1. 1.1 I GUASTI NEI CAVI ELETTRICI, SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE 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 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 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 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 2r 2 (2.1) dove ρ è la resistività del terreno stesso in ohm-metro. Se il gradiente di tensione di cedimento del suolo è e0, il cedimento stesso avviene fino a che e(r) = e0 o per una distanza. I r0 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 106 V/m. Il raggio r0 non è necessariamente uguale alla distanza attraverso cui la penetrazione del fulmine provoca un arco verso un cavo vicino. Le scariche possono pag. 5 avvenire in varie direzioni, oltre r0. Si dimostra anche che la distanza d’arco è superiore a 2 r0 e inferiore a 3 r0. Poiché il massimo valore di r0 è 1,85 m (rm), la massima distanza d’arco verso un cavo interrato è 5,5 m (3 r0). 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 r0. 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 r0 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 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 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 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 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 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. A1 A2 B1 B2 C1 C2 G1 G2 D1 D2 E1 E2 F1 F2 G1 G2 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 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 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 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 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 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. 1.4.1 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 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 dx è espressa da: dx f d fx 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; fx è la frequenza di risonanza del conduttore guasto, ottenuta misurando la risonanza attraverso il generatore; d è la lunghezza totale del conduttore. pag. 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) “Z0”. Trascurando le perdite nel cavo, l’impedenza caratteristica può essere espressa con la seguente formula: Z0 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 “Z0” 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 Zx Z Zx Z dove Z è l’impedenza caratteristica del cavo e Zx 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 Zx = ∞ cioè un’interruzione totale, “r” è positivo; se Zx = 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 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 150 ÷ 170 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 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 “tx” di propagazione dell’impulso stesso fino al punto di guasto e ritorno. Si ha, infatti, l’equazione: dx v tx 2 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 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: dx d t x t 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: dx d tx tx ty dove “ty” 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 gli impulsi riflessi sono dei segnali tipici per ciascun genere di discontinuità o di difetto del cavo; l’interpretazione dell’ecogramma si può fare con l’aiuto di un disegno di posa del cavo confrontando l’ubicazione delle scatole di giunzione e di derivazione ai segnali dati dall’ecogramma. Poiché questo metodo misura discontinuità dell’impedenza caratteristica, esso è addotto a rilevare guasti radicali dove la resistenza rimane relativamente elevata, com’è il caso di un danno fisico allo schermo o all’isolamento. L’ingresso dell’acqua nella zona interessata sono rapidamente rilevati per la diminuzione di impedenza dovuta al cambiamento netto della costante dielettrica. Nell’ecogramma visibile sullo schermo dell’ecometro, cortocircuiti, terre a resistenza elevata e discontinuità di capacità sono rivelate come impulsi verso il basso; interruzioni, elevata resistenza del conduttore e discontinuità induttive sono rivelate come impulsi verso l’alto. Le corrispondenti misure di distanza sono indipendenti dalla sezione del cavo. Il requisito principale di questo metodo è che sia costante la velocità di propagazione del conduttore, che dipende dalla geometria e dal mezzo dielettrico. Perciò, in caso di variazione della struttura del cavo, occorre effettuare un’opportuna conversione. La precisione della localizzazione del guasto è limitata soprattutto dalla larghezza di banda del sistema, che fa distorcere l’impulso trasmesso. Essa è ridotta da sovrapposizione d’impulsi provenienti da discontinuità adiacenti e dalla degradazione dell’impulso riflesso che, essendo funzione delle proprietà d’attenuazione e di dispersione del conduttore, aumenta con la lunghezza del conduttore stesso. Questo metodo può essere applicato a qualsiasi installazione del cavo avente distanza uniforme fra il conduttore ed il percorso di ritorno. Ciò avviene con i conduttori schermati coassiali, quelli paralleli in piano, quelli spiralizzati. L’applicazione può essere estesa in molti casi a posa alla rinfusa in condotti, o passerelle, o solchi, nonostante l’assenza di una traccia di riferimento netta. La misura non è invalidata dall’esistenza di derivazioni, poiché vi e un’immagine visiva di tutte le discontinuità, con la loro ubicazione. Il metodo è usato nella localizzazione preventiva per l’univocità dei suoi risultati. Esso viene adottato anche per la localizzazione dei guasti ad alto valore ohmico od intermittenti, congiuntamente al sistema della tensione ad impulso. È rapido, versatile e, benché