materiali e tecnologie elettriche materiali isolanti
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CORSO DI MATERIALI E TECNOLOGIE ELETTRICHE MATERIALI ISOLANTI Prof. Giovanni Lupò Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università di Napoli Federico II Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica – III anno – II semestre a.a. 2009/10 –VI‐ MATERIALI PER ISOLAMENTO ELETTRICO. ISOLAMENTI GASSOSI •aria • SF6 • azoto • miscele ‐ VUOTO ‐ ISOLAMENTI LIQUIDI • oli minerali • oli di sintesi – oli siliconici – esteri organici • gas liquidi (es. azoto) ‐ ISOLAMENTI SOLIDI CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 2 ISOLAMENTI SOLIDI • • • • • POLIMERI TERMOPLASTICI POLIMERI TERMOINDURENTI CARTA NATURALE E DI SINTESI ISOLAMENTI INORGANICI MATERIALI COMPOSITI CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 3 SOLLECITAZIONI NEI MATERIALI ISOLANTI campi elettrici relativamente elevati sollecitazioni termiche sollecitazioni meccaniche cicliche dovute: • dilatazione del rame e del ferro • vibrazioni dovute alla corrente periodiche o al moto delle parti in movimento • sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti deterioramento chimico esaltato dai valori relativamente elevati della temperatura CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 4 REQUISITI DEI MATERIALI ISOLANTI • Requisiti dielettrici: elevato campo critico, basse perdite dielettriche • Requisiti termici: buona conducibilità termica, buona resistenza al calore • Requisiti meccanici: resistenza agli sforzi, sufficiente elasticità, resistenza all’abrasione, adesione al rame ed ai metalli in genere • Requisiti chimici: elevata stabilità chimica, inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione • durata di vita elevata • fabbricabilità : i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento senza eccessive difficoltà o lunghi tempi di lavorazione e senza generazione di difetti • costi relativamente contenuti CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 5 PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE • σ, γ conducibilità intrinseca/estrinseca • εr=ε/εo permettività • tg δ fattore di perdita • Ecr campo critici (↔ rigidità dielettrica) CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 6 CONDUCIBILITÀ INTRINSECA NEI MATERIALI ISOLANTI σ (E, T ) = σ 0 e ⎛ W − aE ⎞ −⎜ o ⎟ ⎝ kT ⎠ (Wo energia di legame) CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 7 PERMETTIVITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI Modello “macroscopico” Momento elettrico di dipolo Vettore polarizzazione Suscettività dielettrica χ μ=qd (q carica del dipolo; d distanza tra i baricentri +/‐) P(=dμ/dτ) momento risultante di dipolo riferito al volume P=χE (E campo elettrico “macroscopico”; χ costante per i mezzi lineari) Vettore spostamento D nel vuoto definizione integrale ⎛ ⎞ ∫∫ D ⋅ n dS = ∑ qi ⎜⎜ = ∫∫∫ ρdv ⎟⎟ Σ ⎝ v ⎠ Definizione locale D=εo E (εo costante dielettrica del vuoto; D corrisponde alla densità di carica superficiale sull’elettrodo “prolungata” nel vuoto secondo i tubi di flusso di D) Vettore spostam. D nella materia D =εo E+P=( εo+χ )E= εo εr E (εr permettività ovvero costante diel. relativa del mezzo materiale) Le sorgenti di E sono tutte le cariche (libere e vincolate); le sorgenti di D sono le cariche libere, le sorgenti di P sono le cariche vincolate) divE = ρl + ρv D−P = div ⇒ divD = ρ l ; divP = − ρ v ε0 ε0 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 8 MECCANISMI DI POLARIZZAZIONE Polarizzazione