Un análisis exhaustivo de las causas de averías y técnicas de reparación para cables XLPE de 35 kV

1. Breakdowns Caused by Cable Termination Defects

Cable terminations and joints represent vulnerable points in insulation, and their installation quality directly impacts operational safety. Statistics from a power supply company's 2023 fault reports indicate that 72% of termination failures originated from the following issues:

(1) Stress Cone Installation Failure
Cold-shrink terminations utilize stress cone structures to reduce field intensity at the shield cut-off point by modifying electric field distribution. Common on-site construction errors include:
① Stress cone misalignment exceeding 5mm from the semicon cut-off point (specification requirement: ±2mm), causing electric field distortion and localized field intensity reaching 25kV/mm (normal: ≤12kV/mm).
② Inadequate smoothing of the copper shield cut-off point, leaving burrs that create tip discharge (measured field intensity at tips can increase 3-5 times).
③ Excessive pulling speed (>50mm/s) during installation, causing stress cone wrinkling and forming air gaps (partial discharge levels > 10pC).

(2) Improper Semicon Layer Handling
In a case involving a 35kV cable breakdown at a steel plant, dissection revealed 0.3mm deep scoring on the main insulation surface (see Fig.2). This was caused by using a utility knife at too steep an angle (>45°) during semicon layer removal. GB50150 explicitly requires the use of dedicated stripping tools for semicon removal, forming a 15° gentle slope at the cut-off, with scoring depth not exceeding 0.1mm.

(3) Sealing/Waterproofing Failure
Statistics from rainy regions show 43% of termination failures involve moisture ingress. Typical errors include:
① Failure to follow the "triple-seal" process (outer sheath, copper shield, semicon layer).
② Espesor insuficiente del compuesto sellador (<2 mm) y compresión inadecuada de los resortes de fuerza constante (la compresión debe alcanzar 1/3 de la longitud original).
③ Espacios entre el tubo retráctil en frío y el cuerpo del cable (la inspección con calibrador de espesores no debe mostrar espacios ≥0,05 mm).

2. Mecanismo de degradación del aislamiento principal

(1) Envejecimiento del árbol eléctrico
El aislamiento de XLPE puede iniciar el arborismo eléctrico cuando la intensidad del campo localizado supera los 10 kV/mm. Pruebas de envejecimiento acelerado en una base de investigación demuestran:
① Por cada aumento de temperatura de 10 °C, la tasa de crecimiento de los árboles aumenta 2,3 veces.
② Con humedad presente, la propagación del canal del árbol se acelera de 3 a 5 veces (significativamente cuando el contenido de humedad es > 0,02%).
③ Las partículas de impurezas (>50µm) provocan concentración en el campo y se convierten fácilmente en puntos de iniciación de árboles.

(2) Falla por envejecimiento térmico
Cuando los cables se sobrecargan continuamente (corriente >120% de la capacidad nominal), lo que provoca que la temperatura de aislamiento supere los 90 °C, las cadenas moleculares de XLPE se rompen:
① El tiempo de inducción de oxidación (OIT) se reduce de 30 min a menos de 5 min (GB/T 11026.1 requiere ≥20 min).
② El factor de disipación (tanδ) aumenta de 0,002 a más de 0,01 (medido a 20 °C).
③ La resistencia a la tracción disminuye en más del 25% y el alargamiento de rotura se reduce en un 40%.

(3) Daños mecánicos acumulativos
Los daños mecánicos comunes durante la instalación incluyen:

• Radio de curvatura insuficiente (cables unipolares: ≥20× diámetro exterior; multipolares: ≥15×).

• Tensión de tracción excesiva (cables de cobre: ​​≤3 kN; aluminio: ≤2 kN).

• Vainas exteriores dañadas sin reparar, que permiten la entrada de humedad (tasa de penetración de humedad radial: ~0,1 mm/día).

3. Impacto de los factores ambientales externos

(1) Sobretensiones
Los rayos y las sobretensiones son desencadenantes importantes:

• Los rayos directos pueden generar hasta 200 kV, superando ampliamente la tensión de impulso nominal soportada del cable de 35 kV, de 32 kV.