relativamente costoso, è uno dei metodi su terminali più usato nella localizzazione di guasti in cavi sotterranei d’alta tensione, cavi di comando, telefonici, di media e bassa tensione in linee aeree. pag. 22 Sistema dell’eco a modulazione di frequenza Il metodo aggiunge ai vantaggi del tipo ad impulso, quello di avere un migliore rapporto segnale/rumore, permettendo la rivelazione di guasti a distanze maggiori. In esso il trasmettitore (fig 8.2) invia un’onda continua, modulata in frequenza da un elemento di controllo non lineare, alla linea d’energia attraverso un opportuno sistema di accoppiamento. In caso di guasto (o altra discontinuità) ad una distanza “dx” dall’estremità di partenza, al ricevitore giungerà un segnale riflesso, dopo un tempo proporzionale a “dx”. Fig. 8.2: Sistema dell’eco a modulazione di frequenza. Sistema delle onde stazionarie Il sistema è usato per rilevamento di interruzioni del circuito di guasti a bassa impedenza in derivazione (cortocircuito o guasto a terra). Se un generatore invia in un cavo una tensione sinusoidale ad alta frequenza, si ha una propagazione d’onde fino al punto di discontinuità, dove una parte dell’energia è riflessa (una parte prosegue). L’onda riflessa sarà in opposizione di fase se ZD = 0, mentre sarà in concordanza di fase se ZD = ∞ con l’onda incidente. La configurazione totale della distribuzione delle tensioni lungo il cavo consiste alla fine in una somma d’onde elementari costituite ciascuna da due onde che si muovono in senso opposto. Per certe frequenze si arriva ad una concordanza di fase delle onde elementari all’entrata del cavo e la curva d’inviluppo si stabilizza. Si ha allora la fig. 9.2, con una cresta di tensione all’uscita del pag. 23 generatore e si stabilisce tra il generatore ed il punto di discontinuità, un numero pari (ZD = ∞) o dispari (ZD = 0) di quarti d’onda. Perciò si ha in generale: x ( 2n k ) 4 o f ( 2n k ) v 4x Con k = 0 per ZD = ∞; k = 1 per ZD = 0; v = velocità di propagazione nel cavo. Differenziando si ha: f 2 n v 4x Per due frequenze (f e f’ separate di ∆f) consecutive (∆n = 1) originanti una cresta di tensione all’uscita del generatore, si ha allora: x v 2 f pag. 24 Fig. 9.2: Sistema delle onde stazionarie. Si misurano le frequenze cui avviene la risonanza nel conduttore. Mentre il generatore è un oscillatore a lunga banda variabile, il rivelatore è un voltmetro avente una corrispondente risposta alla frequenza. Dall’equazione si nota che la differenza di frequenza è inversamente proporzionale alla distanza del guasto. Quando la velocità di propagazione non è nota, essa può essere ottenuta dal fabbricante del cavo o può essere trovata con la stessa equazione dopo misure su un campione integro della stessa frequenza del cavo, normalmente fra i terminali. pag. 25 La distanza x può anche essere calcolata con le seguenti equazioni (3.2) e (4.2), eliminando v per confronto. x f 2 L f 1 (3.2) dove ∆f2 = differenziale per il campione di cavo integro della stessa lunghezza L = differenziale per il cavo guasto. ∆f 1 Normalmente il campione è un cavo integro nel cavo guasto o in un altro cavo nello stesso percorso, nel qual caso entrambe le prove possono essere effettuate dallo stesso terminale. Quando il cavo ha un solo conduttore disponibile, o quando tutti i conduttori sono guasti, ma è nota la distanza originale fra i terminali, si può usare l’equazione (4.2). x f 2 L f 1 f 2 (4.2) dove ∆f2 = differenziale relativo al terminale opposto (lunghezza L – x). Il vantaggio di questo sistema è che può essere applicato a qualsiasi genere di guasto. In ogni modo, la discriminazione dei picchi di risonanza è molto dipendente dal valore dello scostamento della resistenza di guasto dall’impedenza caratteristica. Nei circuiti aperti (aventi resistenza infinita), o nei cortocircuiti e guasti a terra (aventi resistenza di guasto nulla), i picchi sono relativamente distinti. Sfortunatamente, questi picchi diventano meno pronunciati in proporzione alla presenza di qualsiasi resistenza, e scompaiono quando la resistenza attraverso il guasto o nella terminazione si avvicina all’impedenza caratteristica del cavo. Anche la presenza di discontinuità, come giunzioni, derivazioni o guasti serie genera riflessioni d’interferenza. Per evitare queste riflessioni dall’estremità lontana del cavo, si collega questa ad una resistenza non induttiva di valore uguale all’impedenza caratteristica del cavo stesso, naturalmente l’estremità deve essere raggiungibile e nota. La precisione del sistema dipende dalla pag. 26 soluzione del generatore di segnale e dalla sensibilità del rivelatore di picco. Questo sistema può essere applicato a qualsiasi installazione di cavo avente una distanza uniforme fra il conduttore ed il percorso di ritorno. Questo avviene con i conduttori schermati coassiali, quelli paralleli distanziati, quelli spiralizzati. L’applicazione non è possibile per qualsiasi variazione nella struttura del cavo, sempre che non si faccia una conversione per la diversa velocità di propagazione. Il sistema non è molto usato, perché richiede molto tempo ed e invalidato facilmente da valori tipici di resistenze di guasto relative a normali cortocircuiti o guasto a terra. Sistema dell’onda generata dal guasto Il sistema si avvale dell’onda iniziale generata da un guasto, che fa scattare un dispositivo a tempo all’estremità terminale del conduttore ed è riflessa indietro lungo il conduttore stesso verso il guasto. L’onda è poi riflessa dal guasto ed aziona ancora il dispositivo a tempo all’estremità terminale. Il tempo registrato è proporzionale a due volte la distanza dal guasto. Una limitazione è la necessità di alimentare la linea; inoltre il dispositivo a tempo può essere fatto scattare da falsi impulsi sulla linea stessa. 