V - Corsi di Laurea a Distanza

ESERCITAZIONE 11
• INTRODURRE IL CONCETTO DI SCARICA IN UN MATERIALE ISOLANTE ELETTRICO.
• DESCRIVERE I MECCANISMI DELLA SCARICA NEGLI ISOLAMENTI GASSOSI E
LIQUIDI.
• TRATTARE I DIVERSI ASPETTI DELLA SCARICA NEI SOLIDI.
• DISCUTERE I FATTORI CHE INFLUENZANO LA RIGIDITÀ DIELETTRICA DI UN
ISOLAMENTO.
• PRESENTARE IL FENOMENO DELLE SCARICHE PARZIALI ED INTRODURRE
BREVEMENTE LE RELATIVE TECNICHE DI MISURA.
LA SCARICA NEI MATERIALI ISOLANTI
SCARICA IN UN MATERIALE ISOLANTE
Se si aumenta progressivamente il valore della tensione V e quindi del campo elettrico E applicati al
materiale isolante, si ha un progressivo aumento della conduzione. Superato un valore di soglia si
produce una scarica disruptiva vale a dire un improvviso annullarsi delle proprietà dielettriche del
materiale, che diventa praticamente conduttore.
Riferendosi ad una configurazione di campo uniforme e ad uno spessore "d" del dielettrico si ha il
campo di scarica:
ES = VS/d
spesso chiamato rigidità dielettrica del materiale (Fig. 11.1).
VS
d
Figura 11.1 - Scarica in un isolamento elettrico
Se terminata la scarica si ha il ripristino delle proprietà isolanti, il materiale si chiama
autoripristinante.
Il ripristino è possibile nei dielettrici fluidi (in particolare gassosi), anche se spesso con un
progressivo peggioramento delle qualità isolanti del materiale. Non è invece possibile nei dielettrici
solidi.
Possono verificarsi anche scariche parziali, che interessano cioè solo una parte dello spessore
dell’isolamento e che non provocano necessariamente scarica totale, pur danneggiando in generale
l’isolamento (Fig. 11.2).
108
La tensione di scarica Vs e quindi la rigidità dielettrica Es sono proprietà del materiale il cui valore
ha carattere non deterministico. La scarica infatti si verifica per la presenza di difetti (nei solidi) o di
particelle conduttrici (nei gas e nei liquidi), ciò porta quindi ad una distribuzione statistica dei valori
della tensione di scarica. Es è quindi rappresentato da un insieme di valori. Per la classificazione dei
materiali si assume, in generale, il valore medio di tale insieme. Per limitare il rischio di scarica, il
dimensionamento degli isolanti si effettua adottando valori di campo elettrico di servizio molto
inferiori al minimo di tale insieme.
V
d
Figura 11.2 - Scarica parziale in un isolamento elettrico
La tensione di scarica, a parità di distanza elettrodica, diminuisce tanto più quanto più aumenta la
disuniformità del campo elettrico. La rigidità dielettrica è definibile in campo uniforme oppure, con
altre configurazioni elettrodiche, solo in modo convenzionale.
SCARICA NEGLI ISOLANTI GASSOSI
PER DESCRIVERE LA SCARICA NEI GAS SONO STATI SVILUPPATI DIVERSI MODELLI
APPLICABILI A SECONDA DELLE DIVERSE CONFIGURAZIONI E DISTANZE
ELETTRODICHE. RIFERIAMOCI AL MODELLO DI TOWNSEND APPLICABILE CON
CAMPO COSTANTE NEL TEMPO, PER d< 10 mm.
Considerando la caratteristica V - I possiamo distinguere tre zone:
Zona I: la corrente è dovuta a cause esterne, base radioattiva o raggi cosmici che possono produrre
cariche elettriche libere. All’aumentare del campo applicato aumenta il numero delle cariche che
vengono raccolte dagli elettrodi (zona lineare).
