Cavi di alimentazione isolati XLPE: valutazioni e test

Valori di tensione e livelli di isolamento

Cavi di alimentazione isolati XLPE are manufactured to defined voltage classes that specify the phase-to-phase and phase-to-ground withstand capabilities. The most common medium-voltage designations under IEC 60502-2 are 6/10 kV, 8.7/15 kV, 12/20 kV, and 18/30 kV, where the first figure represents the rated phase-to-ground voltage and the second the rated phase-to-phase voltage. A cable designated 8.7/15 kV must withstand a power-frequency test voltage of 30,5 kV per cinque minuti durante i test di accettazione in fabbrica, verificando l'integrità dello strato isolante estruso.

Per selezionare la tensione nominale corretta è necessario abbinare il cavo alla tensione operativa continua massima del sistema e alla durata prevista del guasto a terra. Per un sistema da 12 kV in cui i guasti a terra vengono eliminati entro un secondo, un cavo da 6/10 kV potrebbe essere sottodimensionato se si considerano le sovratensioni transitorie. Lo spessore dell'isolamento varia con la classe di tensione: caratteristiche tipiche di un cavo di alimentazione isolato XLPE da 15 kV 4,5 mm di isolamento XLPE , mentre un cavo da 35 kV lo aumenta a circa 8,4 mm . Questo spessore aggiuntivo influisce direttamente sul diametro complessivo del cavo, sulla rigidità alla flessione e sui calcoli della tensione di trazione richiesti durante l'installazione.

Capacità di carico corrente e fattori di declassamento

La portata dei cavi elettrici isolati XLPE non è un unico numero fisso. Varia in base al metodo di installazione, alla temperatura ambiente, alla resistività termica del terreno e alla vicinanza dei circuiti vicini. Potrebbe contenere un cavo XLPE in rame a 3 conduttori da 240 mm² classificato per l'interramento diretto 480A a 90°C di temperatura del conduttore in isolamento, ma questo valore diminuisce significativamente quando il cavo è installato in una batteria di condotti con altri quattro circuiti caricati e una resistività termica del suolo di 1,2 K·m/W anziché quella presunta di 1,0 K·m/W.

La tabella seguente presenta i fattori di declassamento tipici applicati ai cavi di alimentazione isolati XLPE installati in varie configurazioni, in base alle linee guida IEC 60364-5-52.

L'effetto cumulativo di più fattori di declassamento è moltiplicativo. Un cavo in un banco di condotti a quattro circuiti con temperatura del suolo elevata potrebbe ridurre la sua portata effettiva a 270 A o meno , appena la metà della sua valutazione in aria libera. I materiali di riempimento termico con bassa resistività, come sabbia legata con cemento o malte appositamente progettate che circondano la sponda del condotto, diventano misure di mitigazione essenziali per recuperare la capacità persa senza aumentare la sezione trasversale del conduttore.

Tolleranze di installazione e limiti di tiro

L'installazione sul campo dei cavi elettrici isolati XLPE richiede il rigoroso rispetto dei raggi di curvatura minimi e delle tensioni di trazione massime. Il raggio di curvatura minimo per un cavo XLPE unipolare durante l'installazione è in genere 15 volte il diametro complessivo del cavo , aumentando a 12 volte per i cavi tripolari. Il superamento di questo raggio provoca danni irreversibili alla struttura isolante XLPE: il raggio interno si comprime mentre il raggio esterno si allunga, creando potenzialmente microvuoti che si evolvono in siti di scarica parziale sotto tensione operativa.

I limiti di tensione di trazione proteggono il conduttore e l'isolamento da danni meccanici durante la posa del cavo. La tensione di trazione massima per un cavo XLPE con conduttore in rame non deve superare 50 N per millimetro quadrato di sezione del conduttore . Per un conduttore in rame da 300 mm², ciò si traduce in 15.000 N di forza di trazione consentita. Tale tensione dovrà essere calcolata lungo tutto il percorso di tiro previsto, comprensivo dell'attrito maggiorato in corrispondenza di ogni curva del tubo. I lubrificanti per cavi compatibili con il materiale della guaina XLPE, tipicamente un gel a base di bentonite o polimero, riducono il coefficiente di attrito a circa da 0,25 a 0,35 , riducendo sostanzialmente la forza di trazione richiesta. Deve essere controllata anche la pressione della parete laterale nel punto in cui il cavo appoggia contro l'interno di una curva del condotto, con un limite tipico di 1.500 N per metro di raggio di curvatura per cavi XLPE per prevenire la deformazione dell'isolamento.