1.4.3 Sistemi a ponte I metodi dei sistemi a ponte derivano dalla disposizione classica del ponte di Wheatstone con alcune modifiche dettate dal particolare tipo di misura che si deve eseguire. Un sistema a ponte, chiamato ponte di Murray, è rappresentato in figura 10.2. Il metodo richiede un conduttore di ritorno della stessa lunghezza e sezione del conduttore difettoso, con il circuito di figura viene determinata la distanza x da un terminale al punto di guasto su un conduttore mediante la condizione di equilibrio del ponte di Wheastone, in cui i due conduttori collegati costituiscono due dei bracci con il punto di giunzione nel guasto stesso: R1 r( x ) R 2 r( 2 L x ) (5.2) Dove r(x) è la resistenza del tratto di cavo x, r(2L – x) è la resistenza del tratto di cavo 2L – x, L è la lunghezza dell’intero cavo. Dalla (5.2) si ricava la distanza x, che è proporzionale alla resistenza del conduttore, con: pag. 27 x R1 2 L R1 R 2 ( L è noto) R1 e R2 sono le resistenze variabili del ponte necessarie per annullare l’indicazione dello strumento G, nella lunghezza 2L è compresa anche quella del ponticello C. Fig. 10.2: Anelli di Murray. pag. 28 1.4.4 Sistema del rapporto fra cadute di tensione In questo metodo (fig. 11.2), la distanza del punto di cortocircuito o di guasto a terra, è determinato mediante la misura della caduta di tensione attraverso i conduttori dai terminali, quando è inviata una corrente costante ed è nota la distanza fra i terminali stessi. Fig. 11.2: Sistema del rapporto fra cadute di tensione. La corrente costante fluisce da un terminale a un ponticello ottenuto collegando il conduttore guasto a un conduttore integro al terminale opposto, e la tensione è misurata con un voltmetro. Questo sistema sfrutta il fatto che il conduttore ha una resistenza uniforme per unità di lunghezza e che la distanza d1 dal guasto di cortocircuito può essere calcolata con l’equazione: d1 V 1( d 1 d 2 ) V1 V2 dove V1 = caduta di tensione fra i conduttori al terminale vicino d1 + d2 = distanza fra i terminali V1 + V2 = somma delle cadute di tensione fra i conduttori ad entrambi i terminali. pag. 29 Similmente, la distanza d1 da un terminale a un guasto a terra può essere calcolata dall’equazione: d1 V 3( d 1 d 2 ) V3 V4 dove V3 = caduta di tensione fra il conduttore e la terra da un terminale V3 + V4 = caduta di tensione da entrambi i terminali. Quando il conduttore integro usato per chiudere il circuito ha una lunghezza nota, le misure per un conduttore a terra si possono effettuare da un solo terminale. Allora la distanza d1 dal terminale vicino al punto di terra è data dall’equazione: d 1 V 3 ( 2d 1 2d 2 l ) V5 dove V5 = caduta di tensione dal conduttore integro 2d1 + 2d2 + l = lunghezza totale del circuito, equivalete a due volte la distanza fra i terminali più la lunghezza del ponticello. Normalmente il ponticello collega il conduttore guasto ad un conduttore integro della stessa sezione e lunghezza nello stesso cavo o in un cavo separato dello stesso percorso. Qualsiasi collegamento usato per chiudere il circuito deve avere una lunghezza nota e la stessa sezione. Quando il cavo ha solo un conduttore disponibile o quando tutti i conduttori sono guasti, ma è nota la distanza originale fra i terminali, può essere usato un conduttore separato posto temporaneamente lungo il precorso di quello guasto. Questo metodo si può utilizzare solo quando entrambe le terminazioni sono accessibili, si conosca preventivamente la lunghezza del cavo e tale lunghezza non eccessiva altrimenti le ulteriori spese per stendere un cavo aggiuntivo non giustificano l’utilizzo di tale metodo. Sono questi, sommata alla precisione del sistema, dipendente molto dal rapporto fra la resistenza di guasto e la resistenza del conduttore, ad utilizzare poco tale metodo. pag. 30 1.5 Sistemi di localizzazione precisa I sistemi di localizzazione precisa sono utilizzati per individuare il punto topografico del guasto all’interno della zona d’incertezza relativa alla prelocalizzazione. I sistemi di localizzazione precisa, detti anche “su traccia”, richiedono un tempo maggiore e sono: sistema del campo magnetico con corrente alternata; sistema del campo magnetico con correte continua (interrotta); sistema del campo magnetico ad impulso di capacità; sistema del disturbo minimo; sistema della tensione ad impulso; sistema del gradiente di terra. 1.5.1 Sistema del campo magnetico Il metodo prevede la trasmissione di un segnale sul cavo. I metodi per produrre tale segnale su traccia sono: 1) metodo con corrente alternata; 2) metodo con corrente continua interrotta 3) metodo ad impulso di capacità. In tali metodi i segnali vengono trasmessi da un terminale lungo il cavo, fino a raggiungere il guasto, da cui ritornano con il risultato di cambiare il livello del segnale applicato, o la sua direzione, o entrambi, a seconda dell’installazione. Questo cambiamento è rilevato da un ricevitore che intercetta il campo magnetico concentrico lungo l’asse del cavo e indicato da una deviazione sullo strumento indicatore, (nel metodo con corrente alternata, anche da un livello di rumore audio mentre nel metodo ad impulso capacitivo anche da un effetto acustico). Il segnale su traccia è applicato a un conduttore a terra, dove la sorgente di segnale è connessa fra il conduttore ed il percorso di ritorno a terra. Tale connessione è più efficace quando una porzione della corrente è dispersa dal punto di guasto attraverso la terra o altri percorsi di terra. Questo riduce la cancellazione del campo magnetico da parte del segnale di ritorno come capita con conduttori