Compartilhamento da tecnologia de detecção de descarga parcial em cabos

Shanghai Demiks Power Technology Co., Ltd.

1. Compreensão fundamental do estado do isolamento de cabos

Como elemento central na transmissão de energia elétrica em um sistema de energia, o desempenho do isolamento dos cabos determina diretamente a estabilidade e a segurança do fornecimento de energia. Durante a operação a longo prazo, o isolamento dos cabos deteriora-se gradualmente, e as principais causas dessa deterioração incluem degradação térmica, degradação elétrica e arborescência induzida pela água. Além disso, impactos externos, erosão por radiação e corrosão química também podem acelerar o envelhecimento do isolamento, o que pode eventualmente levar à falha do cabo e interrupções no fornecimento de energia.

Sob a influência de um campo elétrico, descargas parciais podem ocorrer em certas áreas frágeis do isolamento (como áreas com espaços de ar, impurezas ou danos na interface) quando a intensidade do campo elétrico atinge seu limite de ruptura. Essa descarga não penetra os dois eletrodos aos quais a tensão é aplicada e é considerada um estado de ruptura incompleta. No entanto, é um importante sinal de deterioração do isolamento do cabo — a descarga parcial é tanto causa quanto consequência da degradação do isolamento, sendo também o mecanismo mais rápido de envelhecimento de materiais isolantes orgânicos (como XLPE e EPR).

Em termos simples, quando um cabo apresenta defeitos de isolamento, descargas parciais ocorrerão inevitavelmente. Descargas parciais contínuas corroem a camada de isolamento, levando a uma deterioração contínua do desempenho do isolamento e, eventualmente, causando falhas graves, como a ruptura do isolamento do cabo e a fusão do condutor. Portanto, a detecção oportuna de sinais de descarga parcial e a avaliação precisa do estado do isolamento do cabo são de suma importância na operação e manutenção de sistemas de energia.

1. A Importância Fundamental da Detecção de Descargas Parciais

A detecção de descargas parciais, como método fundamental para avaliar a condição do isolamento de cabos, é valiosa principalmente nos quatro aspectos a seguir, e sua aplicação se estende por todo o ciclo de vida do cabo:

• Detecção oportuna de possíveis falhas em cabos: Ao detectar sinais de descarga parcial, é possível identificar antecipadamente pontos fracos e possíveis defeitos no isolamento dos cabos, permitindo a tomada de medidas de solução de problemas direcionadas antes que uma falha ocorra. Isso reduz efetivamente a ocorrência de interrupções inesperadas de energia e garante a operação contínua e estável do sistema elétrico.

• Monitoramento da qualidade do processo de cabos recém-comissionados: Antes que um novo cabo seja colocado em operação, teste de descarga parcial Pode verificar a racionalidade do processo de produção e construção de cabos, identificar problemas potenciais como tratamento inadequado de juntas e danos ao isolamento durante a construção, fornecer uma referência científica para a gestão da construção e evitar a colocação em funcionamento de cabos não qualificados.
• Avaliação das condições de operação de cabos antigos: Para cabos antigos que estão em operação há muito tempo, a detecção de descargas parciais pode determinar com precisão o grau de envelhecimento do isolamento, fornecendo dados de suporte para o gerenciamento de ativos de cabos, diagnóstico de falhas e decisões de substituição, evitando o desperdício de recursos causado por substituições indiscriminadas e prevenindo falhas causadas por problemas de isolamento.
• Promover a transformação e a modernização do modelo de operação e manutenção: O monitoramento em tempo real e a avaliação precisa do estado dos cabos podem ser alcançados por meio da detecção de descargas parciais, promovendo a transformação do modelo tradicional de “manutenção planejada” para um modelo mais científico e eficiente de “manutenção baseada na condição”, reduzindo os custos de operação e manutenção e melhorando a eficiência dessas atividades.

