1. I GUASTI NEI CAVI ELETTRICI, SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE

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1 1. I GUASTI NEI CAVI ELETTRICI, SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE 1.1 Introduzione I cavi elettrici, utilizzati per il trasporto dell energia elettrica, sono l elemento più vulnerabile del sistema di distribuzione giacché sono sottoposti, durante l esercizio, a sollecitazioni di tipo elettrico oppure meccanico con conseguenti possibili guasti. Poiché il numero di guasti che si verificano in essi risulta relativamente elevato, è evidente l importanza dei sistemi di localizzazione dei guasti stessi. Questi, infatti, consentono di determinare con sufficiente rapidità il punto di guasto evitando costosi tentativi d individuazione, ad esempio con scavi, e limitando i tempi di disservizio. A seguire si descrivono delle possibili cause di guasto e si esaminano le varie tecniche di ricerca. 1.2 Tipi e Cause di guasto Le linee aeree sono le più soggette a guasti di varia natura, e più risentono delle avverse condizioni meteorologiche. Tipi di guasto: Permanenti: uno o più conduttori a terra, cortocircuiti, interruzioni del circuito: non è possibile la richiusura del circuito; Guasti in A.T: : linea caduta in contatto con il terreno anche se non materialmente con conseguente arco: anche in questo caso non è possibile la richiusura del circuito; Guasti transitori: collasso dell isolamento per fulmini o per onde di sovratensione: le protezioni distanziometriche e gli interruttori intervengono tempestivamente in modo da evitare danneggiamenti degli isolatori: è possibile la richiusura; Guasti latenti: deterioramento dell isolamento che riduce il margine d isolamento previsto: è necessario localizzare il guasto per una preventiva manutenzione. Effetti dannosi dei guasti: pag. 2

2 Meccanici: sollecitazioni anomale sugli ancoraggi di sbarre, conduttori ed avvolgimenti; Termici: fusione di conduttori ed incendi; Deterioramento dei dielettrici: indebolimento e carbonizzazione localizzata che possono provocare ulteriori guasti. Il percorso di un cavo per sistemi di distribuzione elettrica viene diviso in due zone, una detta di terminazione che indica l inizio e fine cavo, l altra è lungo il cavo. Nel primo caso, zone di terminazione, le cause di guasto possono essere: Invecchiamento dei morsetti di giunzione; Migrazione della massa isolante all interno della terminazione stessa (anche indicata come corrosione dell isolante). Nel secondo caso, lungo il cavo, le cause di guasto possono essere: Surriscaldamento; Incendio; Degradazione meccanica e chimica; Ambiente radioattivo; Fulmini; Arborescenze ( alberi ); Difetti di costruzione. Surriscaldamento Il surriscaldamento può portare ad un guasto a volte non evidente esternamente, tra i conduttori o verso terra, per deterioramento dell isolamento. Il surriscaldamento può avvenire per sovraccarico della linea, corto circuito, punti caldi, mutuo riscaldamento, cattive caratteristiche del suolo. Incendio I guasti dovuti ad esposizione al fuoco si presentano particolarmente pericolosi quando i cavi forniscono energia a circuiti essenziali, come dispositivi di comando o impianti d illuminazione d emergenza. Il più delle volte in condizioni di incendio è richiesto che il cavo possa comunque funzionare anche per tempi di durata fino a tre ore. In queste condizioni pag. 3