elettronica Nell’atomo, in assenza di campo elettrico esterno, si può ritenere che il baricentro delle cariche negative (elettroni) coincida con il baricentro delle cariche positive (nucleo); quindi a riposo il momento di dipolo è nullo; in presenza di campo elettrico si ha una deformazione “elastica istantanea” dell’atomo stesso che assume un momento di dipolo dipendente dal campo, ma non dalla temperatura nè dalla frequenza della sollecitazione applicata (a meno di non considerare frequenze all’ultravioletto) Polarizzazione atomica In una molecola a struttura simmetrica (es CCl4), in assenza di campo elettrico esterno, si può ritenere che il baricentro degli ioni negativi coincida con il baricentro degli ioni negativi ( molecola non polare); quindi a riposo il momento di dipolo è nullo; in presenza di campo elettrico si ha una deformazione “elastica istantanea” della molecola, che assume un momento di dipolo dipendente dal campo, ma non dalla temperatura nè dalla frequenza della sollecitazione applicata (a meno di non considerare frequenze all’ultrarosso) Polarizzazione dipolare In una molecola a struttura dissimmetrica (es H2O), in assenza di campo elettrico esterno, si può ritenere che il baricentro degli ioni negativi non coincida con il baricentro degli ioni negativi ( molecola polare); quindi a riposo il momento del singolo dipolo non è nullo, ma è statisticamente compensato il momento risultante ; in presenza di campo elettrico si ha un orientamento della molecola, che assume un momento di dipolo dipendente dal campo, dalla temperatura nonchè dalla frequenza della sollecitazione applicata . Nel caso in cui, al cessare della sollecitazione elettrica, il materiale continuasse a presentare un momento dipolare significativo, esso viene compreso tra gli elettreti. Polarizzazione interfacciale accumulo di ioni sulle superfici di separazione tra materiali diversi nel caso di dielettrici non omogenei. Movimenti lenti rilevanti solo in casi statici o a bassissima frequenza CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 9 POLARIZZABILITA’ DELLE MOLECOLE campo microscopico EL agisce sulla singola molecola: si suppone che la molecola in campo uniforme occupi un volume sferico, rimuovendo il quale nasce una distribuzione superficiale prima “compensata” dalla molecola stessa, dσ = P cosθ⋅ 2 πr 2 sinθ⋅ dθ calcolando il campo dovuta a questa distribuzione si deduce che il campo della molecola dipolare vale E* = − come E L = E − E* = E + P e quindi il campo microscopico locale va valutato 3ε 0 P 3ε 0 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 10 FATTORE DI POLARIZZAZIONE α E L = E geom + E dipoli Campo locale Polarizzabilità (fattore di polarizzazione) α μ=α EL Componenti della polarizzabilità α=αe+αa+αd Vettore polarizzazione P=N μ=Nα EL=(ε‐ε0) E Il fattore di polarizzazione è legato al reale comportamento del materiale nel tempo, dipende da grandezze fisiche quali la temperatura, può avere carattere tensoriale. Polarizzazione elettronica : il fattore di polarizzazione dipende solo dalla dimensione dell’atomo e non dal numero atomico. α el = 4πε o R 3 Polarizzazione ionica: il fattore di polarizzazione dipende dalla energia di legame W α io (ne ) = 2 W Polarizzazione per orientamento: molecole con proprio momento di dipolo; nell’allineamento dei dipoli occorre tener conto dell’agitazione termica che contrasta gli effetti del campo locale α or = pm 3kT P = ∑ α i N i EL i Polarizzazione di diversi tipi ‐ Equazione di Clausius‐ Mossotti ε r −1 1 = ε r + 2 3ε o ∑α N i i i CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 11 COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA Sollecitazione sinusoidale Sfasamento tra P(t) e D(t) E (t ) = Eo cos ωt D (t ) = Do cos(ωt − ϕ ) = D1 cos ωt + D2 sin ωt D1 = ε ' Eo D2 = ε " Eo limω →0 ε " (ω ) = 0 limω →0 ε ' (ω ) = ε s limω →∞ ε ' (ω ) = ε ∞ & = ε E& + P& = ε& E& = (ε' − jε")E& D 0 Costante dielettrica complessa ε& = ε '− jε " CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 12 FATTORE DI PERDITA NEI MATERIALI ISOLANTI Perdite per isteresi dielettrica Potenza specifica P= Q cotg ϕ = Q tgδ (es. per un condensatore) ωε' 2 P Qtgδ ωCV tgδ = = = τ τ τ Perdita in presenza di conduzione p= S (Ed )2 tgδ d = ωε' E 2 tgδ = ωε" E 2 ⇔ ε" = ε' tgδ Sd ⎛σ ⎞ p = σE 2 + ωεE 2 tgδ = σE 2 + ωε" E 2 = ωE 2 ⎜ + ε" ⎟ = ε p ωE 2 ⎝ω ⎠ Costante dielettrica complessiva Fattore di perdita (globale) ε * = ε'− jε p σ ε p ω + ε" tgδ = = ε' ε' CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 13 DIPENDENZA DELLA COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA E DEL FATTORE DI PERDITA DALLA FREQUENZA Ad alta frequenza scompare il meccanismo di polarizzazione dipolare; pertanto P∞ = Pω→∞ = Pa + Pe = (ε ∞ − ε 0 )E Indicando con Psd il vettore polarizzazione legato al meccanismo di orientamento per bassissime frequenze, abbiamo Ps = Pω→0 = P∞ + Psd = (ε s − ε 0 )E Ad una frequenza generica avremo Pω = P∞ + Pd = (ε − ε 0 )E Pd = Pω − P∞ = (ε − ε ∞ )E In condizioni dinamiche generali, il meccanismo di polarizzazione può essere descritto da una relazione del tipo (ipotesi di Debye) dPd = da cui ε −ε & P& d = s ∞ E 1 + jωτ 1 (Psd − Pd (t) ) dt ⇒ jωτP& d = (ε s − ε ∞ )E& − P& d τ ε& = ε ∞ + εs − ε∞ 1 + jωτ ε' = ε ∞ + εs − ε∞ 1 + ω2 τ 2 ε" = εs − ε∞ ωτ 1 + ω2 τ 2 (equazioni di Debye) CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 14 DIPENDENZA DELLA COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA E DEL FATTORE DI PERDITA DALLA FREQUENZA La ε” ha un massimo per ωτ=1 . Anche il fattore di perdita può essere valutato in questo modo: ε' (ε − ε ∞ )ωτ tgδ = = s ε" ε s + ε ∞ ω 2 τ 2 esso presenta un massimo per ωτ = εs ε∞ Circuiti equivalenti : RC parallelo per le perdite per conduzione; RC serie per tener conto dell’isteresi dielettrica; più paralleli RC in serie per tener conto della polarizzazione interfacciale CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 15 LIVELLO D’ISOLAMENTO Il “livello d’isolamento” indica di solito le tensioni di prova da applicare all’isolamento del componente, senza il verificarsi di danni. • Il livello d’isolamento di solito è superiore (spesso molto superiore) al valore della tensione nominale, e questo perché: ‐ il dimensionamento dell’isolante deve tener conto delle sovratensioni, di lunga durata o transitorie, che possono sollecitare la macchina in particolari condizioni d’esercizio o per effetto di anomalie. ‐ è in relazione con l’affidabilità che si intende dare all’apparecchiatura: ‐ maggiore sicurezza → livello d’isolamento più alto ‐ occorre fissare una ragionevole soglia di tensione minima CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 16 LIVELLO D’ISOLAMENTO (ESEMPI) CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 17 SOVRATENSIONI TRANSITORIE • Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosferica fulminazione diretta fulminazione prossima o indiretta (sovratensioni indotte in linea) sono caratterizzate da livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono, la durata dei fenomeni