Tensiones de prueba de aislamiento de cables: ¿Qué tan alto es demasiado alto?

Stephen Drennan – Ingeniero eléctrico 
Fuente: Megger

Hay muchas formas de probar el aislamiento de equipos eléctricos utilizando una variedad de voltajes, frecuencias y métodos de prueba. El Grupo Megger suministra una amplia gama de probadores para tales aplicaciones, desde probadores de resistencia de aislamiento de 50 V a 15 kV, pasando por equipos de prueba VLF y AC Tan Delta hasta instrumentos de diagnóstico de respuesta de frecuencia dieléctrica y HiPot o probadores de prueba que utilizan CA o CC hasta 80/ 800 kilovoltios. 

Este artículo pretende resolver la confusión que a veces existe con respecto a los niveles de voltaje aceptables para las pruebas de cables y lo que se entiende por “pruebas de CC” de cables en diversos contextos. 

Definiendo los términos 

Cuando se utilizan en un contexto específico, muchos términos de ingeniería tienen un significado claro y bien definido. Sin embargo, cuando se sacan de contexto o se usan de manera informal, esos mismos términos pueden volverse ambiguos y confusos. Un buen ejemplo es el «alto voltaje». 

Muchas normas nacionales e internacionales detallan sin ambigüedades los voltajes que pueden designarse correctamente como ELV (voltaje extra bajo), EHV (voltaje extra alto) y todo lo demás. Sin embargo, en el uso común, la frase «alto voltaje» significa cosas muy diferentes para un ingeniero comercial de HVAC acostumbrado a trabajar a 110 o 230 V, un ingeniero de distribución que trabaja con sistemas de 11 kV y un ingeniero de transmisión cuyo trabajo involucra 132 kV o 765 kV. lineas de transmisión. Los equipos de prueba se utilizan a menudo más allá de estos límites disciplinarios y, al menos en parte debido al uso impreciso de la terminología, puede haber confusión sobre qué voltajes y métodos de prueba son apropiados (y cuáles son potencialmente dañinos) en aplicaciones particulares. 

El problema: cables dieléctricos sólidos XLPE 

Las preocupaciones sobre las pruebas de alto voltaje surgieron como resultado del comportamiento de los cables XLPE cuando fueron sometidos al mismo régimen de mantenimiento que se había aplicado anteriormente a los tipos de cables laminados. A principios de la década de 1990, el Dr. NN Srinivas del EPRI (Instituto de Investigación de Energía Eléctrica) y otros como el Dr. M Mashikian de la Universidad de Connecticut y el Prof.dr.ir llevaron a cabo una investigación invaluable sobre los factores que afectan el envejecimiento de los cables XLPE. . FH Kreuger en la Universidad de Delft. 

Pruebas de CC versus pruebas de sobretensión 

Todos los artículos resultantes se refieren a lo que se conoce como «pruebas de prueba», pruebas de «resistencia» o pruebas de «alta potencia», con lo que quieren decir que los voltajes «altos» (ahí está esa palabra nuevamente), en relación con el voltaje de trabajo de del sistema, se aplican a los cables para ver si se produce alguna avería durante la prueba. Por ejemplo, se podría utilizar una tensión de prueba de 40 kV para probar un cable de sistema de 15 kV. En el contexto de estos regímenes de prueba de cables, los documentos también se refieren a las ‘pruebas de CC’ para diferenciarlas de las pruebas de CA a voltajes similares. Sin embargo, los investigadores no están hablando de todas las pruebas de CC, independientemente del voltaje utilizado; después de todo, un multímetro utiliza un voltaje de CC de 0,5 a 2,5 V para probar la continuidad, ¡pero esto ciertamente no estaría incluido! A los investigadores sólo les preocupan los voltajes CC «altos», pero ¿qué significa «alto» en este contexto? 