3 sono utilizzati speciali cavi, con isolamenti di gomma siliconica e l aggiunta di speciali additivi per ridurre al minimo l emissione di gas e fumi tossici o corrosivi. Degradazione meccanica La degradazione meccanica è una delle cause principali di guasto, che può avvenire, secondo la gravità del danno, dopo mesi o anni. Se la guaina è stata forata, l umidità può essere lentamente assorbita dall isolamento, fino a che la resistenza si abbassa tanto da provocare il guasto. Il guasto può avvenire in alternativa per deterioramento elettrico, causato dalla deformazione del dielettrico o dalla fessurazione della carta. I guasti più frequenti e più difficili da prevenire sono quelli provocati da scavi in zone con cavi interrati, ad esempio in strade, dei quali, non è sempre disponibile una documentazione topografica attendibile. Nelle planimetrie delle reti occorre includere la sezione dei conduttori, il tipo di isolamento, le profondità anormali, le protezioni speciali (come lastre di acciaio), le capacità (per localizzare i circuiti aperti). Quando si programma un lavoro di scavo, la fonte principale d informazione è data dalle registrazioni delle condutture principali di ogni società di distribuzione. Tuttavia queste registrazioni a volte non sono attendibili (nel caso di vecchi tracciati, cambiamenti nei limiti degli edifici o nei livelli del terreno) e, anche se utili, da sole sono insufficienti per localizzare piccole parti dell impianto. Incidenti causati da terzi ai cavi elettrici possono provocare danno alle apparecchiature e al personale, lunghe interruzioni dell alimentazione e del lavoro in corso, considerevoli spese di riparazione. Gli strumenti di localizzazione sono quindi importanti non solo per la ricerca dei guasti, ma anche per la determinazione del tracciato. La degradazione meccanica può avvenire anche per cedimenti del terreno (alcune parti dei sistemi di cavi sono in trazione, altre in compressione), in zone di scarico dei rottami, o casi di cavi presi e tirati da dispositivi meccanici. Ne risulta un movimento dei conduttori interni e delle guaine dei cavi, che mettono in trazione le rispettive giunzioni in resina. A volte si forma un arco che brucia l isolamento e provoca un guasto tra i conduttori o verso terra. La degradazione si ha anche per lavori di posa o di giunzioni fatti con poche precauzioni o scarsa abilità. Una piombatura difettosa porta a giunti umidi nei raccordi interrati, mentre giunti mal montati permettono l ingresso d acqua nell isolamento. Conduttori mal centrati possono provocare la fuoriuscita del composto dal nastro. Guasti nei giunti possono essere provocati da nastri umidi o sporchi (in particolare questi non devono venire a contatto con pag. 4

4 limatura metallica), oppure da un riempimento mal eseguito di resina nel manicotto (si possono formare vuoti). Un altra causa di degradazione meccanica è la vibrazione continua che provoca la frattura intercristallina della guaina e quindi l ingresso d umidità, per esempio rotture per fatica in guaine di cavi posti sotto ad una linea ferroviaria. Casi di degradazione meccanica del cavo sono anche attacchi di animali e di sostanze chimiche che riducono la vita dell isolamento elettrico da molti anni a, in casi estremi, poche ore. La degradazione chimica può avvenire per l uso di fluidi antitarlo, isolanti termici, acido nitrico. Fulmini I fulmini possono danneggiare le guaine e lo schermo del cavo, che in casi importanti è protetto mediante conduttori aventi la funzione di schermo. Quando un fulmine colpisce un cavo, fora quasi certamente la sua guaina esterna, mentre la corrente del fulmine stesso può bruciare completamente lo schermo metallico (se di durata elevata), o provocare una tensione elevata tra questo ed il conduttore, causando un guasto completo nella guaina interna. Quando la corrente (I) del fulmine penetra nel suolo, il campo elettrico (e) nel terreno alla distanza (r) dal punto di penetrazione stesso è dato da: e( r ) I 2 2r (2.1) dove ρ è la resistività del terreno stesso in ohm-metro. Se il gradiente di tensione di cedimento del suolo è e 0, il cedimento stesso avviene fino a che e(r) = e 0 o per una distanza. r 0 I 2e0 1 2 (2.2) A seguire si formula l ipotesi che i vari tipi di terreno abbiano resistività variante fra 100 e 1000 Ωm. Si dimostra che la corrente massima per ρ = 100 Ωm è 216 ka e che il massimo raggio di ionizzazione nel terreno è 1,85 m, corrispondente ad un gradiente di cedimento minimo di circa 10 6 V/m. Il raggio r 0 non è necessariamente uguale alla distanza attraverso cui la penetrazione del fulmine provoca un arco verso un cavo vicino. Le scariche possono pag. 5