schermati concentrici, cavo neutro concentrico, o anche con un solo collegamento di terra se qualcuno di questi dovesse portare una porzione della corrente di ritorno. pag. 31 1) Metodo in corrente alternata. Il sistema è usato per la localizzazione di guasti con impedenza inferiore a 100 Ω nei cavi non schermati di alta, media e bassa tensione: fase – fase, trifase, fase – fase – pag. 32 terra, trifase – terra. Per mezzo di un generatore di audiofrequenze (frequenze intorno al 1 kHz e a volte intorno 10 kHz) viene inviata una corrente alternata nel cavo (con connessione galvanica o accoppiamento elettromagnetico), dove sviluppa un campo magnetico alternato. Per la rivelazione del campo, si usa una bobina ricercatrice, nella quale viene indotta una tensione mediante il “taglio” degli avvolgimenti con le linee di forza. La tensione viene amplificata mediante un ricevitore fortemente selettivo e portata a uno strumento di misura, che dà l’indicazione. Oltre a questa segnalazione ottica, si ha una segnalazione acustica percepibile con una cuffia. Per la rivelazione di un guasto tra conduttori (principale applicazione del sistema) la corrente viene fatta passare in un conduttore, attraversare il guasto e fatta ritornare nel secondo conduttore. I campi delle due correnti di andata e ritorno tendono ad annullarsi, ma la risultante è sufficiente a dare un segnale senza amplificazione quando, ad esempio, si ponga sul cavo una piccola bobina collegata alle cuffie. Nell’esecuzione normale il sistema ad una sola bobina non è generalmente adatto alla localizzazione di guasti monofasi verso terra, quando la guaina metallica del cavo è connessa a terra ad entrambe le estremità, infatti, la corrente di ritorno si divide nella guaina alla posizione del guasto, ai cui lati non si ottiene alcun cambiamento di segnale. Si osserva che, per le correnti fluenti in un cavo con guasto fra conduttore e guaina, la corrente prima del guasto ha una componente in fase (resistiva) dovuta alla resistenza del guasto ed una componente a in anticipo di novanta gradi (capacitiva) dovuta alla capacità sulla lunghezza totale del cavo. Oltre il guasto, la corrente è puramente capacitiva. In questa situazione si hanno le seguenti variabili: la frequenza impiegata, la lunghezza del cavo, la lunghezza del cavo dopo il guasto, la messa a terra della guaina che impone la densità della corrente di ritorno in qualsiasi punto della guaina, il grado d’eccentricità del conduttore entro qualsiasi punto della guaina. Pertanto, con le suddette difficoltà, è spesso necessario usare due bobine, in linea con il tracciato del cavo o perpendicolare rispetto ad esso, con distanza reciproca regolabile e connesse in modo da dare la differenza vettoriale delle tensioni indotte in esse (vedere la fig. 5.2). Quando entrambe le bobine sono poste prima o dopo il guasto, producono lo stesso segnale dallo stesso campo magnetico, perciò il segnale risultante è nullo. pag. 33 Se però una bobina è posta prima del guasto ed una dopo, esse ricevono segnali diversi in fase (e spesso in ampiezza), cosi che il vettore differenza è rivelato in modo fine dallo strumento indicatore. Per questo, come l’operatore cammina sopra il guasto, viene rivelato un picco del segnale. Quest’ultimo può indebolirsi o scomparire completamente per un improvviso aumento della profondità del cavo, una copertura protettiva in acciaio, un percorso in condotto con derivazione. Esempi di casi in cui si usa una sola bobina sono: metodo del minimo e un caso particolare del metodo della spiralizzazione descritti nel § 3.3.5. La frequenza è normalmente abbastanza alta per evitare interferenze da armoniche a frequenza industriale, benché qualche volta il segnale dello stesso circuito di potenza eccitato possa essere usato direttamente per tracciare il percorso, quando esso è il solo circuito nelle vicinanze, o per localizzare un guasto anche in presenza di altri circuiti eccitati. La rivelazione del segnale in un cavo direttamente interrato subisce, seppure raramente, la presenza di elementi metallici adiacenti (come tubazioni, guard rails di strade, sbarre di cemento armato, o schermi di altri cavi), che diventano sede di una corrente considerevole in parallelo con il conduttore guasto, creando casi altre direzioni e richiedendo una cura particolare per tracciare il percorso e localizzare il guasto. Generalmente, i risultati ottenuti dipendono dalla resistenza di guasto, che non dovrebbe essere superiore a 50 kΩ per la localizzazione del campo magnetico e non superiore a 500 kΩ per la localizzazione a gradiente di terra mediante le apparecchiature disponibili in commercio. L’apparecchiatura per la localizzazione precisa dei guasti in cavi interrati consiste in una trasmittente generatrice di segnali a 1,03 kHz o 9,8 kHz lungo il cavo, di un ricevitore e di una sonda, altamente sensibile, che permette di rivelare questi segnali elettrici attraverso il terreno, l’asfalto, o le pavimentazioni in cemento (ved. § 3.3.4). L’uso di tale apparecchiatura richiede la messa fuori servizio del circuito da controllare; nel caso di guasti fra le fasi o fra le fasi e il neutro, i due terminali del trasmettitore vanno fissati ai conduttori in esame e/o allo schermo; per guasti fase – terra, la seconda terminazione va posta a terra. Quindi si ha un adattamento automatico dell’entità del segnale all’impedenza del circuito. Una volta raggiunta la messa a punto, si può procedere alla localizzazione del guasto. Ciò si effettua mediante una sonda e un piccolo ricevitore che riproduce il segnale a impulsi attraverso un altoparlante o cuffia, mentre uno strumento misura le variazioni d’intensità. L’estremità della sonda contiene uno speciale elemento sensibile al campo indotto sopra il cavo. Percorrendo il tracciato, nel caso di guasto fra le fasi o fra le fasi e il neutro, il punto esatto dell’anomalia è indicato da un picco pronunciato del segnale, seguito da una rapida caduta; il punto pag. 34 esatto di un guasto verso terra è invece rivelato dalla totale scomparsa del segnale. In conclusione, l’operatore può trovare il punto di guasto semplicemente camminando secondo il percorso del cavo o anche manovrando la sonda su un veicolo. 