Pratiche di risoluzione e unione

I punti in cui i cavi elettrici isolati XLPE si collegano al quadro o si congiungono ad altre sezioni del cavo rappresentano le posizioni statistiche di guasto più elevate in qualsiasi rete. Una terminazione eseguita correttamente ricostruisce il controllo dello stress elettrico fornito dallo schermo isolante applicato in fabbrica. Il punto di cut-back dello schermo crea una regione di elevato stress elettrico e un tubo di controllo dello stress o un cono di stress geometrico deve graduare questo potenziale in modo uniforme dalla tensione del conduttore al potenziale di terra lungo la lunghezza della terminazione.

Le terminazioni termorestringenti per cavi XLPE da 15 kV richiedono una preparazione metodica: il rivestimento esterno viene rimosso per esporre lo schermo metallico, lo schermo viene tagliato alla dimensione specificata, lo schermo isolante viene rimosso per esporre XLPE pulito e la superficie isolante viene levigata con grana abrasiva specificata dal produttore della terminazione. Qualsiasi segno lasciato sulla superficie dell'XLPE da un taglio di coltello imprudente durante la rimozione dello schermo diventa un punto di inizio scarica parziale. In genere, il mastice o il tubo per il controllo della tensione devono sovrapporsi al bordo dello schermo secondo la distanza specificata dal produttore da 15 mm a 25 mm , per garantire che le linee del campo elettrico si rifrangano uniformemente senza tracciamento della superficie. Dopo l'installazione, il capocorda di terminazione deve essere crimpato con una matrice esagonale adatta alla classe e alla sezione trasversale del conduttore, applicando una compressione sufficiente per ottenere una saldatura a freddo a tenuta di gas tra il cilindro del capocorda e i trefoli di rame.

Test sul campo e messa in servizio

Il test dei cavi di alimentazione isolati XLPE dopo l'installazione ma prima dell'energizzazione è l'ultimo passaggio per individuare difetti di fabbricazione, danni da trasporto ed errori di terminazione. Il test di messa in servizio accettato per i nuovi circuiti XLPE a media tensione è a Forma d'onda sinusoidale a bassissima frequenza a 0,1 Hz , applicato per una durata da 30 a 60 minuti. Per un cavo da 15 kV con un valore nominale fase-terra di 8,7 kV, la tensione di prova VLF è generalmente impostata su da 2,0 a 3,0 U₀ , corrispondente a circa 18 kV-26 kV di picco.

I test ad alto potenziale CC, una volta pratica standard, sono stati abbandonati per i cavi elettrici isolati XLPE perché depositano una carica spaziale nell'isolamento che può provocare un guasto in servizio dopo che il cavo viene ricollegato alla CA. Il test VLF, combinato con la misurazione tan delta a più gradini di tensione, fornisce una base diagnostica. Un cavo XLPE nuovo e integro dovrebbe mostrare un valore delta marrone chiaro riportato di seguito 0,2 × 10⁻³ con variazione minima tra i gradini di tensione. Qualsiasi cavo che mostra un delta tan che supera questa soglia, o un aumento graduale tra livelli di tensione successivi, indica contaminazione, ingresso di umidità o difetti di estrusione che richiedono un'indagine e una potenziale sostituzione del cavo prima che il circuito venga messo in servizio.

Invecchiamento a lungo termine e monitoraggio delle condizioni

L'isolamento XLPE si degrada attraverso due meccanismi principali: invecchiamento termico derivante da un funzionamento prolungato pari o vicino al limite di 90°C e crescita di alberi acquatici in presenza di umidità e stress elettrico. I moderni composti XLPE incorporano additivi ritardanti l'albero dell'acqua, ma i cavi prodotti prima dell'adozione diffusa di queste formulazioni negli anni '90 rimangono vulnerabili. I programmi di monitoraggio delle condizioni utilizzano la mappatura delle scariche parziali e la spettroscopia dielettrica per identificare i cavi di alimentazione isolati XLPE obsoleti prima che si guastino in servizio.

La misurazione delle scariche parziali, eseguita con accoppiatori capacitivi alle terminazioni o trasformatori di corrente ad alta frequenza attorno al collegamento a terra del cavo, rileva scariche con grandezze di carica apparenti basse fino a Da 5 a 10 picocoulomb . Un cavo che mostra una tensione di inizio scarica parziale inferiore a 1,3 volte la tensione operativa si avvicina a una condizione in cui è probabile un guasto entro i prossimi tre anni. Per i circuiti critici, i sistemi di monitoraggio online delle scariche parziali installati permanentemente alle terminazioni del quadro forniscono una sorveglianza continua delle condizioni del cavo di alimentazione isolato XLPE, attivando allarmi quando l'attività di scarica cambia in entità o frequenza di ripetizione. Questi dati consentono ai gestori delle risorse di pianificare interruzioni pianificate per la sostituzione dei cavi anziché rispondere a un guasto di emergenza che interrompe la produzione o la fornitura del servizio.