5 avvenire in varie direzioni, oltre r 0. Si dimostra anche che la distanza d arco è superiore a 2 r 0 e inferiore a 3 r 0. Poiché il massimo valore di r 0 è 1,85 m (r m ), la massima distanza d arco verso un cavo interrato è 5,5 m (3 r 0 ). Così un cavo interrato a più di 5,5 m sotto la superficie, avrebbe la minima suscettibilità alla scarica diretta. Un cerchio di raggio 5,5 m dal punto di ubicazione del cavo può intersecare la superficie del terreno, come mostra la fig. 1.2, la corrispondente area ab intersecata è la zona suscettibile al fulmine per il cavo. Per proteggere il cavo, devono essere installati dei fili di schermo per intercettare la corrente del fulmine penetrata nella suddetta zona, oppure ubicare il cavo ad una distanza dalla superficie superiore a 5,5 m. Fig. 1.2: zona ab suscettibile al fulmine Un esempio di determinazione della posizione del filo di schermatura è riportato in fig. 2.2, ove il cavo interrato ha una profondità inferiore di 3 r 0. Nell esempio il cavo è interrato a 4,5 m sotto la superficie, con la zona suscettibile ab di circa 6,5 m. La superficie tratteggiata della figura è l intersezione dei cerchi aventi raggio 3,7 m (2 r 0 equivalente alla minima distanza d arco) e centrati nei punti a e b, i più lontani dalla zona ab. Un solo filo di schermo posto entro l area tratteggiata è sufficiente a proteggere il cavo poiché ogni punto nella zona suscettibile è entro 3,7 m da questo filo. pag. 6

6 Fig. 2.2: Schermo ad un solo filo. La guaina esterna dei cavi di media tensione può essere danneggiata da particolari tipi di terreno durante la posa, per lavori di scavo, per umidità o correnti da e verso terra. Quando i cavi sono messi a terra da una sola parte, nello schermo che è isolato verso terra la corrente induce una tensione, che può provocare una perforazione della guaina sintetica. L effetto della corrente verso terra è una sollecitazione termica locale con conseguente sede di guasto. Alberi Le arborescenze o alberi sono costituiti da insiemi di canali molto sottili che si sviluppano nell isolamento sotto l influenza del campo elettrico; la loro moltiplicazione può portare nel tempo ad una diminuzione della rigidità dielettrica, e di conseguenza, ad una riduzione della vita dei cavi. I principali fattori che possono influenzare il processo sono: l antiossidante usato per proteggere il polietilene; i prodotti risultanti dalla corrosione acquosa di una parte metallica del cavo; la soluzione acquosa suscettibile di propagarsi nell isolante del cavo. Si possono distinguere i seguenti tipi d alberi: alberi elettrici (o alberi di scarica, o alberi di tensione ) sono canali vuoti permanenti derivati da scariche parziali, nei quali un movimento veloce d elettroni distrugge il materiale isolante. Un altra forma d alberi elettrici sono i cosiddetti alberi a farfalla, che si possono formare nei punti difettosi all interno dell isolamento. La loro lunghezza è limitata e sono meno pericolosi degli alberi che partono dalle superfici delimitanti. In ogni caso lo sviluppo d alberi di scarica è favorito da cavità, inclusioni, materiali estranei, sporgenze negli schermi o acqua, in pratica da difetti nel materiale dielettrico. Gli alberi elettrici partono da punti di guasto dove il campo elettrico è concentrato. pag. 7

7 Albero elettrico di 2,0 mm proveniente dallo schermo estruso del conduttore Ingrandimento alberi d acqua sono generati durante l applicazione di un campo elettrico alternato alla presenza d acqua. Essi si differenziano dagli alberi elettrici perché si formano molto lentamente, spariscono all essiccazione e possono verificarsi anche in campi elettrici deboli. Dopo l essiccazione essi possono riapparire se riscaldati alla presenza d acqua. Lo sviluppo d alberi nel polietilene ed etilene propilene reticolati è più lento che nel polietilene non reticolato. Il polietilene non reticolato non ha, fra i cristalli e le zone amorfe, delle superfici delimitanti che facilitano la penetrazione d acqua; inoltre si suppone che i prodotti della reticolazione ancora presenti nel materiale isolante abbiano effetti stabilizzanti. Si dovranno prevedere danneggiamenti dei cavi, quando gli alberi d acqua si sono sviluppati per circa la metà della distanza d isolamento e si trasformano poi in alberi elettrici. Albero d acqua interessato da luce riflessa alberi elettrochimici si sviluppano quando dell acqua arricchita di ioni penetra nell isolamento e gli ioni vi si depositano. A differenza degli alberi d acqua, questi alberi non scompaiono quando si riscalda il materiale. alberi chimici sono corti, molto folti, scuri. Essi non scompaiono quando si riscalda l isolamento e si formano azione chimica. pag. 8