2) Metodo con corrente continua Secondo l’installazione, sono usate varie forme di segnali in corrente continua. Vi sono sorgenti in corrente continua a bassa o alta tensione che, in funzione del loro progetto, generano una tensione continua o periodicamente interrotta. Benché non vi sia un livello di rumore audio, i segnali su traccia in corrente continua hanno il vantaggio di poter rivelare tanto la direzione del segnale quanto la sua ampiezza. Questo, aggiunto al fatto che è disponibile allo stesso costo una maggiore potenza d’uscita, rende il segnale su traccia in corrente continua più pratico per molte applicazioni. Per circuiti secondari non schermati direttamente sotterrati, il rivelatore del gradiente di tensione adoperante sonde di terra, è usato sia con corrente continua o impulso, che riduce il ciclo di servizio della sorgente. Il metodo con alta tensione corrente continua ad impulso è usato anche per cavi primari con guaina di piombo, con rivelatori di campo magnetico o a gradiente di tensione. 3) Metodo ad impulso di capacità Con i metodi su traccia a corrente alternata e corrente continua, la tensione richiesta per sviluppare segnali attraverso la massima resistenza di guasto riscontrabile, può imporre severe sollecitazioni dielettriche sul cavo. Questo problema è risolto con il segnale ad impulso di capacità, facente uso di una serie periodica di onde d’alta tensione. Data la brevità dell’onda, è impiegato un rivelatore addizionale per indicare l’energia netta rivelata, piuttosto che il picco di tensione. Per cavi direttamente sotterrati, è aggiunto un terzo rivelatore per il “colpo” acustico generato nel guasto. L’impulso è generato dalla scarica di un condensatore e per la sua breve durata può avere una tensione molto maggiore di quella degli altri segnali su traccia, senza pericolo di sollecitare eccessivamente l’isolamento integro. Questo consente che le correnti conseguenti sono molto più facili da rivelare ed è anche possibile raggiungere il livello di cedimento del guasto; ciò corrisponde ad una scarica nello spazio vuoto del circuito equivalente, il guasto agisce come un cortocircuito e le localizzazioni divengono indipendenti dalla resistenza del guasto stesso. pag. 35 Per tali sistemi di localizzazione il rivelatore di campo capta l’ampiezza del campo magnetico risultante del segnale trasmesso è ritornato, parte attraverso la terra e parte sullo schermo, se presente. Il rilevatore consiste in un’appropriata bobina sonda connessa a un ricevitore avente uno strumento indicatore e, per il rumore audio, in un altoparlante o cuffia. Per il segnale in corrente alternata, il ricevitore risponde ad una frequenza scelta e lo strumento mantiene una deflessione continua nella stessa direzione. Per i segnali con corrente continua intermittente e quelli ad impulso di capacità, l’indicatore risponde ad ogni impulso. Si usano due tipi di bobine, secondo il tipo d’installazione. Una è a forma di campana prevista per essere portata sulla superficie del terreno. Essa è utile per il tracciamento del percorso e la localizzazione del guasto in installazioni poste direttamente sotto terra. L’altra bobina è prevista per essere applicata manualmente attorno alla circonferenza della guaina del cavo. Essa è utile per isolare un guasto fra due punti d’accesso nelle installazioni in condotto. In entrambi i casi, il successo dipende normalmente dal fatto che i conduttori non siano schermati ad eccezione dei tipi con guaina di piombo e di quelli coassiali con neutro concentrico nudo. Infatti, con i conduttori schermati singolarmente, la maggior parte della corrente di ritorno a terra è coassiale al conduttore, con l’effetto di cancellare il segnale trasmesso. Nei cavi con guaina di piombo a molti conduttori il guasto è localizzato quando si ha perdita dell’effetto eccentrico (o asimmetrico) e dei periodici cambiamenti nel livello di segnale dovuti alla disposizione del conduttore sede del segnale stesso, rispetto all’asse del cavo. Nei cavi con guaina non metallica a molti conduttori il guasto è localizzato dalla perdita del livello del segnale, con o senza la perdita dell’effetto “asimmetrico”. Nei cavi a conduttore singolo il guasto è localizzato, se in modo completo, dalla perdita del livello di segnale. Nei cavi con guaina di piombo ed in quelli con neutro concentrico nudo, l’effetto coassiale può essere ovviato per mezzo di una derivazione esterna posta al di sopra della bobina di guaina per ponticellare una parte della corrente della guaina stessa e captare così un segnale proporzionale alla corrente del conduttore. L’utilità del sonda dipende dalla su sensibilità base. Uno strumento idoneo deve avere una regolazione del guadagno per aggiustare la sensibilità seguendo un largo campo delle condizioni di segnale. Nell’ultimo decennio l’evoluzione tecnologica ha combinato il complesso, bobina sonda e ricevitore, in una sola unità piccola e versatile con indicatori digitali. pag. 36 1.5.2 Sistema del disturbo minimo Il sistema del disturbo minimo fa uso di una sola bobina sonda e viene impiegato per la localizzazione precisa di guasti a terra (conduttore – guaina) a impedenza