I
I
II
III
V
Figura 11.3 - Caratteristica tensione - corrente per un isolamento gassoso
109
Zona II: in questa zona il campo elettrico è sufficientemente elevato da raccogliere sugli elettrodi
tutte le cariche generate da cause esterne, ma troppo basso da generare nel gas ionizzazione per
collisione. si ha quindi un tratto della caratteristica praticamente orizzontale.
Zona III: è la cosiddetta regione di Townsend, dove gli elettroni vengono sufficientemente accelerati
dal campo elettrico da produrre ionizzazione per collisione anelastica e quindi una valanga
elettronica a sua volta in grado di generare elettroni e valanghe secondarie che portano ad una
scarica totale.
CURVA DI PASCHEN
In campo uniforme è stata proposta e sperimentalmente verificata una relazione del tipo
VS = Kpd
con
d = distanza fra gli elettrodi
p = pressione del gas
In realtà si ha l’andamento riportato in fig.11.4, che solo per valori relativamente elevati del prodotto
pd può essere considerato lineare. Per qualsiasi tipo di gas la curva di Paschen mostra un minimo.
Per pressioni di alcuni bar si possono avere scostamenti dalla legge di Paschen dovuti alla rugosità
degli elettrodi.
Per un intervallo interelettrodico d, se, partendo da pressione atmosferica, si aumenta la pressione,
aumenta la densità, diminuisce il libero cammino medio, aumenta la probabilità di urto, ma
diminuisce l'energia conferita dal campo elettrico ad un elettrone. Diminuisce la probabilità di
ionizzazione ed aumentaVs.
A pressione molto bassa la densità del gas è modesta e benché il libero cammino medio sia elevato e
quindi l'energia conferita dal campo elettrico ad un elettrone sia elevata, la probabilità di urto è
modesta e la ionizzazione complessiva è molto limitata esVè elevata.
In situazioni di pressione e di densità intermedia si avrà` un minimo di
s. V
Come riferimento, in campo uniforme si ha con p = 1 bar e d = 10 mm:
ARIA
SF6
ES = 3 kV/mm
ES = 9 kV/mm
Ogni gas ha una sua diversa curva di Paschen. In campo non uniforme si ha una tensione di innesco
Vsi delle scariche parziali che possono condurre alla scarica totale o a fenomeni di effetto corona.
VS
pd
Figura 11.4 - Caratteristica tensione - corrente per un isolamento gassoso
110
SCARICA SU LUNGHE DISTANZE
Per d > 10 mm è necessario ammettere che la carica spaziale prodotta dalla valanga elettronica
produca distorsioni di campo tali da creare ulteriori valanghe in un processo cumulativo. Inoltre
possono crearsi ioni positivi (o negativi) più lenti degli elettroni. Ciò può portare alla formazione di
un canale di scaricae quindi alla scarica totale.
CAMPO APPLICATO
_
____
+ +_ _ _ _ _
+ + + + + + + + +_ _ _ _
++ _
_
+
Figura 11.5 - Caratteristica tensione - corrente per un isolamento gassoso
SCARICA NEGLI ISOLANTI LIQUIDI
Lo studio della scarica nei liquidi è particolarmente complesso. In liquidi molto puri si può adottare
un modello tipo quello dei gas. La presenza di fenomeni di elettrofluodinamica (microvortici dovuti
al campo elettrico) e la presenza di polarizzazione interfacciale contribuiscono, peraltro, ad
aumentare le difficoltà di studio dei fenomeni di scarica negli isolamenti liquidi.
Per liquidi di interesse tecnico non è possibile pensare di averli in servizio esenti da impurità, cosa
che è invece ragionevole ritenere per componenti blindati in gas. Perciò il principale fattore di
influenza su Es, nell'ambito delle applicazioni tecniche, è costituito dalla presenza inevitabile di
impurità solide o di bollicine gassose.