La investigación del EPRI 

El informe EPRI comienza afirmando que “las pruebas de cables de alto voltaje de CC se utilizan en un esfuerzo por detectar imperfecciones o deterioros graves…” 

En este contexto, las tensiones en cuestión quedan absolutamente claras en declaraciones como: 

«Las pruebas de CC a 40 kV provocarán una reducción en la vida útil de un cable aislado XLPE de envejecimiento acelerado» y 

«Las pruebas de CC a 70 kV o 55 kV antes del envejecimiento no parecen influir en la vida útil del cable». 

Las investigaciones analizaron tres clases de cables XLPE: los que eran nuevos, los que habían envejecido naturalmente y los que habían sido sometidos a un envejecimiento acelerado en el laboratorio haciéndolos funcionar a aproximadamente el doble del voltaje de trabajo normal a alta temperatura. 

Muestreo 

Luego, las muestras se dividieron en dos grupos, y un grupo fue sometido a una prueba de sobretensión de CC, mientras que el otro grupo no. Los voltajes de prueba de sobretensión de CC aplicados a los cables fueron de 3,8 a 5,2 veces el voltaje de diseño de CA de los cables, típicamente de 40 kV a 68 kV. Luego, ambos conjuntos de muestras se procesaron nuevamente con voltajes de CA de «envejecimiento acelerado» y se comparó el tiempo de falla final de las muestras. 

Resultados 

En algunas pruebas, las muestras que habían sido sometidas a pruebas de sobretensión de CC fallaron antes que las muestras no probadas. Por ejemplo, dos de los cables probados fallaron después de 346 y 887 días, mientras que sus homólogos no probados sobrevivieron más de 928 días. Sin embargo, los resultados no fueron claros en absoluto, ya que otros 32 cables del estudio no mostraron diferencias estadísticamente significativas entre las muestras probadas y no probadas. 

Conclusiones de la investigación EPRI 

Sin embargo, a la luz de trabajos de laboratorio anteriores sobre el análisis microscópico de la generación de árboles de agua, y teniendo en cuenta la capacidad limitada de la sobretensión de CC para inducir fallas durante la prueba, los investigadores concluyeron que, si bien las pruebas de sobretensión de CC en cables nuevos no implicaban riesgo de Debido a la degradación del cable, existía un riesgo potencial de envejecimiento acelerado en el cable XLPE ya envejecido. 

Mecanismos de falla 

La investigación sugirió que el problema con las pruebas de sobretensión estaba relacionado con la inducción de un campo eléctrico en el aislamiento del orden de 230 V por milésima de pulgada (un ‘tú’ en el lenguaje británico o un ‘mil’ en americano). En el mundo métrico, esto equivale a 9050 V/mm. Este campo eléctrico es un problema para el aislamiento XLPE muy envejecido, ya que la rigidez dieléctrica de dicho cable puede caer por debajo de 300 V por milésima de pulgada (12.000 V/mm). A partir de este momento, las sobretensiones pueden dañar considerablemente el aislamiento. 

La investigación también estableció que cuando el 

El aislamiento es nuevo, su rigidez dieléctrica es del orden de 1.100 V por milésima de pulgada (44.000 V/mm). Esto es aproximadamente cuatro veces la intensidad del campo producido durante las pruebas de CC y, por lo tanto, no tendrá ningún efecto sobre el aislamiento nuevo. 

Alto voltaje 

Teniendo en cuenta lo anterior, es importante darse cuenta de que las tensiones de voltaje producidas en el cable no son simplemente el resultado de aplicar un voltaje de CC (una sobretensión de CA también acelerará el envejecimiento), sino que se deben principalmente al alto voltaje utilizado en las pruebas de sobretensión. 

Pruebas de aislamiento de baja tensión. 

No todas las pruebas de aislamiento de cables se realizan a altas tensiones. De hecho, muchas pruebas de CC normalmente se realizan con 2,5 kV o 5 kV. Estas tensiones eléctricas resultantes de tales pruebas son sólo de un octavo a un decimosexto de la rigidez dieléctrica de incluso un cable XLPE muy envejecido. No hay ninguna evidencia de que esto cause algún problema al aislamiento. De hecho, estos valores son significativamente menores que las relaciones tensión/rigidez dieléctrica que se ha demostrado que no plantean problemas a los nuevos cables XLPE. 