è dell’ordine delle decine di μs (lightning surges) • Sovratensioni di origine interna al sistema o per manovra (switching surges): – messa in tensione di linee o trasformatori – ferrorisonanza – guasti a terra – interruzione di carichi induttivi o capacitivi; – variazioni di carico; – interruttori non perfettamente messi a punto; – funzionamento tipico o anomalo di alcuni componenti CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 18 SOVRATENSIONI STANDARD DI PROVA (APERIODICHE) V ( v(t ) = V0 e −α t − e − β t Vc ) Vc : valore di cresta tc : tempo alla cresta Vc / 2 t½ : tempo di dimezzamento tc t½ t La forma d’onda viene caratterizzata riportando il rapporto tc / t ½ e la polarità;ad esempio: onda 250/2500 [μs/ μs] , pol. pos., standard per switching surge (impulso lungo). Per sovratensioni atmosferiche (lightning surge ‐ impulso breve 1,2/50 [μs/ μs]), in genere disturbate da oscillazione sia intorno all’origine che sulla cresta, le Norme stabiliscono un modo convenzionale per valutare il tempo alla cresta (di fronte). CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 19 LIVELLO D’ISOLAMENTO CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE Categoria I : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 1 kV e 245 kV Vm (kV) Tensione di tenuta a impulso breve (kVc ) Tensione di tenuta a frequenza industriale (kV) 3,6 7,2 12 17,5 24 36 52 72,5 123 145 170 245 20 ‐ 40 40 – 60 60 – 75 – 95 75 – 95 95 – 125 145 – 170 250 325 450 – 550 550 – 650 650 – 750 850 – 950 – 1050 10 20 28 38 50 70 95 140 230 230 – 275 275 – 325 360 – 395 – 460 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 20 LIVELLO D’ISOLAMENTO CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE Categoria II : sistemi in cui la tensione più elevata per i componenti è compresa fra 300 kV e 765 kV Vm (kV) Tensione di tenuta fase‐ terra a impulso di manovra (kVc ) Tensione di tenuta fase‐ terra a impulso atmosferico (kVc ) 300 750 – 850 850 – 950 362 850‐ 950 950 – 1050 420 850 – 950 – 1050 1050 – 1175 – 1300 – 1425 525 950 – 1050 – 1175 1175 – 1300 – 1425 – 1550 765 1300 – 1425 – 1550 1675 – 1800 – 1950 – 2100 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 21 RIGIDITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI • • • • • • • • Campo critico (strength) Tensione di scarica ‐ Collasso Tipo di danno: parziale/totale Ripristino, tempi di ripristino Caratterizzazione in funzione del tipo di sollecitazione Caratterizzazione in funzione della durata della sollecitazione Caratterizzazione in funzione della distribuzione di campo Caratterizzazione in funzione delle condizioni di lavoro (temperatura, pressione, contaminazione) CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 22 ISOLANTI GASSOSI Gas Applicazioni Aria Linee aeree, isolamenti esterni di isolatori passanti, interruttori, TV e TA Gas elettronegativi (esafluoruro di zolfo SF6) Isolamenti interni di isolatori passanti, interruttori, TV capacitivi, blindosbarre Gli isolamenti gassosi in grandi volumi sono da considerarsi autoripristinanti (es. aria libera) CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 23 PROPRIETÀ DELL’ARIA VALORI MEDI DEI PARAMETRI DI CONDUZIONE ⎡V ⎤ E0 = E (h = 0) = 150 ⎢ ⎥ ⎣m⎦ ⎡S ⎤ σ = μ + n+ q+ + μ − n− q− = 2.310 −14 ⎢ ⎥ ⎣m⎦ ⎡ A⎤ J 0 = σE0 = 3.45 ⋅10 −12 ⎢ 2 ⎥ ⎣m ⎦ I earth = J 0 S earth = 3.45 ⋅ 4 ⋅ π ⋅ (6.3) = 1760 A 2 PERMETTIVITÀ DELL’ARIA ε=1,00059 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 24 CARATTERISTICA DI SCARICA la tensione di scarica (e quindi