Terminais de cabos de média tensão e cones de tensão: Defeitos de instalação, risco de DP, verificações de aceitação

As terminações de cabos de média tensão falham com mais frequência do que os cabos que conectam. Em avaliações de campo em mais de 75 subestações industriais que operam em 6,6 a 35 kV, a instalação incorreta do cone de tensão é responsável por aproximadamente 40% de falhas prematuras de terminação que levam à atividade de descarga parcial. A terminação concentra todas as variáveis de instalação - preparação da superfície, tolerância dimensional, limpeza da interface, condições ambientais - em um ponto de junção em que os erros se combinam em vez de se equilibrarem.

Este guia aborda as três perguntas que os engenheiros de campo fazem com mais frequência: Quais defeitos causam falhas nas terminações? Como a descarga parcial se desenvolve a partir desses defeitos? Quais testes de aceitação separam de forma confiável as boas instalações das falhas latentes?

O cone de tensão fica no centro de cada questão. Esse componente redistribui a intensidade do campo elétrico na extremidade cortada do cabo, reduzindo a tensão de pico de 20 a 30 kV/mm (sem graduação) para 2 a 3 kV/mm (com graduação adequada). Quando os defeitos de instalação comprometem essa função de classificação de campo, ocorre o início da descarga parcial - às vezes em dias, muitas vezes em meses.

Como os cones de tensão controlam a distribuição do campo elétrico

Quando um cabo de média tensão é cortado para terminação, a camada semicondutora termina abruptamente. Essa descontinuidade geométrica concentra o campo elétrico na borda de corte da blindagem. O isolamento de XLPE suporta de 20 a 25 kV/mm sob estresse de curto prazo, mas a confiabilidade de longo prazo exige intensidade de campo abaixo de 3 a 5 kV/mm. A terminação não graduada opera nos limites do material ou além deles desde a primeira energização.

A magnitude do campo elétrico no corte do semicondutor segue a relação: E_máximo = U₀ / (r × ln(R/r)), em que U₀ representa a tensão fase-terra, r é o raio do condutor e R é o raio externo do isolamento. Sem o alívio adequado da tensão, E_máximo em instalações de 15 kV podem exceder 8-10 kV/mm localmente.

Os cones de tensão resolvem esse problema por meio de dois mecanismos. A classificação geométrica usa a forma física do cone para estender as linhas equipotenciais para fora do eixo do cabo, espalhando a intensidade do campo em uma superfície maior. A classificação capacitiva emprega materiais de alta permissividade (εᵣ = 15-30) que absorvem o estresse da tensão por meio das propriedades do material em vez de apenas pela geometria.

O insight crítico para a solução de problemas: os cones de tensão fornecem exatamente a graduação de campo necessária para uma operação confiável - não há margem de segurança. Qualquer defeito de instalação consome a margem do projeto imediatamente. Um espaço de ar de 0,5 mm na interface do cone de tensão sofre uma tensão de campo 2,5 a 3 vezes maior do que o material circundante devido à incompatibilidade de permissividade entre o ar (εᵣ = 1,0) e o XLPE (εᵣ = 2,3).

Tipos de cones de tensão e requisitos críticos de instalação

Cada tecnologia de cone de tensão apresenta vulnerabilidades de instalação distintas que os engenheiros de campo devem reconhecer durante a inspeção e a solução de problemas.

As terminações termorretráteis instaladas abaixo de 5°C de temperatura ambiente sem pré-aquecimento do componente frequentemente contêm vários vazios. Os sistemas de contração a frio instalados no limite extremo de sua faixa de diâmetro perdem 30-50% da pressão da interface projetada. Essas não são preocupações teóricas - elas representam as condições de instalação que encontramos repetidamente durante as investigações de falhas.

[Percepção do especialista: observações de campo sobre o dimensionamento de cones de tensão]

• As terminações por contração a frio especificam faixas de diâmetro de cabo de 3 a 5 mm por tamanho; as instalações na faixa intermediária superam consistentemente as instalações na borda da faixa em testes de PD
• Quando o diâmetro do cabo estiver dentro de 1 mm do limite de tamanho, selecione o tamanho de terminação menor para obter uma pressão de interface mais alta
• A medição do diâmetro antes da instalação em três pontos ao longo do comprimento da preparação captura cabos fora de formato que causam contato desigual com o cone de tensão

Cinco defeitos de instalação que causam falhas na terminação

A experiência de campo em milhares de terminações de cabos de média tensão revela padrões de falha consistentes. Esses cinco defeitos são responsáveis por aproximadamente 80% de falhas prematuras.