• El corte de corriente mediante interruptores de vacío puede producir sobretensiones que alcanzan 3,5 veces la tensión de fase.

• Durante fallas monofásicas a tierra del sistema, el voltaje de fase saludable aumenta al voltaje de línea (para un sistema de 35 kV: 60,6 kV).

(2) Corrosión química
Las mediciones en zonas industriales muestran, en suelos con pH <4 o >9:

• La tasa de corrosión de la vaina exterior alcanza 0,2 mm/año (suelo normal: 0,05 mm/año).

• El blindaje de cinta de acero puede perforarse en un plazo de 5 años, lo que permite que la humedad acceda directamente al aislamiento.

• Los ácidos orgánicos de la corrosión microbiana reducen la rigidez dieléctrica del XLPE en un 5 % anual.

(3) Estrés por ciclos de temperatura
Las terminaciones exteriores experimentan expansión/contracción térmica periódica con diferencias de temperatura diurnas de 15 °C:

• La tensión cortante en las interfaces alcanza 1,2 MPa (superando el límite de fatiga del material EPDM).

• Se forman microgrietas en el compuesto sellador (profundidad observable hasta 0,5 mm bajo el microscopio).

• Se forman espacios superiores a 0,1 mm entre los accesorios metálicos y el aislamiento, lo que inicia una descarga parcial.

Tecnología de diagnóstico y localización de averías

1. Caracterización y evaluación de fallas

1. (1) Prueba de resistencia de aislamiento
   Usando un megóhmetro de 2500 V:
   • Una resistencia de aislamiento entre fases < 1000 MΩ o una resistencia de aislamiento de tierra < 500 MΩ indican defectos graves.
   • Una relación de absorción (R60s/R15s) < 1,3 sugiere entrada de humedad.
   • Índice de polarización (R10min/R1min) < 2,0 indica envejecimiento del aislamiento.

2. (2) Detección de descargas parciales
   Uso combinado de métodos ultrasónicos y de ultraalta frecuencia (UHF):
   • La magnitud de descarga > 5 pC (a 1,73 U₀) en las terminaciones requiere una acción inmediata.
   • Patrones de descarga típicos: la descarga en la punta muestra amplitudes de pulso dispersas; la descarga en el vacío exhibe grupos de pulsos regulares.

3. (3) Medición del factor de pérdida dieléctrica (tan δ)
   A una tensión de prueba de 10 kV:
   • Cable normal tan δ < 0,005; valores > 0,01 indican una degradación grave del aislamiento.
   • Un aumento significativo de tan δ con el aumento del voltaje (Δtan δ > 0,002/kV) sugiere la presencia de defectos.

2. Tecnologías de localización precisa

1. (1) Localización por reflectometría en el dominio del tiempo (TDR)
   Utilizando un reflectómetro de pulso (resolución mínima 0,5 m):
   • Fórmula de distancia de falla: L = v × t / 2 (v = velocidad de onda, 172 m/μs para cables XLPE).
   • Las fallas de baja resistencia (< 100 Ω) utilizan el método de pulso de bajo voltaje; las fallas de alta resistencia utilizan el método de descarga disruptiva de alto voltaje de CC.
   • Características de la forma de onda: polaridad del pulso reflejado opuesta (baja resistencia) o igual (alta resistencia) al pulso incidente.

2. (2) Localización síncrona acústico-magnética
   Aplicación de alto voltaje de impulso (3–5 veces U₀) al punto de falla:
   • Señales de campo magnético detectadas a través de una bobina; señales acústicas recibidas a través de un sensor piezoeléctrico.
   • Localización por diferencia de tiempo: Δt = ΔS / v (v = 340 m/s), con error de localización < 0,5 m.
   • Óptimo en condiciones de ruido ambiental bajo (< 40 dB por la noche); se recomiendan auriculares con cancelación de ruido.

