Monitoraggio online delle condizioni dei cavi elettrici: tecnologie, vantaggi e tendenze future

La rete elettrica globale sta attraversando la sua espansione più significativa da decenni. La crescita del carico urbano, l’elettrificazione dei trasporti e la crescente diffusione della generazione rinnovabile – parchi eolici, impianti solari e stoccaggio di batterie – hanno alimentato una domanda senza precedenti di circuiti di cavi sotterranei. Laddove un tempo le linee aeree trasportavano energia elettrica attraverso le città, i cavi XLPE estrusi e ricoperti di piombo isolati in carta (PILC) ora corrono sotto strade, tunnel e attraversamenti fluviali, spesso trasportando il 50-100% di carico in più rispetto a quello per cui erano stati originariamente progettati.

Questa espansione comporta una crescente sfida di manutenzione. I guasti ai cavi sono tra gli eventi più dannosi per una rete di distribuzione: richiedono scavi, localizzazione dei guasti, giunzioni e riparazioni, spesso costando decine di migliaia di dollari per evento, oltre a sanzioni per l'interruzione da parte del cliente. Storicamente, la manutenzione dei cavi si è basata su test periodici offline: resistenza VLF, resistenza di isolamento e indagini sulle scariche parziali eseguiti ogni cinque anni. Sebbene efficaci, questi test sono istantanee. Lasciano il cavo senza monitoraggio tra un'ispezione e l'altra e un difetto che si sviluppa subito dopo un test pulito può progredire fino al guasto prima della successiva visita programmata.

Per colmare questo divario, le utility, gli operatori industriali e gli sviluppatori di progetti rinnovabili stanno adottando sempre più il monitoraggio online delle condizioni dei cavi elettrici. Invece di mettere fuori servizio il cavo per i test, i sensori installati in modo permanente ne misurano continuamente lo stato elettrico e termico mentre rimane sotto tensione. Questo articolo esamina cos'è il monitoraggio online, le tecnologie disponibili, l'architettura di sistema richiesta e la direzione in cui si sta dirigendo il settore man mano che l'infrastruttura della rete intelligente matura.

Il monitoraggio online delle condizioni dei cavi di alimentazione consiste nella misurazione continua e in tempo reale dei parametri di salute dei cavi utilizzando sensori installati in modo permanente, senza interrompere il servizio. Un sistema di monitoraggio raccoglie i dati sull'accessorio del cavo (giunti, terminazioni) e lungo il percorso del cavo, li trasmette a un'unità centrale o a una piattaforma cloud e applica algoritmi diagnostici per valutare le condizioni di isolamento, il carico termico e l'integrità dell'accessorio.

A differenza dei test offline, che forniscono una misurazione puntuale, il monitoraggio online fornisce un flusso di dati continuo. Le caratteristiche chiave includono:

L’obiettivo non è quello di sostituire completamente i test offline, ma di integrarli: il monitoraggio online fornisce una consapevolezza situazionale continua, mentre i test offline periodici rimangono il metodo accettato per la valutazione quantitativa delle condizioni e la localizzazione dei guasti.

I guasti ai cavi sotterranei sono raramente improvvisi. La maggior parte segue un percorso di degrado prevedibile nel corso di mesi o anni. I principali meccanismi di fallimento includono:

Ciascuno di questi meccanismi lascia tracce misurabili. L'invecchiamento dell'isolamento modifica la perdita dielettrica; PD genera impulsi ad alta frequenza; l'alberatura dell'acqua altera la caratteristica Tan Delta; il surriscaldamento produce un'impronta termica lungo il percorso. Il monitoraggio online cattura queste tracce man mano che si sviluppano, molto prima che il cavo vada offline. Rilevarli tempestivamente trasforma un'interruzione non pianificata in un evento di manutenzione programmata.

Il monitoraggio delle scariche parziali è la tecnica online più sensibile e ampiamente adottata. I trasformatori di corrente ad alta frequenza (HFCT), fissati attorno alla piattina di terra sui giunti e sulle terminazioni dei cavi, rilevano le correnti impulsive generate dalle scariche interne. Negli accessori ad alta tensione possono essere integrati anche condensatori di accoppiamento o sensori VHF/UHF. I segnali vengono analizzati nel dominio delle scariche parziali risolte in fase (PRPD): il modello di impulsi relativo al ciclo di tensione CA rivela se le scariche hanno origine da vuoti interni, tracciamento superficiale, corona o potenziali fluttuanti. I sistemi avanzati utilizzano il clustering automatizzato per separare la PD dal rumore.

Il rilevamento distribuito della temperatura (DTS) utilizza un cavo in fibra ottica installato accanto (o all'interno) del cavo di alimentazione. Un impulso laser inviato lungo la fibra genera retrodiffusione Raman; lo spostamento della lunghezza d'onda indica la temperatura locale e il ritardo temporale la localizza con una precisione di un metro lungo decine di chilometri di percorso. DTS rileva gli hotspot causati da dotti ostruiti, articolazioni difettose o sovraccarico prolungato. Supporta anche la valutazione dinamica: misurando la temperatura effettiva del conduttore anziché assumerla, gli operatori possono aumentare il carico in condizioni favorevoli e ridurlo durante le ondate di caldo.