Danos causados pela remoção da camada semicondutora

As lâminas de cabo padrão sem limitadores de profundidade frequentemente produzem cortes de 0,1 a 0,3 mm na superfície do isolamento de XLPE. Esses entalhes criam aprimoramentos de campo locais de 150-300% acima dos valores nominais. A remoção incompleta do semicondutor deixa ilhas que criam pontos de junção tripla onde o ar, o isolamento e o material semicondutor se encontram - o início da descarga parcial ocorre primeiro nesses locais, normalmente a 60-80% da tensão nominal.

Contaminação da interface

Uma única impressão digital introduz uma camada de contaminação de 1 a 5 μm de espessura com propriedades dielétricas diferentes das dos materiais ao redor. Em ambientes úmidos, essa contaminação absorve umidade, criando descontinuidades de permissividade localizadas. A atividade de descarga da superfície inicia-se na interface - as medições externas de PD podem mostrar atividade mínima enquanto a degradação interna progride.

Formação do vazio

Vazios tão pequenos quanto 0,1 mm de diâmetro sustentam a descarga parcial na tensão operacional. Os vazios preenchidos com ar têm εᵣ = 1,0 em comparação com 2,3-2,5 para XLPE e 3,0-4,0 para materiais de cone de tensão. O campo dentro do vazio é, portanto, 2,3 a 4,0 vezes maior do que o material circundante. Para um vazio de 1 mm em uma terminação de 11 kV, a tensão interna do vazio pode atingir 8-12 kV/mm - bem acima da resistência à ruptura de 3 kV/mm do ar.

Incompatibilidade dimensional

Os cones de tensão dimensionados incorretamente para o diâmetro do cabo não conseguem atingir a pressão adequada da interface. Componentes subdimensionados esticam excessivamente, reduzindo a espessura da parede. Os componentes superdimensionados deixam lacunas de ar microscópicas que funcionam como vazios distribuídos, produzindo assinaturas de PD de amplo espectro em vez de pulsos discretos.

Falhas na conexão de aterramento

As conexões de tela flutuantes ou de alta resistência criam diferenças de tensão que conduzem as correntes capacitivas por caminhos não intencionais. A descarga corona se desenvolve nas pontas dos fios da tela ou nas lacunas das conexões de aterramento - um defeito que muitas vezes passa despercebido durante a inspeção visual, mas que é prontamente detectado durante a medição PD.

Como os defeitos de instalação desencadeiam a descarga parcial

A descarga parcial ocorre quando o campo elétrico local excede a força de ruptura de uma cavidade cheia de gás ou de uma superfície contaminada, mas a descarga não atravessa toda a espessura do isolamento. Três tipos de DP predominam em terminações defeituosas.

Descarga de vazios internos desenvolve-se dentro de cavidades fechadas na interface do cone de tensão. A incompatibilidade de permissividade concentra o campo dentro da cavidade até que ocorra a ionização. Cada descarga deposita partículas de carbono nas paredes do vazio, aumentando gradualmente a região condutora até o início da formação de árvores elétricas.

Descarga de superfície se propaga ao longo das interfaces contaminadas entre os materiais. A absorção de umidade aumenta a condutividade da superfície, criando caminhos preferenciais de descarga. Os padrões resolvidos por fase geralmente mostram atividade assimétrica influenciada pelas variações de condutividade da superfície.

Descarga corona desenvolve-se em bordas afiadas ou em fios de tela mal aterrados. Diferentemente da descarga de vazio, o corona ocorre no ambiente e pode ser audível ou produzir odor de ozônio em condições de alta umidade.

O cronograma de degradação varia enormemente com base na gravidade do defeito. As terminações que operam a 90% de sua tensão de início de descarga parcial (PDIV) podem sobreviver décadas. As que operam a 150% da PDIV falham em poucos meses. A progressão segue uma sequência consistente: início (semanas a meses de atividade de baixa magnitude), propagação (meses a anos de magnitude crescente), aceleração (semanas a meses de crescimento rápido da árvore) e falha (horas a dias de fuga térmica).