8 Albero elettrochimico di 5,6 mm con frange toccanti lo schermo estruso del conduttore Ingrandimento La formazione e propagazione di un albero è il risultato di un cedimento dielettrico. Infatti, la formazione d alberi può iniziare da una discontinuità microscopica o submicroscopica nel dielettrico. Questo porta a un cedimento elettrico, che con eventi ripetitivi produce un azione erosiva, qualche volta chiamata effetto di picchio a causa del bombardamento elettronico. Questo bombardamento è il risultato della disgregazione del polimero fino ai prodotti gassosi, anche se l energia è così bassa da poter essere difficilmente rivelata. Un altra causa della formazione di alberi è quella della presenza d acqua che sotto l influenza di campi in corrente alternata, anche di entità relativamente piccola, agisce sugli idrocarburi cristallini (ad esempio il polietilene ed il polietilene reticolato) come un cuneo in un tronco (che viene spaccato in fuscelli). 1.3 Localizzazione dei guasti nei cavi di energia Gli inconvenienti che si verificano nei cavi si presentano in modi talmente differenti che non esiste un singolo metodo o un singolo apparecchio di misura adatto ad un applicazione universale per i diversi impianti (alta, media e bassa tensione) che utilizzano cavi d energia. L attività di localizzazione guasti su cavi elettrici si può suddividere in quattro fasi: a) Analisi del guasto; b) Ricerca preventiva; c) Localizzazione preliminare; pag. 9

9 d) Localizzazione precisa o topografica. Analisi del guasto. Se possibile, occorre dapprima fare prove di controllo per individuare eventuali difetti di strumenti o di connessioni, nonché errori di funzionamento. Il guasto deve essere caratterizzato secondo i suoi parametri elettrici, mediante misure effettuate da uno o più terminali. Una volta che il circuito guasto è stato identificato, esso viene disalimentato, salvo rare eccezioni. L isolamento della sezione difettosa è automatico se i cavi hanno una loro protezione, altrimenti possono essere necessarie prove d isolamento o d alta tensione. Il circuito viene sezionato per una lunghezza più corta possibile ed isolato a tutte le terminazioni. Si procede poi all ispezione delle estremità e, se nulla è apparente, vengono effettuate prove di continuità dei conduttori. Per avere dati preliminari validi per la localizzazione del guasto occorre tenere conto, oltre delle caratteristiche elettriche di questo, anche dell effetto di derivazioni intermedie, trasformatori, apparecchiature, avvolgimenti di macchine. pag. 10

10 I guasti nei cavi elettrici sono costituiti da danni ai conduttori, al loro isolamento, o qualche volta ad entrambi (fig. 3.2). Questo dà luogo ad uno o più dei seguenti quattro tipi di condizioni: 1) un circuito aperto, o guasto di conduttore interrotto; 2) un conduttore resistivo, o guasto di resistenza elevata in serie; 3) un cortocircuito, o guasto tra conduttore e conduttore; 4) un circuito a terra, o guasto di conduttore verso terra. A 1 B 1 C 1 G 1 A 2 B 2 C 2 G 2 D 1 D 2 E 1 E 2 F 1 G 1 F 2 G 2 Fig. 3.2: Tipici guasti dei cavi. A è un conduttore sano; B è un circuito aperto; C è un circuito a terra; G rappresenta uno schermo, o guaina, o un condotto; D ha un guasto di conduttore resistivo; E ed F sono cortocircuitati; F è anche aperto. Quando si verifica una qualsiasi di queste condizioni può essere fatto un esame con misurazioni elettriche da uno o più terminali. Ad eccezione del circuito aperto, tutti i guasti ed il ritorno a terra presentano una resistenza di valore finito, che deve essere riconosciuta come un elemento nel percorso del guasto stesso. Sia il circuito aperto sia il conduttore resistivo sono classificati come guasti serie e possono essere caratterizzati rilevando qualsiasi variazione rispetto alla normale resistenza del conduttore. I guasti serie sono poco frequenti. La maggiore percentuale è costituita da corto pag. 11