3. (3) Monitoreo distribuido de fibra óptica
   Utilizando sistemas DTS (Detección de Temperatura Distribuida):
   • Resolución espacial: 1 m; precisión de temperatura: ±0,5 °C.
   • Aumento anormal de temperatura en los puntos de falla (5–10 °C más alto que las secciones normales).
   • Combinado con fibra sensora de vibraciones, puede localizar puntos de daño externos (la alarma se activa a una frecuencia de vibración > 5 Hz).

Especificaciones técnicas de reparación de averías de cables de 35 kV

1. Procedimiento de reterminación de cables
Tomando como ejemplo una terminación retráctil en frío de 35 kV (modelo WLS-35/1×300), los pasos clave son los siguientes:

(1) Etapa de pretratamiento

• Enderezamiento de cables: utilice una máquina enderezadora especializada (aplicando una tensión de 2-3 kN) para garantizar un error de rectitud < 1‰.

• Desmontaje de la vaina exterior: corte un anillo a 550 mm del extremo, conserve 30 mm de armadura, lije un área de 50 mm desde el corte de la vaina con papel de lija de grano 80.

• Tratamiento de blindaje de cobre: ​​Conserve 20 mm de blindaje de cobre, pula el corte hasta lograr una transición de arco suave (R ≥ 2 mm) usando un paño de lija n.° 0.

(2) Tratamiento de la capa semiconductora

• Longitud de pelado: Conserve 15 mm de la capa semiconductora exterior, corte en forma de anillo utilizando un cuchillo de pelado específico (ángulo de 15°), evite estrictamente dañar el aislamiento principal.

• Biselado: Biselar el extremo del aislamiento principal en un ángulo de 45° (profundidad 0,5 mm), redondeando el borde de corte semiconductor (R = 1 mm).

• Proceso de limpieza: Limpie unidireccionalmente con un paño sin pelusa humedecido en etanol anhidro (pureza ≥ 99,7 %), cambie el paño cada 100 mm.

(3) Instalación del cono de tensión

• Aplicación de grasa de silicona: Aplique grasa de silicona específica (tan δ < 0,001) dentro de los 5 mm del corte del semiconductor, espesor 0,2 mm.

• Marca de posicionamiento: Envuelva una cinta de posicionamiento (ancho 10 mm) a 75 mm del corte del semiconductor.

• Operación de contracción en frío: tire del revestimiento del núcleo a una velocidad constante de 50 mm/s, evite girar la terminación durante la contracción.

(4) Proceso de sellado

• Triple impermeabilización: envuelva secuencialmente cinta semiconductora bloqueadora de agua (superposición del 25 %), compuesto sellador (espesor ≥ 2 mm) y carcasa de acero inoxidable.

• Conexión a tierra: utilice un cable de cobre de 25 mm², una compresión de resorte de fuerza constante que alcance 1/3 de la longitud original y un espaciado de unión ≤ 10 mm.

• Identificación de fases: Aplique tubo termorretráctil del color de la fase (amarillo fase A, verde fase B, rojo fase C), de 100 mm de largo.

2. Tecnología principal de reparación del aislamiento
Para averías localizadas del aislamiento (superficie < 5 cm²), reparación mediante tecnología patentada (Patente n.º ZL202210666205.8):

(1) Tratamiento de puntos de falla

• Aislamiento cortado en anillo: cree una ranura con forma de mancuerna (diámetro de 50 mm, profundidad de 20 mm) centrada en el punto de ruptura con una pendiente de 1:5.

• Tratamiento de la superficie: Lije circunferencialmente con papel de lija de grano 200 hasta que quede expuesto el aislamiento fresco (sin capa carbonizada).

• Comprobación de limpieza: utilice un contador de partículas para garantizar una limpieza de clase 100 (< 3500 partículas/m³ para partículas ≥ 0,5 μm).

(2) Infusión líquida nano-reparadora

• Relación de material: 15 % nano-SiO₂ (tamaño de partícula de 50 nm), 75 % matriz de resina epoxi, 10 % agente de curado (en peso).

• Desgasificación al vacío: proceso a -0,09 MPa durante 30 min para eliminar burbujas (diámetro de burbuja < 5 μm).

