Aplicação prática em redes subterrâneas, parques solares e usinas eólicas — HVEX | Itajubá, MG

Resumo executivo

Falhas em cabos de potência subterrâneos estão entre as ocorrências mais caras e demoradas de resolver em redes de média e alta tensão. Diferentemente das redes aéreas, o defeito não é visível: sem instrumentação adequada, a equipe de manutenção recorre a escavações exploratórias e seccionamentos sucessivos, multiplicando o tempo de indisponibilidade e os custos de obra civil.

Este white paper apresenta os fundamentos da reflectometria no domínio do tempo (TDR – Time Domain Reflectometry), a metodologia de campo em duas etapas — pré-localização eletrônica e confirmação pontual acústico-magnética — e as boas práticas alinhadas às normas IEEE Std 400/400.2, IEC 60502-2 e IEC 60270. Mostra ainda como o Sistema Detector de Falhas em Cabos HVEX (Reflectômetro) integra testador inteligente multimétodo, fonte de impulso de alta tensão e localizador acústico-magnético para reduzir a localização de falhas de dias para poucas horas, com exatidão métrica em circuitos de 50 m a 60 km.

1. O custo da falha em cabos subterrâneos

A participação de circuitos subterrâneos e de cabos blindados diretamente enterrados cresce de forma consistente: centros urbanos adensados, exigências estéticas e de segurança, e principalmente a expansão de parques solares fotovoltaicos e usinas eólicas — cujos circuitos coletores de média tensão percorrem quilômetros entre skids, inversores e a subestação coletora. Nesses ambientes, cada hora de circuito indisponível representa energia não gerada ou não distribuída, penalidades regulatórias e risco contratual.

As estatísticas internacionais do CIGRÉ (Technical Brochure 815, período 2006–2015, sistemas ≥60 kV) mostram que 56% das faltas em sistemas de cabos são atribuídas ao próprio cabo, 16% a emendas e 18% a terminações [1]. Ou seja: mais de um terço das ocorrências envolve acessórios montados em campo. Em redes de distribuição e em plantas de geração renovável — onde o volume de emendas executadas em obra é maior e as condições de montagem são menos controladas — a participação relativa dos acessórios tende a ser ainda mais expressiva.

O problema operacional não é apenas detectar que houve falha — a proteção já o faz —, mas responder à pergunta: em que ponto do traçado, a que profundidade, escavar? É exatamente essa pergunta que a reflectometria responde em minutos.

2. Fundamentos da técnica TDR

Todo cabo de potência se comporta como uma linha de transmissão com impedância característica definida pela geometria e pelos materiais do condutor, da isolação e da blindagem. O reflectômetro injeta um pulso elétrico em uma extremidade do cabo; enquanto a impedância se mantém constante, o pulso viaja sem perturbação. Em qualquer ponto onde a impedância muda — curto-circuito, condutor rompido, emenda, derivação, trecho com ingresso de umidade — parte da energia é refletida de volta ao instrumento.

Medindo o tempo de trânsito t entre a emissão do pulso e o retorno da reflexão, e conhecendo a velocidade de propagação v da onda no dielétrico, a distância até a descontinuidade é calculada diretamente por d = v · t / 2. A polaridade e a amplitude da reflexão revelam a natureza do defeito: falhas de baixa resistência (curto-circuito) produzem reflexão de polaridade invertida; circuitos abertos (condutor rompido) produzem reflexão de mesma polaridade; emendas e pequenas anomalias aparecem como descontinuidades de menor amplitude na forma de onda.

A velocidade de propagação depende do material isolante — polietileno reticulado (XLPE), PVC, papel impregnado em óleo — e situa-se tipicamente na faixa de 140 a 180 m/µs. O ajuste correto desse parâmetro é o fator individual mais importante para a exatidão da pré-localização: um erro de 5% na velocidade configurada resulta em 50 m de erro a cada quilômetro de cabo. Por isso os instrumentos modernos oferecem tabelas de velocidade por tipo de isolação e permitem calibrá-la contra um comprimento conhecido de cabo.

2.1 Limitações do pulso de baixa tensão e métodos de alta tensão

O método clássico de pulso de baixa tensão funciona bem para circuitos abertos e curtos francos. Contudo, grande parte das falhas reais em campo é de alta resistência ou intermitente (flashover): a descontinuidade só se manifesta sob tensão elevada, e a reflexão em baixa tensão é pequena demais para ser distinguida do ruído — limitação amplamente documentada na literatura, que aponta a baixa relação sinal-ruído do TDR convencional para defeitos “suaves” como emendas degradadas [5][6][7].

Para essas situações utilizam-se métodos assistidos por alta tensão, disponíveis em sistemas completos de localização de falhas: método de reflexão de arco (o arco criado no ponto de falha por um impulso de alta tensão comporta-se momentaneamente como um curto, refletindo o pulso de medição); método de corrente de impulso ou flashover de impacto (análise das oscilações transitórias geradas pela disrupção); e método de atenuação/decaimento para falhas de fuga. A combinação desses métodos em um único equipamento cobre praticamente todos os tipos de falha: circuito aberto, curto-circuito, baixa resistência, fuga de alta resistência e flashover de alta resistência.