nulla. Quando il generatore di audiofrequenze è connesso la cavo guasto ed alla guaina di protezione del cavo, vi è una componente del campo magnetico originata attorno all’asse di questo ponte di connessione, per esempio perpendicolare all’asse del campo principale. Nel punto di guasto si verifica cosi un disturbo del normale andamento delle linee del campo, dovuto al flusso di corrente dal conduttore del cavo alla guaina (fig. 12.2). Per comprendere il principio di localizzazione, basta considerare che una bobina sonda posta in linea con un cavo percorso da una corrente di audiofrequenze produce un segnale minimo (questo fenomeno è spesso usato per determinare il tracciato esatto di un cavo e avere conferma di curve e di derivazioni). Prima di raggiungere il punto di guasto sul percorso, il minimo, sull’indicatore del ricevitore, capita normalmente, ma come ci si approssima al guasto, il minimo comincia a presentarsi con un angolo rispetto alla linea del cavo, ritornando al normale dopo il guasto. Fig. 12.2: Sistema del minimo disturbo. Dopo il punto di guasto, nella maggior parte dei casi si ha nuovamente il campo senza variazioni. pag. 37 Per il buon risultato di questo sistema è importante che lo stesso sia preceduto da una localizzazione preliminare, tanto più che disturbi nell’andamento delle linee del campo possono essere provocati anche da muffole o da altre parti ferrose che si trovano nel terreno, come ad esempio incroci di tubazioni. Se il sistema ha insuccesso, si può seguire il cavo nel modo normale, per esempio con una bobina ricercatrice verticale, ma in questo caso occorre controllare con molta cura l’intensità e l’inclinazione del minimo ogni 50 – 70 cm (con ricevitore dotato d’indicazione visiva regolabile). Scrivendo poi i minimi su pietre, pavimentazioni o pali vicini, si può spesso notare che il minimo è più basso nel punto di guasto. 1.5.3 Sistema della tensione ad impulso (rumore esplosivo) Questo sistema viene impiegato per la localizzazione di guasti ad alto valore ohmico e di guasti intermittenti. Esso è adatto in particolare alla rivelazione di guasti di cortocircuito e principalmente di guasti non lineari (con arco) in cavi sotterranei. Mediante un’onda ad impulso, viene scaricata un’energia elevata tra il conduttore guasto e la terra. Si genera cosi un arco attraverso l’aria nel punto di guasto, che riscalda l’aria stessa immediatamente sovrastante e libera poi l’energia con un rumore esplosivo (fig. 13.2). Fig. 13.2: Sistema della tensione ad impulso. HV – generatore di onde ad impulso. pag. 38 L’intensità del rumore dipende dall’ampiezza e dalla durata dell’impulso di corrente. Il rumore è tanto più forte quanto più grande è l’energia accumulata nel condensatore e quanto più vicino all’inizio del cavo si trova il punto di guasto. La natura periodica della scarica fa distinguere questo rumore da eventuali disturbi dell’ambiente. Le onde ad impulso sono prodotte dalla scarica brusca di una capacità (condensatori del generatore di onde ad impulso, generalmente a tensione 15 ÷ 25 kV, o capacità del cavo di una fase senza guasto). Per un guasto verso massa di un conduttore, si collega questo alla armatura del condensatore opposto a quella di terra e quest’ultima alla guaina di terra del cavo. Per una interruzione di un conduttore, si collega una estremità di questo ad un’armatura del condensatore e l’altra estremità all’armatura di terra, attraverso la terra del cavo. La scarica è realizzata con un semplice spinterometro. A causa della forte corrente transitoria di scarica, la guaina del cavo assume un valore momentaneamente elevato, tale da fare apparire a volte false scariche in alcuni collegamenti a massa. Di conseguenza, occorre anche verificare che non vengano danneggiate le apparecchiature collegate, come relè e trasformatori. Il funzionamento consiste nel caricare il condensatore d’impulsi “C” mediante una sorgente di tensione continua, generalmente a polarità negativa, attraverso la resistenza interna. Il tempo di carica del condensatore “tL” può esprimersi approssimativamente come quattro o cinque volte la costante di tempo “τ = CRi”. In questo tempo il condensatore ha raggiunto la sua piena tensione di carica. L’energia elettrica accumulata nel condensatore dipende dai valori della capacità e della tensione e si calcola, come noto, con l’espressione: 2 E C U 2 Il cavo guasto viene poi connesso al condensatore attraverso lo spinterometro. Non appena la tensione ha raggiunto il valore di scarica, si ha una scarica d’arco sullo spinterometro. Quest’arco ha un valore ohmico molto basso e scarica in breve tempo il condensatore ad impulsi sul cavo; un’onda d’impulso interessa il cavo e lo percorre. pag. 39 Questo sistema di localizzazione è poco utilizzato, per le difficoltà nella ricerca dello “scoppio” conseguente alla scarica quando si tratti di percorsi del cavo molto lunghi. Quando non è possibile utilizzare altri metodi si risolve il problema utilizzando ecometro che rileva l’impulso riflesso. Infatti, dopo la scarica dell’onda ad impulso nel punto di guasto, si libera un’onda riflessa di polarità inversa che ritorna all’inizio del cavo, dove può essere rilevata. 