Il monitoraggio della guaina utilizza trasformatori di corrente nei punti di collegamento incrociato e di messa a terra per misurare le correnti circolanti e la continuità della guaina. Un cambiamento improvviso nel rapporto della corrente della guaina o la comparsa di un componente CC indica un danno alla guaina, un cavo rotto o un degrado della messa a terra. Poiché i guasti della guaina sono un precursore del guasto dell'isolamento principale, il monitoraggio continuo di questi parametri fornisce un allarme tempestivo sullo sviluppo di difetti.

I parametri elettrici di base, ovvero corrente di carico, temperatura del conduttore (tramite modello termico), tensione e fattore di potenza, sono generalmente disponibili nei sistemi SCADA o RTU esistenti. Se correlati ai dati PD e temperatura, questi parametri aiutano a interpretare se un'anomalia misurata riflette un vero difetto di isolamento o un transitorio benigno causato dalla commutazione o dall'avvio del motore.

Il volume di dati generati dai sensori continui supera di gran lunga ciò che l’ispezione manuale può elaborare. Gli algoritmi di apprendimento automatico, addestrati su registrazioni storiche dei guasti, linee di base di messa in servizio e modelli di difetti noti, eseguono attività automatizzate come la classificazione delle fonti PD, il rilevamento di tendenze sottili nel Tan Delta o nella resistenza di isolamento, la previsione della vita utile rimanente e la priorità degli ordini di lavoro di manutenzione in base al rischio. Questi modelli vengono eseguiti sul perimetro (nell'unità di acquisizione dati sul campo) o nel cloud, a seconda dei requisiti di sicurezza dei dati e di connettività di rete.

Un tipico sistema di monitoraggio online delle condizioni dei cavi è composto da cinque livelli:

L'architettura del sistema segue una catena standard dal rilevamento alla decisione: percepire, acquisire, trasmettere, analizzare, agire.

I due approcci sono complementari. I test offline forniscono localizzazione quantitativa dei guasti e test di prova; il monitoraggio online fornisce una consapevolezza continua. Un programma maturo li utilizza entrambi.

Scenario 1: monitoraggio dei cavi di distribuzione sotterranei.Un'azienda municipale con 3.000 km di alimentatori sotterranei da 10–35 kV installa sensori HFCT su giunti critici in aree ad alta densità. Il sistema emette un allarme quando l'attività PD supera la linea di base, indirizzando le squadre a indagare su giunti specifici durante le finestre di manutenzione pianificate, riducendo le interruzioni non pianificate nel centro della città.

Scenario 2: monitoraggio dei cavi di trasmissione ad alta tensione.Un operatore di trasmissione utilizza DTS lungo un cavo di attraversamento del fiume di 15 km a 110 kV. Il profilo della temperatura in fibra ottica rivela un hotspot a 7,2 km, dove il cavo si piega vicino all'incrocio di un tubo. Le squadre di manutenzione eliminano l'ostruzione prima che l'invecchiamento termico causi danni permanenti.

Scenario 3: monitoraggio dei cavi di energia rinnovabile.Un operatore di un parco eolico offshore monitora i cavi inter-array con una combinazione di DTS e PD online. Il sistema mette in correlazione i picchi di temperatura con gli impulsi PD per identificare i cavi che subiscono infiltrazioni d'acqua dopo un temporale, indirizzando la sostituzione durante la successiva stagione calma anziché dopo un guasto.

Il monitoraggio online delle condizioni dei cavi di alimentazione rappresenta il passaggio dai test basati sul calendario alla gestione delle risorse basata sui dati. Misurando continuamente la scarica parziale, la temperatura, le condizioni della guaina e i parametri elettrici mentre il cavo rimane sotto tensione, gli operatori ottengono un avviso tempestivo del degrado dell'isolamento, dei difetti dei giunti e del sovraccarico termico, intervenendo prima che i guasti diventino guasti. In combinazione con test periodici offline e analisi delle tendenze basate sull’intelligenza artificiale, il monitoraggio online migliora l’affidabilità della rete, aumenta la sicurezza del personale durante la manutenzione e ottimizza le spese in conto capitale indirizzando la sostituzione ai cavi che ne hanno effettivamente bisogno.

Con l’invecchiamento delle reti e la crescita della penetrazione delle energie rinnovabili, le ragioni economiche per un monitoraggio continuo si rafforzano. XZH TEST fornisce soluzioni diagnostiche e di test dei cavi professionali, inclusi tester hipot AC VLF, sistemi di rilevamento delle scariche parziali, localizzatori di guasti dei cavi TDR e strumenti di monitoraggio online, progettati per supportare la gestione delle risorse dei cavi durante la messa in servizio, i test periodici e la valutazione continua delle condizioni.

XZH TEST (Xian Xuzhihui Electromechanical Technology Co., Ltd.) produce apparecchiature diagnostiche e per test di cavi elettrici per servizi pubblici, impianti industriali e progetti di energia rinnovabile. La gamma di prodotti comprende localizzatori di guasti nei cavi, prelocalizzatori TDR, tester hipot AC VLF, sistemi di rilevamento di scariche parziali e soluzioni di monitoraggio dei cavi online. Le apparecchiature sono progettate per durare sul campo, precisione di misurazione e conformità agli standard di test internazionali.

Sito web: XZH TEST