11 circuirti e da guasti a terra, che sono classificati come guasti derivazione e che possono essere valutati misurando qualsiasi variazione rispetto al normale nell isolamento del conduttore. Un guasto derivazione è normalmente annunciato dall intervento del dispositivo di protezione prima che il guasto stesso progredisca troppo lontano, o può essere scoperto da una prova di routine di alta tensione che dà luogo al cedimento dell isolamento. In entrambi i casi rimane di solito una considerevole resistenza nel percorso in derivazione, e questo fatto spiega la maggior parte delle difficoltà che si incontrano con la strumentazione di localizzazione del guasto. Fondamentalmente, tutti i sistemi di localizzazione del guasto applicano un segnale al cavo in esame e poi rilevano l effetto del segnale stesso sul guasto. Parlando in generale, eccetto che non avvenga il cedimento dell isolamento, più alta è la resistenza del guasto, più alta sarà la tensione di prova richiesta o più alta sarà la sensibilità richiesta agli strumenti di localizzazione del guasto stesso. La valutazione di questa resistenza di guasto è una guida importante alla caratteristica del guasto ed ai risultati che si devono aspettare dai vari sistemi. Se avviene il cedimento dell isolamento, la resistenza si avvicina a zero e la sensibilità richiesta agli strumenti di localizzazione varia in modo inverso al livello della tensione di cedimento, che è un altra importante guida alla caratteristica del guasto. Questo valore dovrebbe essere misurato quando è disponibile l apparecchiatura di prova d alta tensione, poiché molti guasti d arco possono essere caratterizzati solo in rapporto al loro livello di tensione di cedimento. Un simile guasto richiede solo l utilizzo di sistemi d alta tensione. L importanza di un attenta caratterizzazione del guasto all inizio, permette di evitare molti passi falsi nelle operazioni. La caratterizzazione di un guasto è normalmente compiuta con l aiuto di un megaohmetro. Vengono effettuate le seguenti prove: Resistenza d isolamento fra ogni conduttore e terra; Resistenza d isolamento fra ogni coppia di conduttori; Resistenza di ogni conduttore con le estremità lontane cortocircuitate. In quest ultima prova sono richiesti i valori effettivi di resistenza. Questi, confrontati con i valori calcolati, offrono (salvo il caso di conduttori interrotti) un utile controllo approssimato della lunghezza e della sezione. Se i risultati delle prove di resistenza sono imprevisti, un controllo all estremità lontana può rivelare connessioni scadenti o un cortocircuito. pag. 12

12 Ricerca preventiva Le connessioni di guasto possono essere ad alto o a basso valore ohmico. Si possono avere anche combinazioni dei suddetti tipi di guasto. Quando la resistenza di guasto è sufficientemente alta, alcuni guasti non saranno rivelati da sistemi in bassa tensione. Pertanto i guasti su cavi ad alto valore ohmico ed i guasti intermittenti debbono essere oggetto a volte, di un apposita ricerca preventiva. Essa avviene mediante la trasformazione di una resistenza di guasto ad alto valore ohmico, in una resistenza a basso valore ohmico. In passato tale trasformazione veniva effettuata tramite bruciatura del guasto attraverso un generatore di corrente continua ad elevata potenza (fig. 4.2). Nel processo di bruciatura si applicava una tensione abbastanza alta da provocare la scarica, possibilmente fino a 250 V in alternata e fino a 25 kv in continua (associata a correnti fra 500 ma e 5 A). La corrente di bruciatura carbonizza l isolamento fino a che la resistenza veniva ridotta a valori inferiori all impedenza d onda del cavo, permettendo l utilizzo dell apparecchiatura ecometrica come se il guasto fosse di bassa resistenza. Fig. 4.2: Bruciatore a risonanza. Al giorno d oggi, c è la tendenza ad usare il metodo dell arco elettrico ad impulsi, con il doppio vantaggio che si può fare a meno di un apparecchiatura e soprattutto il guasto resta ad alta resistenza e senza il rischio di applicare tensione alta a tutte le parti del cavo sollecitando punti deboli, che sono potenziali punti di guasto. pag. 13