Modelo equivalente de um cabo normal	Modelo Equivalente de Cabo Defeituoso

III. Tecnologias e soluções essenciais para a detecção de descargas parciais em cabos

Diferentes esquemas de detecção são necessários para diferentes cenários e tipos de cabos. Dentre eles, a tecnologia de detecção de ondas de oscilação em cabos é a única tecnologia de localização de defeitos em cabos de alta tensão e cabos de redes de distribuição com um grande número de casos de circuito fechado eficazes (abrangendo todo o processo de verificação de teste, desmontagem de falhas, eliminação de defeitos e verificação de dissecação). Combinada com monitoramento online, inspeção em tempo real e outros métodos, pode-se formar um sistema completo e eficiente de monitoramento, gerenciamento e manutenção da condição dos cabos.

(I) Classificação de soluções de teste principais

• Monitoramento online (adequado para linhas críticas): Aquisição em tempo real de sinais de descarga parcial durante a operação do cabo, permitindo monitoramento ininterrupto 24 horas por dia, detecção oportuna de defeitos repentinos e adequado para operação e manutenção de longo prazo de linhas principais e linhas de carga crítica.
• Inspeção em linha viva (aplicável a linhas de levantamento topográfico em geral): Realiza uma inspeção completa da linha enquanto o cabo está energizado, identifica rapidamente seções do cabo com potenciais riscos de descarga parcial, fornece orientação para posterior detecção precisa e eliminação de defeitos e melhora a eficiência da operação e manutenção.

• Posicionamento offline por onda oscilante em cabos (adequado para posicionamento preciso): Ao aplicar uma tensão oscilante amortecida ao cabo offline, uma descarga parcial é excitada no defeito de isolamento, permitindo o posicionamento preciso do defeito. É um método fundamental para diagnóstico de falhas e verificação de defeitos.

(II) Parâmetros do Sistema de Detecção de Descarga Parcial de Alta Frequência e Alto Desempenho

De acordo com a norma QGDW 11304.5-2023 “Especificação Técnica para Instrumentos de Teste em Linhas Vivas para Equipamentos de Energia - Parte 5: Detector de Descarga Parcial de Alta Frequência ”, um sistema de detecção de descarga parcial de alta frequência de alto desempenho deve atender aos seguintes parâmetros principais para garantir a precisão e a confiabilidade da detecção:

• Portas de entrada: Suporta detecção de 1 a 4 canais e pode ser expandida para adquirir parâmetros auxiliares como temperatura, umidade e circulação, permitindo análise síncrona de dados multidimensionais.
• Funções de teste: Capaz de adquirir continuamente pelo menos 2000 pulsos em três fases por pelo menos 5 segundos; tempo morto de disparo por repetição de pulso ≤2μs, garantindo que nenhum sinal crítico de descarga seja perdido; apresenta modos de aquisição contínua de ciclo único e disparo por pulso para se adaptar a diferentes cenários de teste; incorpora múltiplas funções de redução de ruído, como filtragem no domínio da frequência e filtragem wavelet, para eliminar efetivamente sinais de interferência e melhorar a precisão da detecção; suporta aquisição de descarga parcial síncrona trifásica, capturando de forma abrangente o estado de isolamento de cabos trifásicos; apresenta funções de disparo BeiDou e disparo de característica de pulso no domínio do tempo de descarga parcial para melhorar ainda mais a precisão do disparo e a velocidade de resposta.

(III) Tecnologia central para localização precisa offline de problemas de descarga parcial em cabos

Em regiões relativamente desenvolvidas, a aceitação de cabos e a manutenção de rotina geralmente empregam uma abordagem complementar utilizando três métodos: tensão de resistência à ressonância, descarga parcial por onda oscilante e perda dielétrica sinusoidal de ultrabaixa frequência. Esses três métodos não são intercambiáveis ​​— um único método não consegue abranger todos os cenários. A combinação de testes offline com monitoramento online pode criar uma solução abrangente para problemas em campo.

O princípio fundamental do posicionamento offline por onda de oscilação em cabos é o seguinte: o cabo é carregado por uma fonte de alimentação CC através de um indutor, e então a conversão CC para CA é realizada por uma chave rápida, gerando uma tensão de oscilação amortecida no cabo em teste; essa tensão de oscilação amortecida irá excitar uma descarga parcial no defeito de isolamento do cabo, e o sistema de detecção captura o sinal de descarga parcial com base no método de corrente de pulso, obtendo assim uma localização precisa do defeito.