PRESENZA DI IMPURITÀ
Si possono avere gas disciolti nel liquido, bollicine di gas, particelle d'acqua, impurità solide isolanti
o conduttrici. La rigidità effettiva di un liquido è quindi un valore limite non raggiungibile non
essendo possibile eliminare le impurità, che sotto l'azione del campo elettrico, possono formare ponti
tra gli elettrodi, che fungono da vie preferenziali di scarica.
CONCENTRAZIONI LOCALI DI CAMPO ELETTRICO
La rugosità superficiale degli elettrodi implica la presenza di micropunte. Nelle immediate vicinanze
di queste micropunte il campo elettrico può essere fino a 100-200 volte maggiore che nelle regioni
normali. Si possono avere allora microscariche, che danno origine a bollicine o particelle solide per
decomposizione o vaporizzazione locale del liquido.
111
Le micropunte, inoltre, se viene superato il potere di estrazione degli elettrodi metallici, possono
fungere da microiniettori di elettroni.
La presenza di barriere solide anche porose può aumentare sensibilmente Vs, mentre la presenza di
acqua porta ad una sensibile riduzione della rigidità dielettrica e può produrre invecchiamento
accelerato.
LA SCARICA NEI SOLIDI
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•
•
SCARICA NEGLI ISOLANTI SOLIDI
FATTORI CHE CONTRIBUISCONO ALLA SCARICA NEGLI ISOLAMENTI SOLIDI:
PROCESSI DI RIMOZIONE E GENERAZIONE DI ELETTRONI.
RISCALDAMENTO DOVUTO ALLE CORRENTI DI PRESCARICA ED ALLE PERDITE
DIELETTRICHE.
AZIONI MECCANICHE PRODOTTE DALLE CARICHE SUL DIELETTRICO.
ARBORESCENZA (TREEING) CAUSATA DA:
– SCARICHE NELLA ZONA DEGLI ELETTRODI.
– SCARICHE IN VACUOLI GASSOSI.
– CONCENTRAZIONI DI CAMPO IN PICCOLE INCLUSIONI CONDUTTRICI O IN
CORRISPONDENZA DI BORDI TAGLIENTI DEGLI ELETTRODI.
REAZIONI ELETTROCHIMICHE CON L’AMBIENTE CIRCOSTANTE.
ANCHE SE TUTTI I FENOMENI ELENCATI SONO CONTEMPORANEAMENTE PRESENTI,
PARTICOLARI CONDIZIONI DI SERVIZIO POSSONO ESALTARNE ALCUNI A SCAPITO
DI ALTRI, PRODUCENDO TIPOLOGIE DI SCARICA DIVERSE FRA LORO E BEN
CARATTERIZZATE.
SCARICA TERMICA
È IL TIPO DI SCARICA PIÙ FREQUENTE NEI CASI PRATICI. SI PUÒ VERIFICARE PER
EFFETTO DEL RISCALDAMENTO DELL’ISOLAMENTO PER CONDUZIONE IN
CORRENTE CONTINUA. PER LE PERDITE PER POLARIZZAZIONE AGGIUNTE A
QUELLE PER CONDUZIONE IN CORRENTE ALTERNATA.
P
P = kθ
E > EC
E = EC
E < EC
P = γE2V
θ
Figura 11.6 - Scarica per instabilità termica
IN CORRENTE ALTERNATA IL RISCALDAMENTO DELL’ISOLAMENTO HA LE
SEGUENTI CAUSE PRINCIPALI:
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• PERDITE PER CONDUZIONE.
• PERDITE PER POLARIZZAZIONE, CHE IN GENERALE AUMENTANO CON LA
TEMPERATURA.
• SCARICHE PARZIALI INTERNE E SUPERFICIALI.