3. Metodologia de campo em duas etapas

A prática internacional consagrou o fluxo de trabalho em duas etapas — pré-localização e confirmação pontual (pinpointing) — que minimiza tanto o tempo de caminhamento quanto o número de impulsos de alta tensão aplicados ao cabo.

3.1 Preparação e classificação da falha

•       Desenergizar o circuito, aplicar aterramentos de trabalho e isolar as duas extremidades do cabo, desconectando pára-raios, TPs e demais equipamentos que possam distorcer as reflexões;

•       Medir a resistência de isolamento e a continuidade entre condutores e blindagem para classificar a falha (baixa resistência, alta resistência, circuito aberto) — essa classificação define o método de pré-localização adequado;

•       Levantar os dados do circuito: comprimento total, tipo de isolação (para configurar a velocidade de propagação), seção, traçado e posição das emendas conhecidas.

3.2 Pré-localização com TDR

Com o método selecionado, o instrumento apresenta a forma de onda refletida na tela e estima a distância até a falha, como ilustra a Figura 1 — registro real de medição pelo método de flashover, em faixa de 10 km e velocidade de onda de 184 m/µs, com falha pré-localizada a 3.214 m do terminal de ensaio. Duas boas práticas elevam significativamente a confiança do resultado: comparar a forma de onda da fase defeituosa com a de uma fase sã do mesmo circuito — as curvas coincidem até o ponto de falha e divergem a partir dele — e, quando disponível, comparar com formas de onda de referência registradas no comissionamento, prática recomendada pela filosofia de diagnóstico do IEEE Std 400 [2][3]. Medições a partir das duas extremidades do circuito refinam a estimativa em cabos longos ou com múltiplas emendas.

Figura 1 – Aplicação em campo: tela do Reflectômetro HVEX durante pré-localização de falha pelo método de flashover (formas de onda local e global; faixa de 10 km; velocidade de onda 184 m/µs; distância à falha: 3.214 m). Fonte: HVEX [8].

3.3 Confirmação pontual acústico-magnética

A pré-localização indica a distância elétrica; a escavação exige a posição física exata. Nessa etapa, a fonte de impulso de alta tensão carrega um banco capacitivo e descarrega pulsos periódicos no cabo. No ponto de falha, cada descarga produz um arco elétrico acompanhado de estampido mecânico e de um transitório eletromagnético. O operador caminha sobre o traçado com o localizador acústico-magnético: como o sinal eletromagnético chega praticamente de forma instantânea e o som viaja pelo solo com velocidade muito menor, o atraso entre os dois sinais é mínimo exatamente sobre a falha — o que permite marcar o ponto de escavação com exatidão decimétrica.

Boa prática essencial: usar a menor tensão e o menor número de impulsos necessários para a confirmação. A pré-localização precisa por TDR reduz drasticamente o tempo de “thumping”, preservando a vida útil da isolação sã do restante do circuito — recomendação alinhada aos guias de ensaio em campo IEEE Std 400.2 e aos limites de ensaio da IEC 60502-2 [2][3].

4. Emendas: o elo crítico do circuito

Emendas são montadas em campo, muitas vezes em vala aberta, sob pressão de prazo e condições ambientais adversas. Erros de preparação de superfície, posicionamento incorreto do controle de campo elétrico, contaminação e ingresso de umidade criam cavidades e interfaces onde se desenvolvem descargas parciais que evoluem, ao longo de meses ou anos, até a disrupção completa. Por isso as emendas concentram parcela desproporcional das falhas em relação ao seu comprimento no circuito [1].

Na forma de onda TDR, cada emenda aparece como uma pequena descontinuidade de impedância com assinatura estável. Esse fato tem duas consequências práticas valiosas. Primeira: o registro da forma de onda no comissionamento documenta a posição real de todas as emendas — informação frequentemente perdida nos cadastros. Segunda: a comparação periódica das formas de onda revela a evolução de uma emenda em degradação antes da falha franca, habilitando a manutenção preditiva. Complementarmente, a detecção de descargas parciais — por oscilografia conforme IEC 60270 ou por sensores UHF — antecipa o diagnóstico de acessórios em processo de deterioração [4][7].

5. O Sistema Detector de Falhas em Cabos HVEX (Reflectômetro)

O Reflectômetro HVEX é um sistema completo de localização de falhas que integra, em conjunto portátil, os três blocos funcionais da metodologia descrita: testador inteligente multimétodo (pulso de baixa tensão, flashover de impacto/corrente de impulso e reflexão de arco), fonte de impulso de alta tensão e localizador acústico-magnético com função de rastreamento de trajeto e profundidade do cabo [8][9]. A maleta testadora, mostrada na Figura 2, concentra a interface de operação em display touchscreen industrial de 10,4 polegadas.

