continua.

• Pericolo di carica residua: il cavo deve essere completamente scaricato dopo il test per evitare scosse elettriche.

4. La differenza fondamentale: come viene sollecitato l'isolamento

La differenza fondamentale tra le prove di tenuta in corrente alternata e in corrente continua risiede nel modo in cui l'isolamento viene sollecitato.

Perché è importante:

• Nella corrente alternata (AC), la distribuzione del campo elettrico è determinata dalla costante dielettrica (permittività) dei materiali. Un vuoto con bassa permittività genererà un campo più intenso, rendendo la corrente alternata sensibile alla presenza di vuoti.

• In corrente continua (CC), la distribuzione del campo elettrico è determinata dalla resistività dei materiali. L'umidità o gli alberi acquatici, che hanno una resistività inferiore, diventano il punto focale delle sollecitazioni, rendendo la corrente continua sensibile all'umidità.

Pertanto, i test in corrente alternata e in corrente continua rivelano diversi tipi di difetti. Ecco perché non sono intercambiabili.

5. Il problema della carica spaziale nei test in corrente continua

Uno dei problemi più significativi riscontrati nei test in corrente continua (CC) dei cavi estrusi (XLPE) è l'accumulo di cariche spaziali. Quando viene applicata una tensione CC, le cariche possono rimanere intrappolate alle interfacce all'interno dell'isolamento, in particolare all'interfaccia tra l'isolamento e gli strati semiconduttori.

Queste cariche intrappolate possono:

• Distorci il campo elettrico, creando regioni di elevata sollecitazione che potrebbero non essere presenti durante il normale funzionamento in corrente alternata.

• Mascherare la presenza di altri difetti.

• In alcuni casi, si verifica un guasto dopo il completamento del test (quando il cavo viene rialimentato con corrente alternata).

Per questi motivi, molte aziende di servizi pubblici hanno abbandonato i test in corrente continua per i cavi estrusi, preferendo invece i test in corrente alternata o a bassissima frequenza (VLF).

6. Quando utilizzare ciascun test

La scelta tra test di tenuta in corrente alternata (AC) e in corrente continua (DC) dipende dall'applicazione, dal tipo di cavo e dall'obiettivo del test.

Nota: Per i cavi estrusi (XLPE), molti standard internazionali raccomandano ora i test in corrente alternata a bassissima frequenza (VLF) come alternativa ai test in corrente alternata a 50/60 Hz e in corrente continua. I test VLF forniscono una sollecitazione in corrente alternata ma con apparecchiature portatili, il che li rende adatti per i test sul campo di cavi lunghi.

7. Test VLF: il meglio dei due mondi?

I test a bassissima frequenza (VLF) si sono affermati come un compromesso pratico per i test sul campo dei cavi estrusi. I banchi prova VLF applicano una tensione alternata a una frequenza compresa tra 0,01 e 0,1 Hz, molto inferiore a 50/60 Hz.

Vantaggi dei test VLF:

• Fornisce dati di stress in corrente alternata (rappresentativi delle condizioni di esercizio)

• Non provoca accumulo di carica spaziale

• L'attrezzatura è portatile e pratica per l'uso sul campo.

• Efficace per rilevare sia l'umidità che i difetti strutturali

Svantaggi:

• Non si tratta di un test completo a 50/60 Hz in corrente alternata, quindi non simula perfettamente le condizioni di esercizio.

• Richiede una durata del test più lunga (in genere dai 15 ai 60 minuti)

Nonostante i suoi limiti, il test VLF è diventato lo standard per le prove di tenuta in loco dei cavi estrusi di media e alta tensione.

8. Considerazioni sulla sicurezza

Sia le prove di tenuta in corrente alternata che in corrente continua sono potenzialmente pericolose e devono essere eseguite con rigorose precauzioni di sicurezza:

• Prove in corrente alternata – La corrente capacitiva generata da cavi lunghi può essere elevata. Il personale addetto alle prove deve essere protetto dalla tensione di prova e da possibili scariche elettriche.

• Prove in corrente continua – Il cavo deve essere completamente scaricato dopo la prova. La carica residua può persistere per ore o addirittura giorni, rappresentando un rischio di scossa elettrica. Utilizzare sempre le bacchette di scarica e mettere a terra il cavo prima di maneggiarlo.

Norme generali di sicurezza:

• Le prove di resistenza devono essere eseguite esclusivamente da personale qualificato.

• Delimitare un'area di prova ben definita con barriere e segnali di avvertimento.

• Utilizzare dispositivi di sicurezza e sistemi di arresto di emergenza.

• Attenersi alle istruzioni del produttore e alle normative vigenti.

9. Cosa significano i risultati del test

L'esito di una prova di resistenza è semplice: superata o non superata.

• Superato – Il cavo ha resistito alla tensione di prova per la durata specificata senza guasti o correnti di dispersione eccessive.

• Esito negativo: il cavo si è rotto durante il test oppure la corrente di dispersione ha superato il limite specificato.

Ma l'interpretazione è importante:

• Il superamento del test non garantisce che il cavo sia privo di difetti, ma conferma solo che ha resistito alla tensione di prova.

• Un risultato negativo indica un difetto che deve essere esaminato. Le cause più comuni includono un'installazione non corretta, un isolamento danneggiato, infiltrazioni di umidità o materiale deteriorato.

In alcuni casi, per i cavi più vecchi, la tensione di prova può essere ridotta o la durata della prova abbreviata per evitare di causare ulteriori danni. Si tratta di una questione di valutazione tecnica e dovrebbe essere basata sulla storia e sulle condizioni del cavo.

I test di tenuta alla tensione in corrente alternata e in corrente continua sono entrambi strumenti preziosi per verificare l'integrità dell'isolamento dei cavi. Tuttavia, non sono intercambiabili.

• Il test in corrente alternata è il metodo preferito per i cavi nuovi e per simulare le reali condizioni operative. È più sensibile a vuoti e difetti di interfaccia.

• I test in corrente continua rappresentano un'alternativa pratica per i test sul campo, soprattutto per i cavi lunghi, e sono più sensibili all'umidità e alla presenza di alberi.

• I test VLF offrono un compromesso pratico per i cavi estrusi, fornendo sollecitazioni in corrente alternata con apparecchiature portatili.

La scelta dipende dal tipo di cavo, dall'applicazione e dall'obiettivo del test. Comprendere le differenze tra i test in corrente alternata (AC) e in corrente continua (DC) è fondamentale per selezionare il test più adatto a ogni specifica esigenza e per interpretarne correttamente i risultati.

Nel mondo dell'ingegneria ad alta tensione, la scelta del test può essere tanto importante quanto il test stesso. Scegliendo con saggezza, garantirete l'affidabilità e la sicurezza dei vostri sistemi di cavi per i decenni a venire.