AL CRESCERE DEL CAMPO ELETTRICO E AUMENTANO LE PERDITE. AL DISOPRA DI
UN VALORE CRITICO Ec, A CUI CORRISPONDE UNA TEMPERATURA CRITICA qc, LE
PERDITE CRESCONO PIÙ RAPIDAMENTE DI QUANTO VENGANO SMALTITE, SI HA, IN
UNA ZONA LIMITATA DELL’ISOLAMENTO, INSTABILITÀ TERMICA E LA CREAZIONE
DI UN CANALE DI SCARICA.
All’aumentare dello spessore del dielettrico aumentano le perdite per unità di superficie da smaltire e
quindi diminuisce il campo critico. La rigidità dielettrica diminuisce mentre la tensione di scarica
aumenta meno che linearmente con lo spessore d.
P
EC
γ EC2Sd = kθC
Ec =
d
θC
θ
K1
d
Figura 11.7 - Influenza dello spessore sulla rigidità dielettrica
80
70
60
50
Ec (kV/mm)
40
Vs (kV)
30
20
10
0
0
2
4
6
Figura 11.8 - Rigidità dielettrica e tensione di scarica per una resina epossidica caricata con quarzo in
funzione dello spessore
È IMPORTANTE OSSERVARE CHE QUALUNQUE FENOMENO DI SCARICA, IN TUTTI I
TIPI DI ISOLAMENTO, È SEMPRE LOCALIZZATO IN UN VOLUME RISTRETTO DEL
MATERIALE DOVE SI REALIZZANO LE CONDIZIONI PER LA PERFORAZIONE
TEMPORANEA O PERMANENTE DELL’ISOLANTE.
113
RIGIDITÀ DIELETTRICA INTRINSECA
PER LO STABILIRSI DELL’INSTABILITÀ TERMICA OCCORRE UN CERTO TEMPO FRA
L’APPLICAZIONE DI E E LA SCARICA. IL VALORE TEORICO DI EC, PER TEMPI BREVI
(ms) RISULTA MOLTO SUPERIORE AL VALORE MISURATO. ENTRANO CIOÈ IN GIOCO
I PROCESSI DI RIMOZIONE E GENERAZIONE DI ELETTRONI (SCARICA ELETTRONICA
O INTRINSECA).
Ec (kV/mm)
1
VALORE TEORICO
2
VALORE MISURATO
1
2
t (s)
Figura 11.8 - Rigidità dielettrica in un solido in funzione del tempo di scarica
IL VALORE DELLA RIGIDITÀ DIELETTRICA DI UN MATERIALE ISOLANTE DOVUTO
SOLO A RIMOZIONE O GENERAZIONE DI ELETTRONI OTTENUTO PRESCINDENDO DA
ALTRI EFFETTI , SI CHIAMA RIGIDITÀ DIELETTRICA INTRINSECA E COSTITUISCE UN
VALORE LIMITE DIFFICILMENTE RAGGIUNGIBILE PER VIA SPERIMENTALE.
CONSIDERIAMO ORA I FATTORI CHE INFLUENZANO LA TENSIONE DI SCARICA (O LA
RIGIDITÀ DIELETTRICA) DI UN MATERIALE ISOLANTE.
FORMA DEGLI ELETTRODI
• La tensione di scarica dipende dalla configurazione del campo elettrico che si stabilisce nel mezzo
isolante.
• Tale configurazione è legata alla forma degli elettrodi che costituiscono le superfici equipotenziali
ai bordi dell’isolamento.
• La rigidità dielettrica è definibile solo in campo uniforme o con configurazioni elettrodiche
convenzionali.
Figura 11.9 - Configurazioni elettrodiche per prove rigidità dielettrica in un solido
114
TIPO DI TENSIONE APPLICATA
• TENSIONE CONTINUA:
– PRODUCE SOLLECITAZIONE MECCANICA DI COMPRESSIONE E POSSIBILI
FENOMENI ELETTROCHIMICI.