(iv) Comparação de três métodos de detecção offline convencionais

Métodos de detecção	Os principais recursos
Onda oscilante	Vantagens: Tamanho pequeno e peso leve, processo de teste não destrutivo, compatível com a maioria dos cabos de alta tensão e de redes de distribuição, e operação conveniente no local; Desvantagens: A equivalência da tensão de ruptura ainda precisa de verificação adicional, e a precisão da detecção em alguns cenários de defeitos extremos precisa ser combinada com outros métodos.
Ressonância CA	Vantagens: Métodos de teste tradicionais e clássicos, os resultados dos testes são próximos aos dos testes de fábrica de cabos e a precisão do teste da capacidade de resistência geral do isolamento é alta; Desvantagens: O equipamento tem alta potência, tamanho e peso grandes, dificultando o transporte e a instalação no local, o tempo de teste é longo e o custo de manutenção é alto.
Tensão suportável CC	Desvantagens: A aplicação de alta tensão CC por um longo período causa acúmulo de carga dentro do cabo, provocando danos adicionais irreversíveis em cabos com isolamento orgânico, como o XLPE. Este método foi expressamente proibido na maioria das regiões.

(v) Onda osciladora CC (DAC) – Avaliação de risco CC

Com relação à segurança dos testes de ondas oscilantes CC (DAC), este estudo demonstra sua eficácia sob quatro aspectos: mecanismo físico, condições de limiar, contramedidas de engenharia e aprovação de normas. Ele esclarece que os testes de DAC não causam danos aos cabos e são seguros para testes em campo.

Nível de argumentação	conteúdo principal
Nível de mecanismo físico	O isolamento XLPE possui uma constante de tempo de relaxamento extremamente longa (aproximadamente 2035 s), enquanto o teste DAC dura apenas dezenas de segundos. Durante o teste, o cabo permanece sempre na região dominada pela distribuição capacitiva, e a tensão do campo elétrico é de natureza CA, o que não atende às condições para a formação de tensão CC em regime permanente e, portanto, não causa danos ao isolamento.
Nível de condição de limiar	A acumulação significativa de carga espacial dentro do cabo requer o cumprimento simultâneo de duas condições essenciais: “intensidade do campo elétrico > 10~12 kV/mm” e “tensão constante mantida por vários minutos”. No entanto, o teste DAC não consegue atender a ambas as condições simultaneamente, portanto não gera uma grande quantidade de acumulação de carga espacial.
contramedidas de engenharia	O limite de excitação de 100 segundos e o procedimento de carregamento bipolar fornecem um caminho técnico claro e seguro para o teste de DAC em cabos de alta tensão e alta capacitância, controlando efetivamente a tensão do campo elétrico durante o teste e evitando danos ao isolamento.
Nível de reconhecimento de padrões	A norma IEEE 400.4-2015 estabeleceu o DAC (corrente alternada amortecida) como um método consolidado para testes de cabos em campo, esclarecendo sua segurança e eficácia e fornecendo uma base padronizada para esses testes.

(vi) Características de propagação de sinais de descarga parcial

Quando ocorre uma descarga parcial em um determinado ponto do cabo, a impedância do cabo antes e depois do ponto de descarga pode ser considerada a mesma. Nesse momento, metade da energia do sinal de pulso da descarga parcial se propagará até a extremidade em teste, e a outra metade se propagará até a extremidade oposta do cabo. Quando o sinal atinge o ponto de circuito aberto na extremidade oposta do cabo, ocorrerá reflexão total, e o sinal refletido se propagará novamente até a extremidade em teste através de todo o cabo.

Para melhorar a precisão da detecção, um sinal analógico de descarga parcial (DP) com carga elétrica conhecida é tipicamente injetado na extremidade de medição do cabo em teste. Analisando as características de propagação do sinal analógico, são calculados a velocidade da onda, o fator de atenuação e o fator de resolução do pulso de DP que se propaga ao longo do cabo. É importante notar que o sinal de DP apresenta características de “amplitude decrescente e largura de pulso crescente” durante a propagação, o que é um fator significativo que afeta a precisão da detecção e requer compensação e correção utilizando equipamentos e algoritmos especializados.