[Percepção do especialista: reconhecimento de padrões de DP em testes de campo]

• Os padrões simétricos de PD nos quadrantes 1 e 3 normalmente indicam descarga interna de vazios - a remediação requer a substituição da terminação
• Padrões assimétricos sugerem contaminação da superfície - algum sucesso com a limpeza e a terminação novamente se a degradação estiver em estágio inicial.
• A atividade de PD que aumenta com a umidade aponta para a entrada de umidade nas interfaces de vedação
• O aumento da magnitude da DP em medições sucessivas indica degradação ativa que requer intervenção urgente

Lista de verificação da inspeção de pré-energização

Conclua essa verificação antes de energizar qualquer terminação de cabo de média tensão. Cada ponto de verificação aborda um mecanismo de falha específico identificado em investigações de campo.

Verificação dimensional

•  Posição de corte semicondutor dentro de ±2 mm da especificação
•  Cone de tensão assentado na posição projetada (medida a partir da marca de referência)
•  Protrusão do condutor correta para instalação do terminal
•  Sem lacunas visíveis entre o corpo do cone de tensão e a superfície do isolamento

Avaliação da condição da superfície

•  Sem impressões digitais, poeira ou umidade na superfície do isolamento
•  Nenhuma marca de ferramenta ou ranhura visível no XLPE
•  Borda semicondutora limpa, perpendicular e lisa
•  Graxa de silicone (se especificada) aplicada uniformemente sem excesso

Integridade mecânica

•  Conexões de trança de aterramento seguras com área de contato total
•  Carcaça vedada contra a entrada de substâncias no ambiente
•  Hardware de montagem com torque de acordo com a especificação
•  Cabo devidamente apoiado para evitar estresse mecânico na terminação

Documentação ambiental

•  Temperatura ambiente durante a instalação: ___°C (aceitável: 10-35°C)
•  Umidade relativa durante a instalação: ___% (aceitável: <70%)
•  Fotografias da instalação capturadas em cada estágio crítico

Teste de aceitação: Suporte de alta tensão, medição de DP e delta tan

Três testes complementares avaliam a qualidade da terminação. Cada um deles detecta diferentes tipos de defeitos com sensibilidade variável.

Teste de resistência a alta tensão

Aplique tensão de teste CA ou VLF de 2,0 a 3,0 × U₀ por 30 a 60 minutos [VERIFIQUE A NORMA: níveis de tensão de teste de comissionamento específicos da IEC 60502-2 e tempos de espera]. O teste de VLF a 0,01-0,1 Hz reduz os requisitos de corrente de carga capacitiva, permitindo testes de campo com equipamentos portáteis. O teste de resistência confirma a integridade bruta do isolamento, mas pode não detectar defeitos incipientes operando abaixo do limite de ruptura.

Medição de descarga parcial

O teste PD fornece evidência direta da presença de defeitos. Requisito de sensibilidade: capacidade de detecção de ≤10 pC no local de terminação. Limite de aceitação: normalmente <5 pC para novas instalações, embora os requisitos específicos da concessionária variem. Meça durante o aumento da tensão para identificar a PDIV; meça durante a redução da tensão para confirmar a tensão de extinção da PD (PDEV). Uma terminação que apresente PDIV abaixo de 1,5 × U₀ requer investigação, independentemente da magnitude absoluta da PD.

Tan Delta / Fator de dissipação

Meça a 0,5 × U₀, 1,0 × U₀ e 1,5 × U₀. Tip-up (aumento da tan δ com a tensão) indica contaminação ou presença de vazios. Aceitação típica para novos sistemas XLPE: tan δ < 0,1% com tip-up < 0,05% entre as etapas de tensão. Esse teste avalia a condição geral do isolamento, inclusive as terminações, mas não consegue localizar defeitos.

Prevenção de defeitos: Ambiente, ferramentas e treinamento

A prevenção custa menos do que a correção. Esses controles reduzem as taxas de defeitos de forma mensurável.

Requisitos ambientais

Mantenha a temperatura ambiente entre 10 e 35°C durante a instalação. Abaixo de 10°C, pré-aqueça os componentes de contração a frio e a extremidade do cabo de acordo com as instruções do fabricante. Mantenha a umidade relativa do ar abaixo de 70% no local de trabalho - use desumidificadores portáteis ou caixas temporárias quando necessário. Estabeleça uma zona limpa definida com acesso controlado; proíba comer, fumar e tráfego desnecessário.