Figura 2 – Maleta testadora do Sistema Detector de Falhas em Cabos HVEX (Reflectômetro), com display LCD touchscreen de 10,4″. Fonte: HVEX, acervo institucional [8][9].

Três atributos merecem destaque do ponto de vista de aplicação. Primeiro, a cobertura integral de tipos de falha — circuito aberto, curto-circuito, baixa resistência, fuga de alta resistência e flashover — em cabos de diferentes categorias, seções e materiais. Segundo, a autonomia por bateria, que viabiliza o trabalho em pontos remotos de parques solares e eólicos sem dependência de gerador auxiliar. Terceiro, o armazenamento integrado de formas de onda, que transforma cada atendimento em registro histórico rastreável — base para os relatórios de manutenção e para a comparação evolutiva descrita na seção 4.

5.1 Aplicações típicas

•       Parques solares fotovoltaicos e usinas eólicas: localização rápida de falhas em circuitos coletores de média tensão e cabos blindados diretamente enterrados;

•       Concessionárias e redes subterrâneas urbanas de média e alta tensão: redução do tempo de restabelecimento e do volume de escavação;

•       Indústrias e grandes consumidores: diagnóstico de alimentadores internos, cabos em eletrodutos e bandejamentos extensos;

•       Comissionamento e aceitação: registro de forma de onda de referência (baseline) e verificação da qualidade de emendas recém-executadas, em linha com IEEE Std 400/400.2 e IEC 60502-2;

•       Mapeamento de infraestrutura: rastreamento de trajeto e profundidade de cabos subterrâneos e localização de emendas não cadastradas.

6. Benefícios operacionais mensuráveis

A adoção da metodologia TDR completa — pré-localização mais confirmação pontual — produz ganhos diretos e mensuráveis: redução do tempo médio de localização de falhas de dias para horas, com impacto direto nos indicadores de continuidade (DEC/FEC) de concessionárias e na disponibilidade contratual de plantas de geração; redução drástica do custo de obra civil, pois escava-se um único ponto marcado com exatidão decimétrica em vez de trechos exploratórios; preservação da vida útil do circuito, pelo menor número de impulsos de alta tensão aplicados; e construção progressiva de um histórico documentado da condição de cada circuito e de suas emendas.

7. Conclusão

A reflectometria no domínio do tempo é a técnica consolidada — e continuamente aperfeiçoada pela pesquisa recente em reflectometria nos domínios do tempo e da frequência [5][6][7] — para responder com agilidade à pergunta mais cara da manutenção de redes subterrâneas: onde escavar. Combinada à confirmação acústico-magnética e às boas práticas dos guias IEEE Std 400/400.2 e das normas IEC 60502-2 e IEC 60270, ela transforma a localização de falhas de um processo empírico e destrutivo em um procedimento de engenharia rápido, seguro e documentável.

O Sistema Detector de Falhas em Cabos HVEX reúne essa metodologia completa em um conjunto portátil, autônomo e de operação intuitiva, dimensionado para a realidade dos parques solares, usinas eólicas, concessionárias e indústrias brasileiras. Para conhecer o equipamento, acesse a página do produto e o datasheet completo em hvex.com.br, ou agende uma demonstração com nossa equipe técnica.

Referências

[1] CIGRÉ WG B1.10, Technical Brochure 815 – Update of service experience of HV underground and submarine cable systems, 2020. https://electra.cigre.org/312-october-2020/technical-brochures/update-of-service-experience-of-hv-underground-and-submarine-cable-systems.html

[2] IEEE Std 400-2012 e IEEE Std 400.2-2013, Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems. IEEE, Nova York.

[3] IEC 60502-2, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 6 kV up to 30 kV. IEC, Genebra.

[4] IEC 60270, High-voltage test techniques – Partial discharge measurements. IEC, Genebra.

[5] SHI, Q.; KANOUN, O. Detection and localization of cable faults by time and frequency domain measurements. IEEE International Conference on Systems, Signals and Devices, 2010. https://ieeexplore.ieee.org/document/5585506/

[6] Frequency Domain Reflectometry for Power Cable Defect Localization: A Comparative Study of FFT and IFFT Methods. Energies (MDPI), v. 18, n. 20, 5346, 2025. https://www.mdpi.com/1996-1073/18/20/5346

[7] Underground Power Cable Fault Detection and Localization Based on the Spectrum of Propagation Functions. IEEE Transactions (IEEE Xplore), 2024. https://ieeexplore.ieee.org/document/10663909/

[8] HVEX. Reflectômetro para detecção de falha em cabos blindados – página do produto e acervo de imagens. https://hvex.com.br/solutions/laboratorios-de-ensaio/reflectometro-para-deteccao-de-falha-em-cabos-blindados

[9] HVEX. Sistema Detector de Falhas em Cabos (Reflectômetro) – Datasheet técnico. https://space-website.nyc3.digitaloceanspaces.com/produtos-datasheet/1740062246287-Reflectometro_Detector_de_Falha_em_Cabo_Datasheet.pdf