Diagrama esquemático da propagação de uma descarga em um determinado ponto do cabo.

 

1. Perguntas Frequentes (FAQ)

Q1: Qual a diferença entre a localização de defeitos por oscilação de ondas em cabos e a localização de falhas?

A: A localização de defeitos por ondas de oscilação em cabos é um teste preventivo. Antes do teste, o cabo deve apresentar determinadas propriedades de isolamento. O objetivo principal é identificar defeitos de isolamento que ainda não se manifestaram, permitindo a “detecção e eliminação precoces”. Já a localização de falhas em cabos é indicada para cabos que já apresentaram falhas. Ela se concentra principalmente em falhas que causam interrupções no fornecimento de energia, como ruptura do isolamento do cabo e fusão do condutor (incluindo falhas de aterramento, curto-circuito, circuito aberto, arco voltaico e falhas mistas). O objetivo principal é localizar rapidamente o ponto de falha e restabelecer o fornecimento de energia à linha. Para obter informações sobre as diferenças relevantes, consulte a Seção 6.2 da norma DL/T 1576.

Q2: Qual é a frequência de oscilação da onda oscilante?

A: As ondas de oscilação do cabo são semelhantes à tensão de ressonância suportável e a dispositivos de frequência ultrabaixa, sendo utilizadas apenas como fontes de tensão de excitação para detecção de descargas parciais. Sua ampla faixa de frequência equivalente é de 20 Hz a 850 Hz, dentro da qual os sinais de descarga parcial podem ser coletados e os defeitos localizados.

Q3: Qual o comprimento máximo de cabo que o dispositivo de onda oscilante consegue detectar?

A: A capacitância máxima mensurável do dispositivo de onda oscilante do cabo é de 6 μF. Tomando como exemplo um cabo de 8.7/10 kV com seção transversal de 300 mm², o comprimento teórico mensurável pode atingir 16 km. No entanto, devido às limitações do princípio da TDR (Refletometria no Domínio do Tempo), quando a capacitância do cabo é muito pequena (não inferior a 0.05 μF), pode ocorrer superposição de formas de onda, afetando a precisão da detecção. Nesse caso, um dispositivo de compensação paralelo é necessário para detecção auxiliar.

Q4: Quais são a atenuação do cabo e o comprimento mínimo mensurável?

A: A atenuação do sinal de um cabo está intimamente relacionada ao seu comprimento, vida útil e condição do isolamento. De modo geral, quanto mais longo o cabo e quanto mais tempo ele estiver em operação, mais significativa será a atenuação do sinal. A menor distância mensurável para um cabo depende principalmente da seleção da largura de banda do equipamento de teste — quanto maior a faixa de frequência selecionável e maior a resolução no domínio do tempo, maior será a faixa de comprimentos de cabo mensuráveis. Por exemplo, ao testar um cabo de curta distância de 35 metros, uma forma de onda nítida pode ser obtida por meio de um dispositivo de alta largura de banda, permitindo testes precisos.

1. Especificações e normas para detecção de descargas parciais

(a) Requisitos de detecção de descarga parcial durante os testes de transferência

Nos testes de transferência de cabos, a detecção de descargas parciais no isolamento principal pode ser realizada utilizando três métodos de excitação de tensão: onda oscilante, onda senoidal de frequência ultrabaixa e onda quadrada cosseno de frequência ultrabaixa. O método de detecção deve estar em conformidade com as normas relevantes IEEE Std 400.2 e IEEE Std 400.4. Os requisitos específicos de teste são apresentados na tabela abaixo:

Vformulário de voltagem	Tensão máxima de teste – Cabo novo	Tensão máxima de teste – Cabo não novo	Ciclos/duração da excitação da tensão máxima de teste	Requisitos de teste – Seção de cabo recém-comissionada	Requisitos de teste – Seção de cabo não recém-comissionada
tensão de onda oscilante	2.0U₀	1.7U₀	Pelo menos 5 vezes	A tensão inicial de descarga parcial não deve ser inferior a 1.2U₀; o valor de detecção de descarga parcial do corpo principal não deve ser superior a 100pC; o valor de detecção de descarga parcial do conector não deve ser superior a 200pC; e o valor de detecção de descarga parcial do terminal não deve ser superior a 2000pC.	O valor de detecção de descarga parcial do corpo principal não é superior a 100 pC; o valor de detecção de descarga parcial do conector não é superior a 300 pC; e o valor de detecção de descarga parcial do terminal não é superior a 3000 pC.
tensão senoidal de frequência ultrabaixa	3.0U₀	2.5U₀	Não menos que 15 minutos	A tensão inicial de descarga parcial não deve ser inferior a 1.2U₀; o valor de detecção de descarga parcial do corpo principal não deve ser superior a 100pC; o valor de detecção de descarga parcial do conector não deve ser superior a 200pC; e o valor de detecção de descarga parcial do terminal não deve ser superior a 2000pC.	O valor de detecção de descarga parcial do corpo principal não é superior a 100 pC; o valor de detecção de descarga parcial do conector não é superior a 300 pC; e o valor de detecção de descarga parcial do terminal não é superior a 3000 pC.
Tensão de onda quadrada cosseno de frequência ultrabaixa	2.5U₀	2.0U₀	Não menos que 15 minutos	A tensão inicial de descarga parcial não deve ser inferior a 1.2U₀; o valor de detecção de descarga parcial do corpo principal não deve ser superior a 100pC; o valor de detecção de descarga parcial do conector não deve ser superior a 200pC; e o valor de detecção de descarga parcial do terminal não deve ser superior a 2000pC.	O valor de detecção de descarga parcial do corpo principal não é superior a 100 pC; o valor de detecção de descarga parcial do conector não é superior a 300 pC; e o valor de detecção de descarga parcial do terminal não é superior a 3000 pC.

(II) Requisitos Essenciais da Norma IEEE Std 400.4-2015

A norma IEEE Std 400.4-2015, “Diretrizes para Testes de Campo de Tensão CA Amortecida (DAC) em Sistemas de Cabos de Energia Blindados com Tensão Nominal de 5 kV ou Superior”, é a principal norma de referência para testes de ondas de oscilação em cabos. Seu principal escopo de aplicação é o seguinte:

1. Aplicável a sistemas de cabos de energia blindados com tensão nominal de 5 kV ou superior, abrangendo os principais tipos de isolamento, como XLPE e EPR, e pode ser aplicado a diversos cenários de energia, como transmissão e distribuição de energia.
2. Cenários de teste: Principalmente para testes de campo offline de cabos instalados, incluindo: ① Teste de entrega de cabos novos (antes do comissionamento) para verificar a qualidade do cabo e o processo de construção; ② Avaliação periódica do estado dos cabos em operação para determinar o grau de envelhecimento do isolamento; ③ Verificação do isolamento dos cabos após o reparo de falhas para garantir que a falha seja completamente eliminada.
3. Tecnologia principal: Padroniza o teste de tensão suportável e o método de diagnóstico de descarga parcial (DP) sob tensão CA amortecida (DAC/onda oscilante). Sua principal vantagem é solucionar o problema de danos irreversíveis aos cabos XLPE causados ​​pela tensão suportável CC tradicional, e viabilizar a combinação de testes não destrutivos e diagnóstico preciso.

(III) Requisitos para testes de descarga parcial e manutenção de cabos

Para linhas de cabos com descarga parcial, devem ser tomadas medidas de manutenção específicas com base na vida útil do cabo e na amplitude da descarga parcial de diferentes componentes. Os requisitos específicos são os seguintes:

• Para linhas de cabos recém-instaladas e linhas em operação há menos de um ano: a tensão máxima de teste é de 2U₀. Se a descarga parcial da junta exceder 300pC e a descarga parcial do corpo do cabo exceder 100pC, o cabo deve ser substituído imediatamente. Se a descarga parcial do terminal exceder 3000pC, os componentes do terminal devem ser substituídos imediatamente.
• Para cabos em operação há mais de um ano: a tensão máxima de teste é de 1.7 µF. Se a descarga parcial da junta exceder 500 pC e a descarga parcial do corpo do cabo exceder 100 pC, os componentes correspondentes devem ser substituídos imediatamente. Se a descarga parcial do terminal exceder 5000 pC, o terminal deve ser substituído imediatamente.