Padrões de ferramentas

As ferramentas rotativas de decapagem de cabos com batentes de profundidade ajustáveis eliminam a escavação do isolamento. As ferramentas de marcação semicondutoras criam bordas consistentes e perpendiculares. Use somente solventes de limpeza e lenços sem fiapos especificados pelo fabricante. Aplique lubrificantes aprovados nas quantidades especificadas - o excesso de lubrificante causa tantos problemas quanto a falta de lubrificante.

Impacto da certificação do instalador

Os instaladores certificados reduzem as taxas de defeitos em 60-80% em comparação com o pessoal não certificado. Os principais fabricantes de terminais oferecem programas de certificação que exigem treinamento em sala de aula, instalação prática supervisionada, exame prático e recertificação periódica a cada 2 ou 3 anos. Para infraestruturas críticas, especifique instaladores certificados nos documentos de aquisição: “Todas as terminações de cabos de média tensão devem ser instaladas por pessoal com certificação atualizada do fabricante da terminação.”

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As terminações de cabos de média tensão fazem interface direta com as buchas do painel de distribuição e os compartimentos de cabos. O sistema disjuntores a vácuo são projetados com a compatibilidade de terminação de cabos como prioridade de projeto - as dimensões, folgas e provisões de montagem da bucha acomodam sistemas de terminação padrão sem modificação em campo.

Nosso componentes de comutação Os sistemas de cabeamento de alta velocidade suportam a integridade de longo prazo que a instalação adequada da terminação estabelece. Quando os sistemas de cabos se conectam a equipamentos projetados para interfaces confiáveis, o investimento em um trabalho de terminação de qualidade proporciona o valor total de sua vida útil.

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Perguntas frequentes

Qual é a causa da maioria das falhas de terminação de cabos MV?
A contaminação da interface e a formação de vazios, juntas, são responsáveis por 60-70% das falhas prematuras com base em dados de análise de falhas de várias empresas de serviços públicos. Ambos os defeitos resultam da preparação inadequada da superfície ou da instalação incorreta do componente, e não de deficiências materiais.

Com que rapidez uma terminação com defeito pode falhar após a instalação?
Terminações gravemente defeituosas com espaços vazios maiores que 1 mm ou contaminação grosseira podem falhar em semanas. Defeitos marginais normalmente requerem de 2 a 5 anos para progredir pela sequência completa de degradação, com o cronograma real dependendo da tensão operacional relativa ao PDIV e às condições ambientais.

O teste de descarga parcial pode detectar todos os defeitos de terminação?
O teste de DP detecta de forma confiável vazios, contaminação e defeitos de rastreamento que iniciaram a atividade de descarga. No entanto, os defeitos que operam abaixo de sua tensão inicial - como incompatibilidades dimensionais marginais - podem não produzir DP detectável até que a tensão aumente ou as condições ambientais mudem.

Qual é a faixa de temperatura aceitável para a instalação da terminação de encolhimento a frio?
A maioria dos fabricantes especifica uma temperatura ambiente de 10 a 35°C. As instalações abaixo de 10°C exigem o pré-aquecimento dos componentes e das extremidades dos cabos para garantir a recuperação adequada do material e a pressão adequada da interface. As instalações acima de 35°C podem causar a recuperação prematura do tubo antes do posicionamento adequado.

Quão pequeno é o vazio que causa problemas de descarga parcial?
Vazios tão pequenos quanto 0,1 mm de diâmetro podem sustentar a atividade de DP em tensões operacionais típicas de MV quando localizados em regiões de alta tensão. O fator crítico não é apenas o tamanho do vazio, mas a combinação da localização do vazio, da intensidade do campo local e da composição do gás dentro do vazio.

O teste de VLF é equivalente ao teste de frequência de potência para o comissionamento?
O teste de VLF a 0,01-0,1 Hz é amplamente aceito como equivalente ao teste de frequência de energia para sistemas de isolamento extrudado, incluindo cabos e terminações XLPE. O IEEE 400.2 fornece orientação sobre procedimentos de teste de VLF e critérios de aceitação para testes de campo de sistemas de cabos de alimentação blindados.

Referência externa: IEEE 48-2009, Norma para procedimentos de teste e requisitos para terminações de cabos de corrente alternada — Associação de Padrões IEEE