Por lo tanto, las pruebas de aislamiento de CC de subtensión se pueden utilizar como parte de los procedimientos de puesta en servicio y mantenimiento sin preocuparse por dañar los cables XLPE. De hecho, las empresas de servicios públicos lo utilizan con frecuencia con, por ejemplo, un tiempo de prueba de 10 minutos entre cada fase y pantalla, con un nivel de aprobación de 10 GΩ. Otras utilidades utilizan esta forma de prueba, junto con otras pruebas, para comprobar la coherencia entre las fases. 

Por qué las pruebas de sobretensión de CC son un problema para XLPE 

Aunque tanto las sobretensiones de CC como de CA pueden acelerar el envejecimiento, en duraciones de prueba típicas de, digamos, 30 minutos, el problema para XLPE es mucho peor con CC que con CA. Esto se debe a que el campo eléctrico, que se mantiene en la misma dirección durante la prueba, puede crear cargas espaciales indeseables dentro del aislamiento XLPE; cuando el cable se vuelve a energizar posteriormente, estas cargas permanecen, provocando tensiones localizadas muy altas. La tensión normal de CA más la carga espacial pueden iniciar un árbol eléctrico en el aislamiento que puede convertirse en una falla y disminuir la vida útil. Las cargas espaciales podrían tardar hasta 24 horas en disiparse después de una prueba de sobretensión de CC y, en la mayoría de los casos, dejar un cable fuera de servicio durante tanto tiempo no es práctico. 

Soluciones para probar cables XLPE 

Es razonable argumentar que cualquier prueba destinada a determinar el estado del aislamiento debe evaluar el sistema bajo prueba de la manera más cercana posible a sus condiciones normales de operación. Por lo tanto, para un sistema de cable destinado a servicio a frecuencia de alimentación de CA, una prueba de sobretensión de CA a 50/60 Hz podría considerarse la prueba más representativa, particularmente porque las inversiones de campo evitarán la generación de cargas espaciales persistentes. 

Sin embargo, a frecuencia industrial, un cable aparece como una gran carga capacitiva, siendo típicos valores de 300 pF/m. Por lo tanto, un cable de 66 kV de 500 m de longitud que se prueba a 100 kV CA presentará una carga capacitiva de 470 kVA. Claramente, suministrar esta carga requeriría un sistema de prueba grande, pesado y muy costoso. Y, si dicho sistema de prueba fuera alimentado por una fuente monofásica de 400 V, ¡la corriente de entrada requerida excedería 1 kA! Incluso si se empleara un equipo de prueba resonante en serie que reduzca el requisito de potencia de entrada, seguiría siendo grande y costoso. Sin embargo, a veces no hay alternativa y de vez en cuando algunas empresas de servicios públicos y muchos fabricantes de equipos y cables necesitan acceder a este tipo de equipo especializado. 

Sin embargo, en el entorno general de campo, los probadores VLF (muy baja frecuencia) a menudo proporcionan una opción aceptable y mucho más conveniente, pero aún requieren una cuidadosa consideración de los niveles de voltaje y las técnicas de prueba.

Técnicas VLF AC 

Claramente, una reducción en el efecto de carga capacitiva del cable ayudará a facilitar las pruebas prácticas, de modo que las pruebas VLF se realicen a frecuencias inferiores a 1 Hz. Reducir la frecuencia de prueba a 0,1 Hz, la frecuencia más utilizada para las pruebas VLF, significa que la potencia de salida necesaria del probador se reduce en un factor de 500, lo que la convierte en una propuesta de prueba de campo mucho más práctica. 

La Guía IEEE para cables de prueba de campo que utilizan VLF (IEEE 400.2, Tabla 1) resume los voltajes de prueba VLF aplicables a varios tipos de cables, dividiéndolos en categorías para pruebas de instalación, aceptación y mantenimiento. 

Las duraciones de las pruebas VLF son significativamente más largas que las de las pruebas de 5/10 kV CC. Las duraciones recomendadas suelen ser de 30 o 60 minutos por prueba, lo que puede hacer que el proceso sea largo cuando es necesario probar cada fase por separado. 

