Cabos de alimentação isolados em XLPE: classificações e testes

Classificações de tensão e níveis de isolamento

Cabos de alimentação isolados em 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 por cinco minutos durante os testes de aceitação de fábrica, verificando a integridade da camada de isolamento extrudada.

A seleção da classificação de tensão correta requer a correspondência do cabo com a tensão máxima de operação contínua do sistema e com a duração esperada da falta à terra. Para um sistema de 12 kV onde as faltas à terra são eliminadas em um segundo, um cabo de 6/10 kV pode ser subdimensionado quando as sobretensões transitórias são consideradas. A espessura do isolamento varia de acordo com a classe de tensão: um típico cabo de alimentação isolado em XLPE de 15 kV apresenta 4,5 mm de isolamento XLPE , enquanto um cabo de 35 kV aumenta isso para aproximadamente 8,4mm . Essa espessura adicional afeta diretamente o diâmetro total do cabo, a rigidez à flexão e os cálculos de tensão de tração necessários durante a instalação.

Capacidade de carga atual e fatores de redução

A ampacidade dos cabos de alimentação isolados em XLPE não é um único número fixo. Ele muda com base no método de instalação, na temperatura ambiente, na resistividade térmica do solo e na proximidade de circuitos vizinhos. Um cabo XLPE de cobre de 3 núcleos e 240 mm² classificado para enterramento direto pode transportar 480A a 90°C de temperatura do condutor isoladamente, mas este valor cai significativamente quando o cabo é instalado em um banco de dutos com outros quatro circuitos carregados e uma resistividade térmica do solo de 1,2 K·m/W em vez dos 1,0 K·m/W assumidos.

A tabela abaixo apresenta os fatores de redução típicos aplicados a cabos de alimentação isolados em XLPE instalados em diversas configurações, com base nas diretrizes IEC 60364-5-52.

O efeito cumulativo de múltiplos fatores de redução é multiplicativo. Um cabo em um banco de dutos de quatro circuitos com temperatura elevada do solo pode ver sua ampacidade efetiva reduzida para 270 A ou menos , quase metade de sua classificação ao ar livre. Materiais de aterro térmico com baixa resistividade, como areia com cimento ou argamassas especificamente projetadas ao redor do banco de dutos, tornam-se medidas de mitigação essenciais para recuperar a capacidade perdida sem aumentar a seção transversal do condutor.

Tolerâncias de instalação e limites de tração

A instalação em campo de cabos de alimentação isolados em XLPE exige adesão estrita aos raios de curvatura mínimos e às tensões de tração máximas. O raio de curvatura mínimo para um cabo XLPE de núcleo único durante a instalação é normalmente 15 vezes o diâmetro total do cabo , aumentando para 12 vezes para cabos de três núcleos. Exceder este raio causa danos irreversíveis à estrutura de isolamento XLPE: o raio interno comprime enquanto o raio externo se estende, criando potencialmente microvazios que evoluem para locais de descarga parcial sob tensão operacional.

Os limites de tensão de tração protegem o condutor e o isolamento contra danos mecânicos durante a colocação do cabo. A tensão máxima de tração para um cabo XLPE condutor de cobre não deve exceder 50 N por milímetro quadrado de seção transversal do condutor . Para um condutor de cobre de 300 mm², isso se traduz em 15.000 N de força de tração permitida. Esta tensão deve ser calculada ao longo de todo o percurso de tração planejado, incluindo o aumento do atrito em cada curva do conduíte. Lubrificantes de cabos compatíveis com o material da capa XLPE, normalmente uma bentonita ou um gel à base de polímero, reduzem o coeficiente de atrito para aproximadamente 0,25 a 0,35 , diminuindo substancialmente a força de tração necessária. A pressão da parede lateral onde o cabo se apoia contra o interior de uma curva do conduíte também deve ser verificada, com um limite típico de 1.500 N por metro de raio de curvatura para cabos XLPE para evitar deformação do isolamento.

Práticas de rescisão e união

Os pontos onde os cabos de alimentação isolados em XLPE se conectam ao quadro de distribuição ou emendam a outras seções de cabo representam os locais de falha estatística mais elevados em qualquer rede. Uma terminação executada corretamente reconstrói o controle de tensão elétrica fornecido pela tela de isolamento aplicada de fábrica. O ponto de corte da tela cria uma região de alta tensão elétrica, e um tubo de controle de tensão ou cone de tensão geométrica deve graduar esse potencial suavemente desde a tensão do condutor até o potencial de terra ao longo do comprimento da terminação.