la rigidità dielettrica) è un parametro aleatorio e quindi necessita di un approccio statistico basato sulla determinazione della caratteristica di scarica che esprime la probabilità di scarica p(V) in funzione del valore di cresta della tensione applicata la caratteristica di scarica degli isolamenti in aria è molto bene approssimata dalla distribuzione cumulata di Gauss: V p (V ) = ∫ ϕ (V )dV −∞ ϕ (V ) = 1 e σ 2π 1 ⎛ V −V ⎞ − ⎜ 50 ⎟ 2⎝ σ ⎠ 2 V50 : tensione di scarica 50% ; s : dispersione quasi sempre è: σ = 2 – 3 % per gli impulsi atmosferici 5 – 6 % per gli impulsi di manovra CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 25 p (%) 99 pt : probabilità 98 di scarica accettata 93,5 Vt = f(pt) : tensione di tenuta 85 V50 : tensione di scarica 50% 69,5 50 30,5 15 6,5 2 1 Vt V50 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ V 26 DIPENDENZA DAL TIPO DI TENSIONE APPLICATA 3 V50 (MV) imp. atmosferici 2 imp. di manovra 1 d 0 0 5 10 d (m) 15 V50 in funzione della distanza con pol. positiva nella configurazione asta-piano CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 27 DIPENDENZA DAL TIPO DI TENSIONE APPLICATA Tensione di scarica (1‐4) e campo medio di scarica (5) in configurazione punta piano (punta positiva) in funzione della distanza interelettrodica e delle caratteristiche della tensione applicata: tensioni impulsive a fronte breve (1), tensioni continue (2), tensioni alternate a frequenza industriale (3), tensioni minime di scarica per impulsi a fronte lungo(4). CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 28 DIPENDENZA DALLA PRESSIONE – Legge di PASCHEN CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 29 LEGGE DI PASCHEN : MINIME TENSIONI DI SCARICA (pd)min [Torr cm] Gas Tensione min di scarica VSmin [V] Aria 0,55 352 Azoto 0,65 240 Idrogeno 1,05 230 Ossigeno 0,7 450 Esafluoruro di zolfo 0,26 507 Anidride carbonica 0,57 420 Neon 4,0 245 Elio 4,0 155 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 30 Tensione di scarica in aria STP Standard Internazionali Tensione di scarica in funzione del prodotto pressione‐distanza per l’aria come riportato negli standard internazionali – I pallini pieni rappresentano la legge di Schumann VS [kV ] = 6,72 p[bar ]d [cm ] + 24,4 pd CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 31 ESAFLUORURO DI ZOLFO SF6 F F F S F F La molecola dello SF6 è fortemente elettronegativa: cattura gli elettroni liberi, rallentando la formazione delle valanghe F elettroniche che sono il primo stadio del processo di scarica; ha eccellenti proprietà dielettriche; la sua rigidità, in condizioni comparabili e 2,5 – 3 volte quella dell’aria. Ad esempio con campo uniforme alla distanza d = 10 mm ed alla pressione di 1 bar si ha: aria Ecr = 3 kV/mm ; SF6 Ecr = 9 kV/mm CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 32 ISOLAMENTI IN ALTO VUOTO ‐1 Metallo Funzione di lavoro (eV) Ag 4.74 Al 2.98‐4.43 Cu 4.07‐4.7 Fe 3.91‐4.6 W 4.35‐4.6 Valori della barriera di potenziale per l’estrazione di elettroni dai metalli Emissone per effetto di campo CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 33 ISOLAMENTI IN ALTO VUOTO ‐2 Vs = k d a a ≅ 0.5 – Tensione di scarica in condizioni di alto vuoto (p<0.1 Pa) ELETTRODO TENSIONE DI SCARICA (kV) acciaio 122 acciaio inox 120 nichel 96 alluminio 41 rame 37 Tab. VI.2 Tensione di scarica; elettrodi di materiali diversi; d=1 mm CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 34 -• Fine MTE_06 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 35