Se han llevado a cabo investigaciones de campo sobre fallas relacionadas con las pruebas para respaldar la investigación de laboratorio original que condujo al desarrollo de las pruebas VLF. Esto demostró que “las pruebas VLF en IEEE Std. Los niveles 400.2 no dañan significativamente los sistemas de cable”. 

Sin embargo, tenga en cuenta que esta investigación también advierte contra el aumento de los valores de voltaje VLF recomendados para cables viejos en un intento de acortar el tiempo de prueba (por ejemplo, 15 minutos por fase), ya que esto puede causar múltiples problemas de falla. 

Los cables nuevos, por el contrario, pueden soportar voltajes más altos como se define, por ejemplo, en IEC605202-2, que incluye un voltaje de prueba para cables nuevos de 3Uo a 0,1 Hz durante 15 minutos. Así que este es otro caso en el que es necesario tener claro qué tan alto es lo suficientemente alto y qué tan alto es demasiado alto. 

Se podría considerar que las muy bajas frecuencias empleadas podrían no representar adecuadamente las tensiones en el cable cuando funciona a frecuencia industrial. Por esta razón, en los equipos de prueba VLF se suele utilizar una forma de onda adaptada conocida como “coseno-rectangular”. Esta forma de onda es sustancialmente una onda cuadrada con flancos ascendentes y descendentes que coinciden estrechamente con la pendiente de una onda sinusoidal de frecuencia industrial. Esto significa que las tensiones producidas en un cable cuando se prueba con una forma de onda coseno-rectangular son más representativas de las que experimentará el cable en funcionamiento normal. 

VLF coseno-rectangular para probar cables más largos 

Esta forma de onda coseno-rectangular está recomendada por los estándares IEC, DIN VDE, el HD620 

Documentos de armonización e IEEE400. El documento de CIGRE sobre la experiencia de probar cables en los EE. UU. no encontró ninguna diferencia significativa en la capacidad de diagnóstico de las formas de onda sinusoidal versus coseno-rectangular, pero el equipo coseno-rectangular permite realizar pruebas en cargas con mayor capacitancia y, por lo tanto, hace que Es posible probar cables más largos que aquellos que se pueden probar usando un equipo de prueba sinusoidal comparable. 

Caballos de carreras… 

Los consejos prácticos para las pruebas de cables en campo se pueden resumir así: 

1. Prueba de aislamiento a 2,5 kV o 5 kV (prueba de subtensión) 

• Se puede llevar a cabo en equipos de AT y MT, incluidos cables XLPE, sin temor a inducir fallas, ya sea como una prueba Go-NoGo de bajo costo o, en algunos equipos, como una prueba de diagnóstico de aislamiento, utilizando técnicas como el voltaje escalonado. , índice de polarización o descarga dieléctrica. Con los voltajes y duraciones habitualmente utilizados, no hay evidencia de degradación del aislamiento del cable XLPE. 

2. Prueba de prueba de CC ‘Hi-Pot’ a 40 kV/70 kV o superior (prueba de sobretensión) 

• Se puede realizar al poner en servicio cualquier cable nuevo, aunque es posible que se pasen por alto ciertos tipos de defectos. 
• No se debe realizar para probar cables XLPE u otros cables dieléctricos sólidos envejecidos durante el ciclo de mantenimiento, pero se puede realizar en tipos de cables laminados. 

3. Pruebas VLF 

• Se puede aplicar tanto a tipos de cables dieléctricos laminados como a dieléctricos sólidos. 
• Las pruebas VLF utilizan una frecuencia de 0,1 Hz, lo que resuelve los problemas con las pruebas DC Hi-Pot (más de 40 kV) en XLPE o cables mixtos porque la dirección del campo eléctrico alterna. 
• El menor requerimiento de energía en comparación con las pruebas de frecuencia industrial significa que el equipo de prueba se puede transportar y cuesta menos. 
• VLF puede probar cables largos debido a los bajos niveles de corriente requeridos y esta capacidad se maximiza utilizando la opción de prueba de coseno rectangular.