(iv) Objetivos principais de diferentes tipos de teste

Tipo de teste	Propósito	Foco da avaliação
teste de tensão suportável do DAC	Verificar a capacidade de resistência geral do isolamento do cabo e identificar defeitos críticos no isolamento.	Não ocorreram falhas destrutivas, como avarias ou descargas disruptivas, durante o teste.
Detecção de descarga parcial (DP)	Identificar possíveis defeitos dentro do isolamento (como espaços de ar, impurezas, danos na interface, etc.).	Identificar com precisão a tensão de iniciação da descarga parcial, a amplitude da descarga parcial e a localização da descarga.
Avaliação dos Resultados dos Testes	Isso fornece uma base científica para determinar se os cabos devem ser colocados em operação e se devem continuar em operação.	Classificação da gravidade dos defeitos e previsão do risco de falhas.

 

1. Compartilhamento de casos de aplicação em campo

A seguir, apresentamos diversos estudos de caso de campo sobre a detecção de descargas parciais em cabos sob diferentes cenários, demonstrando plenamente o valor da aplicação da tecnologia de detecção de descargas parciais na operação e manutenção reais. Ela pode identificar com precisão vários defeitos de isolamento e impedir que a falha se agrave:

Pequim, distrito de Daxing, comprimento total do cabo: 1165 metros, 395 metros conectados. Observa-se uma descarga concentrada cilíndrica distinta na extremidade, juntamente com tensão de ressonância suportável e perda dielétrica. O teste não apresentou anormalidades, mas a desmontagem revelou que a construção não foi realizada de acordo com as normas. O material semicondutor foi utilizado incorretamente.	Parque Eólico Matang do Grupo Guoneng: Foram detectados 10 riscos potenciais e as principais linhas de transmissão de energia foram diretamente cortadas.
Num parque eólico em Hebei, os condutores dos cabos eram feitos de liga de alumínio e os tubos crimpados eram de cobre. O sobreaquecimento causou a deterioração do isolamento e, em geral, as juntas apresentavam descargas excessivas.	Em uma usina fotovoltaica à beira-mar em Zhejiang, as linhas coletoras em diferentes locais apresentaram múltiplas falhas. Foi realizado um diagnóstico de rotina nas conexões potencialmente defeituosas.
Parque Eólico Fotovoltaico de Bofeng	Fábrica de Cabos Lingnan de Guangdong

VII. Resumo Técnico e Valores Essenciais

O teste de descarga parcial é um item de teste de cabos explicitamente exigido pelas normas IEEE, IEC e pelas normas nacionais do setor elétrico (como GB/T 12706, DL/T 1253). O relatório desse teste é um documento essencial para a aceitação do projeto e auditoria de conformidade, além de ser a base fundamental para a operação e manutenção dos cabos ao longo de todo o seu ciclo de vida.

Essencialmente, a detecção de descargas parciais em cabos é uma técnica de ensaio não destrutiva que combina alerta precoce com diagnóstico preciso. Seu principal valor reside em três aspectos: Primeiro, ao identificar e localizar defeitos no isolamento dos cabos antecipadamente, a manutenção passa de um reparo emergencial passivo para uma prevenção proativa, reduzindo interrupções inesperadas no fornecimento de energia. Segundo, ao avaliar com precisão a condição do isolamento do cabo, fornece dados que auxiliam na gestão de ativos e na substituição de componentes, reduzindo custos de manutenção. Terceiro, por meio de testes e manutenção científicos, prolonga a vida útil dos cabos, melhora a confiabilidade dos sistemas de fornecimento de energia e garante o desenvolvimento seguro e estável do setor elétrico.