scariche parziali in corrente continua

SCARICHE PARZIALI IN CORRENTE CONTINUA
A. Imburgia, A. Madonia, P. Romano, G. Schettino, F. Viola
DEIM - Dipartimento di Energia, Ingegneria dell’Informazione e modelli Matematici, Università degli Studi di Palermo
Viale delle Scienze, Edificio 9, 90128 Palermo, [email protected]
Parole chiave: Partial discharge, DC stress, HVDC.
Il fenomeno delle scariche parziali definito dalla norma IEC 60270 come “scariche elettriche locali
che interessano solo una parte del dielettrico esistente tra due conduttori” è stato oggetto di studio
da parte di molti ricercatori in tutto il mondo. Considerando che i sistemi in alta tensione, sono
principalmente eserciti in corrente alternata (AC), il suddetto fenomeno è stato ben investigato con
questo tipo di sollecitazione. Oggi si assiste ad una trasformazione delle reti e molti dei sistemi di
trasmissione dell’energia elettrica vengono realizzati in corrente continua (DC) in virtù dei vantaggi
che questa comporta, per determinate applicazioni, rispetto alla corrente alternata [1]. Il fenomeno
delle scariche parziali è iniziato quindi ad essere studiato anche con sollecitazioni aventi forme
d’onda costanti nel tempo, ma i risultati non sono ancora oggi abbastanza soddisfacenti.
Lo studio del fenomeno delle scariche parziali in DC è stato affrontato a partire dalla conoscenza
del fenomeno in AC. Le scariche parziali, per entrambe le tipologie di alimentazione, si innescano
quando il gradiente di campo elettrico in corrispondenza del difetto supera il valore di rigidità
dielettrica del gas inglobato e in seguito al manifestarsi della disponibilità degli elettroni alla
scarica. La differenza tra il fenomeno di scarica in AC e in DC è dovuta essenzialmente alla forma
della tensione.
In DC, essendo il campo elettrico costante con linee di forza sempre nella stessa direzione, gli
elettroni si spostano sempre nello stesso verso. Ciò comporta che, in seguito ad una scarica parziale,
gli elettroni si portano sulla superficie anodica del difetto dando origine ad una distribuzione di
carica tale da ridurre il campo elettrico locale e quindi a far cessare l’attività di scarica. Affinché si
manifesti una successiva scarica parziale è necessario che sulla superficie catodica del difetto si
accumuli una certa quantità di carica tale da far innalzare nuovamente il campo elettrico a valori
superiori a quelli della rigidità dielettrica dell’aria. Per tale motivo, nel caso DC, trascorrerà un
tempo elevato tra una scarica e la successiva. In AC invece, il processo di scarica è molto più
intenso in quanto all’interno del difetto, nell’istante successivo alla scarica parziale, il campo
elettrico riprende a crescere seguendo la tensione di alimentazione. In tal modo, rispetto alla DC,
viene maggiormente soddisfatta la condizione di superamento della rigidità dielettrica da parte del
campo elettrico locale, ma anche la condizione di disponibilità degli elettroni, in quanto, non
appena si ha l’inversione di polarità della tensione applicata, le cariche intrappolate saranno subito
disponibili per l’emissione nel senso opposto, dando luogo ad una successiva scarica parziale.
La parte preliminare dello studio si è focalizzata sulla modellazione del fenomeno in AC attraverso
un modello realizzato in Simulink. Il modello descrive il comportamento delle scariche parziali nel
caso in cui una bolla d’aria sia presente all’interno di un dielettrico solido. È stata implementata sia
la condizione deterministica, ovvero, superamento della rigidità dielettrica da parte del campo
elettrico locale, che probabilistica la quale tiene anche conto della disponibilità degli elettroni alla
scarica [2, 3].
Il passo successivo è stato quello di modificare il modello sopradescritto al fine di simulare il
fenomeno delle scariche parziali in DC. Per tale scopo le modifiche sostanziali sono state effettuate
nella parte riguardante il sistema di alimentazione. Si è ritenuto opportuno passare in maniera
graduale dal caso di sollecitazione AC a quello DC alimentando il sistema inizialmente con un
raddrizzatore a singola semionda e successivamente con uno a doppia semionda. È stato inoltre
inserito un filtro capacitivo, a valle del raddrizzatore a singola semionda, al fine di avere una
tensione di alimentazione del sistema molto vicina al caso reale di una alimentazione in DC. I
risultati delle simulazioni, effettuate con una tensione di alimentazione pari a 25 kV, non si
discostano molto da quelli attesi, infatti, la quantità di scariche parziali si riduce nel passaggio da
alimentazione con raddrizzatore a doppia semionda (figura 1a) a quella con raddrizzatore a singola
semionda (figura 1b).
Fig. 1: Andamento della tensione applicata (in vede) e della tensione ai capi della cavità (in rosso); a) alimentazione
con raddrizzatore a doppia semionda, b) alimentazione con raddrizzatore a singola semionda.
Inserendo un filtro capacitivo a valle della sorgente di alimentazione, in modo tale da rendere
maggiormente costante la tensione applicata al provino in esame, è possibile notare, rispetto ai casi
precedenti, un ulteriore riduzione delle scariche parziali, figura 2.
Fig. 2: Andamento della tensione applicata (in vede) e della tensione ai capi della cavità (in rosso) mediante
alimentazione con filtro capacitivo
Gli andamenti delle tensioni di scarica confermano, come descritto precedentemente, che il tasso di
ripetitività delle scariche parziali con sollecitazione prossima al caso in DC risulta nettamente
inferiore rispetto a quello in AC.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
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Insulation”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 13, N. 6, pp. 35-47, 1997.
Di Silvestre, M. L.; Miceli, R; Romano P; Viola, F; "Simplified hybrid PD model in voids: Pattern validation,"
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Ala, G; Candela, R; Romano, P; Viola, F; "Simplified hybrid PD model in voids," Diagnostics for Electric
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