1.5.4 Sistema del gradiente di terra Il sistema è usato per la localizzazione di guasti in guaine isolanti, di cortocircuiti fase – terra e guasti, soprattutto con resistenza non lineare, in cavi non armati (ad esempio un cavo di bassa tensione senza guaina o un cavo per telecomunicazione aventi un conduttore in contatto con la terra). Nei cavi armati possono essere rivelati guasti per contatto a massa ovvero guasti della guaina (ad esempio una guaina metallica isolata a contatto con la terra in un punto). Per questi guasti è relativamente facile la localizzazione precisa, ma difficile la prelocalizzazione o localizzazione su terminali (ad esempio il sistema dell’eco ad impulso non può essere usato perché invece di un elettrodo, si ha l’intero corpo di terra). Occorre provare la guaina regolarmente, localizzare e riparare i danni. La localizzazione precisa di questi guasti si effettuata con il sistema del gradiente di terra. Tale sistema comporta l’applicazione di parecchie centinaia o parecchie migliaia di volt fra conduttore/guaina e la terra, ove viene inserita un’asta isolante con elettrodo. A questa fluiscono indietro le correnti risultanti dal punto di guasto, con percorsi radiali dal punto stesso. Le correnti danno luogo in superficie a un gradiente di tensione, rilevabile con sonde (ad esempio una coppia di altre aste isolanti con elettrodi) collegate con cavo a un rivelatore del gradiente stesso e a un dispositivo indicatore (strumento, diffusore audio, oscilloscopio). Dall’andamento particolare del gradiente si può dedurre il corrispondente punto di guasto. Per migliorare la localizzazione si può effettuare anche un’altra prova a novanta gradi rispetto l’asse del cavo. pag. 40 Il sistema è molto efficace, per quanto abbia le seguenti limitazioni. La sensibilità di misura diminuisce per i cavi armati ed è funzione del potenziale di terra, che dipende a sua volta dalla profondità del cavo, dalla distanza del guasto, dalla distanza fra le due sonde e dalla distorsione del cammino della corrente (per le variazioni della resistività di terra). Inoltre le aste non possono essere inserite in certe superfici, come cemento armato o catrame (nel quale possono essere praticati fori). Fig. 14.2: Sistema del gradiente di terra con alimentazione in corrente continua. La figura 14.2, relativa ad un circuito in corrente continua, mostra l’andamento del gradiente di tensione (le linee tratteggiate indicano il flusso della corrente di ritorno). Gli operatori procedono lungo il tracciato con due sonde ed un galvanometro a lettura centrale. Si nota un cambio di polarità appena viene superato il punto di guasto, la cui localizzazione precisa può avvenire entro trenta centimetri. La presenza nel terreno di correnti di dispersione, fa spostare l’indice del galvanometro in un senso o nell’altro di certi valori costanti. A ciò si ovvia controllando automaticamente in modo asimmetrico l’uscita alta tensione della sorgente in corrente continua (ad esempio 1 s di passaggio e 3 s di interruzione). pag. 41 1.6 Sistemi di telecontrollo: supporto per l’attività di localizzazione guasti Attualmente la distribuzione continua d’energia elettrica è di notevole importanza. Basti pensare che in tutti i settori, dall’industria alle grandi reti di comunicazione, dalle strutture ospedalieri ai servizi, c’è la presenza di apparati (calcolatori, sale operatorie, impianti di sorveglianza, segnaletica di sicurezza stradale, impianti termici, ecc) che necessitano d’alimentazione continua. Quindi un disservizio prolungato nella rete elettrica rappresenta un grosso danno per il fornitore e, ancora più grave, per gli utenti. Oggi l’obiettivo dell’attività di localizzazione guasti su cavi elettrici è quello di ridurre i tempi d’intervento, causa anche dell’aumento dei costi per lavoro straordinario. Un aiuto sostanziale e importante per tale obiettivo viene introdotto dai sistemi di telecontrollo delle cabine secondarie della distribuzione elettrica. In una situazione di crescente liberalizzazione competitiva del mercato, gli enti elettrici si stanno preparando per offrire una sempre maggiore qualità del servizio e quindi capacità competitiva. I sistemi di telecontrollo dell’ultima generazione permettono di realizzare efficaci soluzioni per ottimizzare il carico della rete, migliorare la capacità di utilizzo degli impianti e offrire in definitiva un miglior servizio all’utenza. Tra le molte società produttrici di sistemi di telecontrollo, la SELTA, leader nel settore, ha acquisito un contratto per la fornitura di sofisticati sistemi per la gestione della rete di distribuzione elettrica dell’Enel che comprende circa quarantamila cabine su tutto il territorio nazionale. La fornitura ha lo scopo di migliorare le capacità di controllo a distanza della rete, con una gestione capillare e in tempo reale, contribuendo cosi a minimizzare le conseguenze di malfunzionamento e i rischi di prolungate interruzioni del servizio. I sistemi di telecontrollo sono dotati di software dedicato anche alla gestione degli impianti elettrici, dalle cabine di consegna fino alla distribuzione locale. Il sistema fornisce, in tempo reale, lo stato degli apparati controllati ed i loro parametri di funzionamento oltre ad eseguire l’archiviazione di tutti i dati di gestione e delle grandezze elettriche più rilevanti. L’utilizzo, talmente semplificato da non richiedere alcuna nozione informatica né personale specializzato, consente interventi in caso di guasti mirati e puntuali. Infatti, in caso di guasto su una linea con telecontrollo le quattro fasi di localizzazione guasti, descritti in precedenza, si riducono all’unica fase che è quella della localizzazione precisa grazie alla conoscenza preventiva (linea e conduttore guasto, grandezze elettriche registrate, ecc) ottenuta dal telecontrollo. pag. 42 In questa tipologia d’impianto, il passaggio da quattro ad una sola fase dell’attività di localizzazione guasti su cavi elettrici riduce di molto i tempi e costi d’intervento. In generale un sistema di telecontrollo, secondo la tipologia della rete di distribuzione elettrica sotto controllo, è costituito da uno o più centri di Supervisione e da