As terminações termorretráteis para cabos XLPE de 15 kV requerem preparação metódica: a capa externa é removida para expor a blindagem metálica, a blindagem é cortada na dimensão especificada, a tela de isolamento é removida para expor o XLPE limpo e a superfície de isolamento é lixada com grão abrasivo especificado pelo fabricante da terminação. Qualquer marca deixada na superfície do XLPE devido a um corte descuidado com a faca durante a remoção da tela torna-se um ponto de início de descarga parcial. O mastique ou tubo de controle de tensão deve se sobrepor à borda da tela na distância especificada pelo fabricante, normalmente 15 mm a 25 mm , para garantir que as linhas do campo elétrico refratem suavemente sem rastreamento de superfície. Após a instalação, o terminal de terminação deve ser cravado com uma matriz hexagonal correspondente à classe e seção transversal do condutor, aplicando compressão suficiente para obter uma solda a frio estanque a gases entre o cilindro do terminal e os fios de cobre.

Testes de campo e comissionamento

Testar cabos de alimentação isolados em XLPE após a instalação, mas antes da energização, é a porta final que detecta defeitos de fabricação, danos de transporte e erros de terminação. O teste de comissionamento aceito para novos circuitos XLPE de média tensão é um forma de onda senoidal de frequência muito baixa a 0,1 Hz , aplicado por uma duração de 30 a 60 minutos. Para um cabo de 15 kV com classificação fase-terra de 8,7 kV, a tensão de teste VLF normalmente é definida como 2,0 a 3,0 U₀ , correspondendo a aproximadamente 18 kV a 26 kV de pico.

Os testes de alto potencial CC, antes uma prática padrão, foram abandonados para cabos de alimentação isolados em XLPE porque depositam carga espacial no isolamento que pode precipitar uma falha em serviço após o cabo ser reconectado à CA. O teste VLF, combinado com a medição tan delta em múltiplas etapas de tensão, fornece uma linha de base de diagnóstico. Um cabo XLPE novo e saudável deve apresentar um valor tan delta abaixo 0,2 × 10⁻³ com variação mínima entre as etapas de tensão. Qualquer cabo mostrando um tan delta excedendo esse limite, ou um aumento gradual entre níveis de tensão sucessivos, indica contaminação, entrada de umidade ou defeitos de extrusão que justificam investigação e possível substituição do cabo antes que o circuito seja colocado em serviço.

Envelhecimento a longo prazo e monitoramento de condições

O isolamento XLPE se degrada através de dois mecanismos principais: envelhecimento térmico devido à operação sustentada no limite de 90°C ou próximo a ele, e crescimento de árvores aquáticas na presença de umidade e estresse elétrico. Os compostos XLPE modernos incorporam aditivos retardadores de árvore de água, mas os cabos fabricados antes da adoção generalizada destas formulações na década de 1990 permanecem vulneráveis. Os programas de monitoramento de condições usam mapeamento de descarga parcial e espectroscopia dielétrica para identificar cabos de alimentação isolados em XLPE envelhecidos antes que eles falhem em serviço.

A medição de descarga parcial, realizada com acopladores capacitivos nas terminações ou transformadores de corrente de alta frequência ao redor da conexão de aterramento do cabo, detecta descargas com magnitudes de carga aparente tão baixas quanto 5 a 10 picocoulombs . Um cabo exibindo tensão de início de descarga parcial abaixo de 1,3 vezes a tensão de operação está se aproximando de uma condição em que uma falha é provável dentro dos próximos um a três anos. Para circuitos críticos, sistemas on-line de monitoramento de descarga parcial permanentemente instalados nas terminações do painel fornecem vigilância contínua da condição do cabo de alimentação isolado em XLPE, acionando alarmes quando a atividade de descarga muda em magnitude ou taxa de repetição. Esses dados permitem que os gerentes de ativos programem interrupções planejadas para substituição de cabos, em vez de responder a uma falha de emergência que interrompa a produção ou a prestação de serviços.