13 Il metodo dell arco elettrico ad impulsi trasforma solo momentaneamente il guasto ad alta resistenza in un guasto a bassa resistenza creando nel guasto un arco elettrico, dovuto alle scariche di un generatore di impulsi alta tensione. L invio, in contemporanea, nel cavo dei due impulsi, quello dell ecometro e quello del generatore, permette di visualizzare, sullo schermo dell ecometro, due tracce. Dalla differenza delle due tracce (ecogramma sullo schermo) è possibile individuare la distanza del guasto dal punto d inizio cavo. Localizzazione preliminare. Essa consiste nell effettuare misurazioni ad uno o ad entrambi i terminali del conduttore. Il sistema è detto perciò su terminali. La localizzazione preliminare deve essere soprattutto rapida. In genere è sufficiente una precisione media dell ordine del percento. Una misura più precisa sarebbe in ogni caso affetta da errori allorché si giunga a trasferire sul tracciato effettivo del cavo la distanza calcolata. Esempi d errori sono: errori sulla lunghezza esatta del cavo; errore sulla lunghezza degli anelli all entrata delle sottostazioni; errore sulla determinazione del tracciato esatto del cavo; errori sulla variabilità di posa del cavo. Per questa localizzazione preliminare, rapida e di precisione media, si potranno perciò utilizzare apparecchi semplici, efficaci e di facile manipolazione. Tra i diversi principi, su cui si basano i sistemi di localizzazione, si ricorda quello della modifica del circuito elettrico originata dal guasto (percorso attraverso il guasto, da cui deriva l uso del Ponte di Wheastone o dei metodi analoghi) e quello della modifica delle caratteristiche elettriche del cavo nel punto di guasto (metodo basato sul cambiamento d impedenza). Più in la ci occuperemo dei seguenti sistemi di localizzazione su terminali: Sistemi di risonanza in corrente alternata ( 1.4.2); Sistema basato sul cambiamento d impedenza (dell eco; delle onde stazionarie; dell onda generata dal guasto) ( 1.4.3); Sistemi a ponte ( 1.4.4); Sistema del rapporto fra cadute di tensione ( 1.4.5). pag. 14

14 Localizzazione precisa. Essa viene fatta lungo il cavo per determinare, all interno della zona di incertezza relativa alla localizzazione preliminare (esempio una decina di metri), la posizione esatta del guasto da indicare sulla pianta topografica dell impianto in prova. Questo sistema di localizzazione sul posto, detto anche su traccia, è il solo modo per eliminare le cause d errori parassiti. L apparecchiatura su traccia invia un segnale al conduttore, che produce un disturbo elettrico o acustico nel punto di guasto (sotto forma di modifica del segnale originario o di un nuovo segnale, entrambi localizzati). Un operatore si muove lungo il circuito fino a rilevare il disturbo (fig. 5.2). Fig. 5.2: Sistemi su traccia In seguito saranno descritti i seguenti sistemi su traccia: Sistema del campo magnetico ( 2.5.1); Sistema del disturbo minimo ( 2.5.2); Sistema della tensione ad impulso (rumore esplosivo) ( 2.5.3); Sistema del gradiente di terra ( 2.5.4). Tra i suddetti sistemi su terminali e sistemi su traccia indicati, quelli in uso sono: pag. 15