• Infusión presurizada: aplicar una presión de 0,3 MPa durante 2 h para garantizar que la profundidad de penetración del líquido de reparación sea ≥ 10 mm.

(3) Curado y acabado

• Curado escalonado: 60°C/2h + 80°C/4h + 100°C/2h, evitar sobrecalentamiento local (velocidad de calentamiento ≤ 5°C/min).

• Acabado de la superficie: Esmerilar hasta el nivel del aislamiento original (desviación < 0,1 mm) utilizando una muela de diamante (grano 400).

• Restauración del blindaje: Enrolle cinta de cobre de 0,1 mm de espesor (superposición del 20 %), selle con soldadura (longitud de la junta de soldadura ≥ 30 mm).

3. Procedimiento de reemplazo articular
Cuando el punto de ruptura esté en el medio del cable, reemplácelo utilizando una unión recta prefabricada de 35 kV (modelo JLS-35/1×400):

(1) Pretratamiento del cable

• Sección de falla cortada: conserve 1,5 m de cable de sonido en cada extremo, asegúrese de que la superficie de aislamiento esté libre de rayaduras (verifique con un detector de fallas por corrientes de Foucault).

• Conexión del conductor: utilizar un molde de compresión (hexagonal), comprimir desde el centro hacia afuera, factor de compresión ≥ 0,9.

• Escalón de aislamiento: cree un escalón cónico de 1:10 (longitud de 50 mm), rugosidad de superficie Ra ≤ 0,8 μm.

(2) Asamblea Paritaria

• Restauración del blindaje del semiconductor: enrolle la cinta semiconductora (ancho de 50 mm) para garantizar un contacto confiable con el semiconductor original (resistencia de contacto < 50 mΩ).

• Instalación del componente aislante: Caliente el aislante prefabricado a 70 °C, deslícelo y aplique una presión axial de 5 kN durante 30 minutos.

• Sello de carcasa de metal: utilice juntas tóricas dobles (material de fluorocaucho), controle la compresión al 25%-30%.

(3) Blindaje y puesta a tierra

• Unión de blindaje de cobre: ​​utilice una trenza de cobre de 35 mm², conexión con perno (par de apriete 25 N·m).

• Sistema de conexión a tierra: Adopte conexión a tierra de doble extremo, sección transversal del cable de tierra ≥ 50 mm², resistencia de tierra < 10 Ω.

• Tratamiento anticorrosión: Recubrir la carcasa con imprimación epoxi (espesor de película seca 80μm) + capa superior de poliuretano (espesor de película seca 120μm).

La prevención y remediación de fallas de ruptura de cables XLPE de 35 kV debe adherirse al principio de "prevenir primero, reparar después." Se recomienda fortalecer la gestión en las siguientes áreas:

• Control de materiales: establecer un sistema de lista blanca de proveedores e implementar inspecciones entrantes para terminaciones retráctiles en frío (pruebas de pérdida dieléctrica, descarga parcial y rendimiento de sellado).

• Optimización de procesos: Promover el uso de robots de construcción inteligentes para automatizar procesos críticos como la eliminación de capas semiconductoras y la instalación de conos de tensión.

• Monitoreo de condición: Realizar diagnósticos de aislamiento (pérdida dieléctrica, tanδ, descarga parcial) en cables en servicio durante más de 15 años para evaluar la vida útil restante.

• Capacidad de respuesta a emergencias: Formar equipos profesionales de reparación de emergencia equipados con localizadores acústico-magnéticos, vehículos de prueba de alto voltaje y otras herramientas para garantizar la localización de fallas en 2 horas y la restauración en 24 horas.

Los métodos técnicos descritos en este artículo pueden reducir eficazmente la tasa de fallos por rotura de cables de 35 kV. Tras implementar este sistema técnico, una empresa de redes eléctricas redujo el tiempo promedio de reparación de averías en cables de 48 a 12 horas en 2024. En el futuro, con los avances en nanomateriales de reparación y las tecnologías de monitorización inteligente, la reparación de cables evolucionará hacia la localización precisa, la reparación mínimamente invasiva y el conocimiento de las condiciones.