innumerevoli apparati periferici. Le applicazioni del sistema di telecontrollo sono: Monitoraggio della rete elettrica di media tensione; Telecontrollo delle cabine secondarie di distribuzione elettrica; Selezione automatica dei tronchi di linea media tensione interessata da guasti permanenti; Supporto ai sistemi di segnalazione guasti e al rilevo della qualità del servizio; Impianti industriali con complessità o che rivestano particolare importanza; Impianti in cui sia indispensabile una monitorizzazione continua; Il sistema di Supervisione integra in un unico elaboratore le funzioni di: Acquisizione dati: gestione dinamica della banca dati; gestione allarmi e comandi; gestione stampe; creazione banche dati di tipo storico; Interfaccia operatore: rappresentazione delle informazioni con uso estensivo di grafica a colori, di finestre tipo Windows e di numerose modalità di accesso e presentazione dati (fig. 15.2); Interfacciamento alla rete di comunicazione: rete telefonica commutata o dedicata; rete mobile GSM o DCS 1800; rete ISDN; rete radio. pag. 43 Fig. 15.2: Esempio di finestra Windows per interfaccia operatore. Le funzioni svolte dagli apparati periferici sono riassunte in: Interfaccia con gli organi presenti nelle cabine; Rilevazione dello stato degli interruttori motorizzati e diagnostica di apparato; Acquisizione e memorizzazione degli interventi dei dispositivi rilevatori di guasto; Invio dei dati raccolti alla postazione centrale di supervisione; Inoltro verso il campo dei comandi ricevuti dal centro. pag. 44 1.7 Termografia per una localizzazione guasti preventiva. È molto difficile quantificare l’esatto costo di un guasto o di un fuori servizio di un impianto come è altrettanto difficile valutare i benefici della manutenzione preventiva. Però non è difficile quantificare la perdita produttiva dovuta alla fermata dell’impianto che, in molti casi, raggiunge valori elevati. Questo è la principale motivazione per cui l’attività di localizzazione guasti su linee elettriche, oltre ad interventi post-guasto, procede alla manutenzione preventiva nel campo della distribuzione elettrica. La componente determinante nella manutenzione preventiva è la termografia infrarossa con campi di misura e lunghezza d’onda di lavoro specifici. Per indagine termografica si intende una indagine finalizzata a fornire una immagine della remissività naturale di un corpo. In questo caso si intende una misura delle temperature superficiali del mezzo indagato. La radiazione elettromagnetica è un mezzo di trasmissione dell’energia sotto forma di onde aventi entrambe le componenti elettriche e magnetiche. La sequenza ordinata delle onde elettromagnetiche secondo la loro lunghezza d’onda o frequenza è chiamata “spettro elettromagnetico” (fig. 16.2). RAGGI γ RAGGI x 1 A° ULTRAVIOL. 1 A° VISIBILE INFRAROSSO ONDE RADIO 0,75 μm 0,4 μm 1 mm Lunghezza d’onda IR VICINO 0,75 μm IR MEDIO 2 μm IR LONTANO 5,6 μm IR ESTREMO 15 μm 1 mm Lunghezza d’onda Fig. 16.2: Spettro elettromagnetico La banda infrarossa (IR), genericamente associata al calore, perché il calore è il suo effetto più facilmente rilevabile, viene a sua volta suddiviso in altre quattro “sottobande” di minore ampiezza e di limiti fissati arbitrariamente. La banda di frequenze interessata dalla termografia è compresa tra 2 μm e12 μm. pag. 45 Dato che un corpo emette ed assorbe radiazioni infrarosse in funzione della propria temperatura, si ricorre a dispositivi sensibili alle radiazioni infrarosse (IR) per ottenere immagini in bianco e nero o in falsi colori. Il grado di grigio o la sfumatura del colore sono strettamente legati alla temperatura ed alle proprietà della superficie degli oggetti esaminati. Il sistema termografico è costituito da una telecamera (fig. 17.2) con rivelatore all’infrarosso, un monitor e da un computer per l’elaborazione delle immagini. Fig. 17.2: Telecamera utilizzata nel sistema termografico Un controllo ad infrarossi dedicato all’impianto elettrico consente di identificare le anomalie causate dall’azione tra corrente e resistenza. La presenza di un punto caldo all’interno di un circuito causato da un collegamento corroso (fig.18.2), ossidato (fig. 19.2) oppure allentato (fig. 20.2), o ancora, al malfunzionamento del componente in questione (fig. 21.2). La termografia applicata nelle sottostazioni offre il principale vantaggio di operare a distanza, cioè in modo non invasivo, e con impianti sotto tensione. pag. 46 Nei circuiti in bassa tensione (quadri elettrici, distribuzione, bordo macchina, punti di diramazione delle linee, ecc) la termografia mette in luce le più piccole dispersioni di energia termica che provocano l’invecchiamento e il degrado dell’isolamento delle apparecchiature. Fig. 18.2: Punto caldo per collegamento corroso. Fig. 19.2: Punto caldo per contattore ossidato nella fase centrale. pag. 47 Fig. 20.2: Morsettiera con conduttore mal serrato Fig. 21.2: Fusibili a coltello in sovratemperatura pag. 48 La diagnostica termografica, applicata alle linee e sottostazioni elettriche, consente di dare un apporto determinante nella gestione dei sistemi ed in particolare la diagnostica preventiva alla manutenzione offre un notevole contributo alla prevenzione delle avarie ed al contenimento dei costi di riparazione. L’efficacia del metodo offre vantaggi economici notevoli in quanto contribuisce ad assicurare il conseguimento della “funzione” di un sistema oltre che verificare l’integrità del sistema stesso. Il trasformatore dell’immagine presenta delle anomalie che, in un ragionevole periodo di tempo, condurranno alla perdita d’integrità dell’impianto ed alla “perdita della funzione” che è quella di assicurare un servizio. pag. 49