15 Sistema dell eco che può essere usato in qualsiasi situazione di guasto in impianti d alta, media e bassa tensione; Sistema della tensione ad impulso (e derivati) specifico per impianti di media tensione ma che offre, in alcuni casi, buoni risultati anche su impianti d alta e bassa tensione; Sistema delle onde stazionarie utile solo per impianti alta tensione; Sistema del campo magnetico utile per qualsiasi tipo d impianto. Negli impianti in condotti, un guasto si intende localizzato quando è isolato fra due punti di accesso, così che il cavo può essere sostituito. In altri impianti, il guasto si intende localizzato quando è conosciuta la sua posizione precisa, così che esso può essere esposto per la riparazione. 1.4 Sistemi di localizzazione preliminare La fase di localizzazione preliminare è anche detta prelocalizzazione o localizzazione su terminale. I sistemi utilizzati nella prelocalizzazione, secondo la tipologia dell impianto, della struttura dei cavi e dal tipo di guasto, sono: sistemi di risonanza in corrente alternata; sistemi dell eco ad impulso; sistema dell eco a modulazione di frequenza; sistemi delle onde stazionarie; sistema dell onda generata dal guasto; sistemi a ponte; sistema del rapporto fra cadute di tensione Sistemi di risonanza in corrente alternata La distanza del punto di guasto da un terminale del cavo viene determinata misurando il valore di frequenza in base al quale avviene la risonanza. Una bobina ad alta tensione forma, con la capacità del cavo, un circuito risonante a 50 Hz (fig.6.2). La bobina ad alta tensione è accoppiata ad una seconda bobina (alimentata in bassa tensione) mediante un nucleo magnetico regolabile, la tensione sinusoidale tra conduttore e guaina del cavo dipende in maniera limitata dal rapporto spire delle bobine e principalmente dalle caratteristiche dell accoppiamento. pag. 16

16 Fig. 6.2: Schema dell apparecchio d innesco in A.T. secondo il sistema di risonanza in c.a. Ne deriva che la tensione può essere modificata mediante la sintonizzazione della bobina d alta tensione, munita di prese, e il nucleo regolabile. Un altro metodo, analogo al precedente prevede l impiego di un generatore di onde sinusoidali a frequenza variabile; la distanza di guasto da un terminale di un conduttore aperto, cortocircuitato o collegato a terra, viene determinata misurando la frequenza in cui avviene la risonanza sul conduttore stesso. Questa distanza di guasto d x è espressa da: d x f f x d dove f è la frequenza di risonanza di un conduttore identico senza guasto, che è proporzionale alla velocità di propagazione e può essere ottenuta dal costruttore del conduttore; f x è la frequenza di risonanza del conduttore guasto, ottenuta misurando la risonanza attraverso il generatore; d è la lunghezza totale del conduttore. pag. 17

17 1.4.2 Sistemi basati sul cambiamento d impedenza Una linea omogenea (ad esempio un cavo) può essere rappresentata dai suoi parametri caratteristici quali resistenza serie, induttanza serie, capacità parallelo, conduttanza parallelo e fattore di perdita. La propagazione di un segnale nel cavo è regolata da questi parametri e da un altra caratteristica del cavo stesso, che l impedenza caratteristica (o impedenza d onda) Z 0. Trascurando le perdite nel cavo, l impedenza caratteristica può essere espressa con la seguente formula: Z 0 L C dove L è l induttanza per ogni chilometro di lunghezza del cavo, mentre C è la capacità per ogni chilometro di lunghezza del cavo. In generale si può affermare che in tutti i punti di un cavo in cui si riscontra una deviazione dall impedenza caratteristica Z 0 per discontinuità o disomogeneità, deve verificarsi una riflessione del segnale. Una parte dell energia trasmessa nella linea sarà riflessa verso la sorgente, una parte proseguirà la sua propagazione e una parte sarà dissipata nella zona del cambiamento d impedenza. La grandezza della riflessione è in proporzione dell entità della deviazione dell impedenza caratteristica nel punto di guasto e viene data dal fattore di riflessione r : r Z Z x x Z Z dove Z è l impedenza caratteristica del cavo e Z x è l impedenza caratteristica del punto di guasto. Dall equazione si ricava che il fattore di riflessione può assumere sia valori positivi che negativi. Se si ha Z x = cioè un interruzione totale, r è positivo; se Z x = 0 r è negativo. Questo significa che, nel caso di un interruzione di potenza, il segnale trasmesso viene riflesso con concordanza di fase, invece nel caso di un cortocircuito o di un circuito a terra, si ha inversione di fase. I sistemi basati sul cambiamento dell impedenza caratteristica sono: pag. 18

18 Sistema dell eco ad impulso; Sistema dell eco a modulazione di frequenza; Sistema ad onde stazionarie; Sistema dell onda generata dal guasto. Sistema dell eco ad impulso. Il metodo è adatto alla rivelazione di cortocircuiti, punti a terra, interruzioni, guasti di resistenza elevata in serie. Si sottopone il cavo a brevi impulsi elettrici (impulsi di tensione a fronte ripida) di forma e durata dipendenti dal cavo in esame. Questi impulsi vengono riflessi nel punto di guasto. Viene misurato il tempo di propagazione dell impulso dal terminale di trasmissione fino al terminale stesso, dopo la riflessione nel punto di guasto. Da questa misurazione è possibile determinare la distanza del guasto quando si conosca la velocità di propagazione dell impulso v. Essa, per i cavi d alta e bassa tensione, è considerata di m/μsec (un valore rilevato su cavi estrusi è di 164 m/μsec). Per la determinazione della distanza dal guasto, vi sono diversi tipi di valutazione, con riferimento alla fig. 7.2, in cui la sorgente trasmittente è un generatore ad impulso regolabile ed il tempo di riflessione è misurato su un oscilloscopio, posto all estremità terminale vicina, avente un opportuna base del tempo, su cui sono rivelati sia il segnale d impulso al terminale sia l impulso di guasto. Interruzione di linea Impulso trasmesso Impulso riflesso Corto circuito pag. 19

19 Generatore d impulsi Oscilloscopio Fig. 7.2: Sistema dell eco ad impulso È possibile calcolare la distanza d del punto di guasto sulla base della velocità di propagazione dell impulso v e della misurazione del tempo t x di propagazione dell impulso stesso fino al punto di guasto e ritorno. Si ha, infatti, l equazione: d v 2 x tx Quando la velocità di propagazione non è nota, essa può essere ottenuta dal fabbricante, o può essere trovata con la misurazione del tempo di riflessione d impulso su un pag. 20

20 campione integro di lunghezza nota dello stesso cavo, normalmente fra i terminali, con la stessa equazione. Oppure, in questo caso, si può usare l equazione: d x d t t x dove d è la lunghezza nota del campione e t il tempo misurato per la distanza d e ritorno. Normalmente il campione è un conduttore integro nel cavo guasto o in un altro cavo dello stesso percorso, nel qual caso entrambe le prove possono essere effettuate dallo stesso terminale. Quando il percorso del cavo ha solo un conduttore disponibile, o quando tutti i conduttori sono guasti, ma è nota la distanza originale fra i terminali, si può usare l equazione: d x d t x tx t y dove t y è il tempo misurato dal terminale opposto, e ritorno. Perché la discontinuità dell impedenza sia sensibile, la resistenza di guasto deve avere un valore nettamente diverso dal valore dell impedenza caratteristica del cavo. Nel caso di cavi a media tensione normali l impedenza caratteristica è compresa normalmente tra 50 e 100 Ω, ma può variare considerevolmente secondo il tipo, lo stato e l età dell isolante del cavo. Si dovrà dunque condizionare il guasto per riportarlo, sia al caso di conduttore non interrotto con resistenza (di guasto) inferiore a qualche decina di ohm, sia al caso di conduttore interrotto con resistenza (di guasto) al di fuori del campo 50 Ω 100 Ω. Il metodo presenta le seguenti caratteristiche peculiari: rappresentazione sullo schermo dell ecometro della totalità o di una sezione qualunque dell ecogramma del cavo; come detto, l ecogramma mostra tutte le particolarità del cavo, come scatole di giunzione, di derivazione, ecc.; pag. 21

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