– SI HA RISCALDAMENTO PER CONDUZIONE
• TENSIONE IMPULSIVA:
– IN FUNZIONE DELLA DURATA, MINIMIZZA I FENOMENI DI INVECCHIAMENTO ED
IL RISCALDAMENTO DEL DIELETTRICO.
V (kV)
tf = 1,2 µ s
V max
tc = 50 µ s
tf
t
c
t ( µ s)
Figura 11.10 - Impulso di tensione normalizzato
V (kV) Vmax
tf
t
c
t (µs)
Figura 11.11 - Impulso di tensione troncato sul fronte di cresta
l TENSIONE ALTERNATIVA SINUSOIDALE:
– SI HANNO EFFETTI TERMICI CHE DIPENDONO DAL VALORE DI Tg d (IN
PARTICOLARE PER SOLIDI E LIQUIDI).
– RENDE MASSIMO L’EFFETTO DELLE SCARICHE PARZIALI E DEL TREEING.
– SI HA FATICA ELETTRICA CHE CRESCE, A PARITÀ DI TEMPO DI APPLICAZIONE
DELLA TENSIONE, AL CRESCERE DELLA FREQUENZA.
VA INOLTRE PUNTUALIZZATO L’EFFETTO DEL FATTORE TEMPO, CHE, SPECIE IN
A.C. PUÒ PORTARE A PERFORAZIONE DELL’ISOLAMENTO, ANCHE DOPO MIGLIAIA
DI ORE DI APPLICAZIONE DELLA TENSIONE, CON VALORI DI CAMPO ELETTRICO
MOLTO INFERIORI RISPETTO AI VALORI CHE PROVOCANO LA SCARICA
“ISTANTANEA”.
115
lnE
ES
lnt
Figura 11.12 - Campo di perforazione di un isolamento solido in funzione del tempo
TEMPERATURA
L’aumento della temperatura ha in generale l’effetto di aumentare le perdite nell’isolamento e
abbassare il livello della scarica termica. Fino a 50 - 60 °C può invece aumentare il livello di tensione
della scarica di origine elettronica, al disopra la tensione di scarica decresce rapidamente.
In generale le caratteristiche del materiale cambiano con la temperatura e ciò influisce sulla rigidità
dielettrica.
Le precedenti considerazioni portano a concludere che la misura della rigidità dielettrica è una prova
convenzionale per la quale bisogna fissare:
• Forma e posizione degli elettrodi.
• Tipo e modalità di applicazione della tensione di prova.
• Condizioni ambientali della prova.
• Condizioni dell’isolamento in prova.
SCARICHE PARZIALI ED ARBORESCENZA
SCARICHE PARZIALI
In presenza di inclusioni gassose, di delaminazioni nell’isolamento o di elettrodi con interspazi
gassosi possono verificarsi scariche parziali, che interessano cioè solo una parte dello spessore
dell’isolamento e che non provocano scarica totale, ma producono invecchiamento del materiale
isolante.
Il vacuolo o la lamina gassosa costituisce uno strato isolante in serie all’isolamento solido o liquido
con costante dielettrica praticamente pari ad 1 cioè inferiore a quella di qualunque isolante non
gassoso. Questo fatto unitamente al valore della rigidità dielettrica di solito inferiore per il gas,
rispetto ai liquidi ed ai solidi, porta alla scarica nell’interspazio gassoso.
116
V
d
V
V
d
d
Figura 11.13 - Esempi di scariche parziali interne
Figura 11.14 - Esempi di scariche parziali superficiali
a
V
b
c
c
V
Vc
a
b
Figura 11.15 - Schematizzazione di un isolamento con vacuolo
117
RELAZIONI PRINCIPALI RELATIVE ALLE SCARICHE PARZIALI
Cominciamo col determinare le capacità del sistema. La capacità
a"," "b" e "c" risultano:
S−s
D
s
b=ε
D−d
a=ε
c = ε0
s
d
in cui S rappresenta la sezione totale, s la seione del vacuolo, D la distanza totale tra gli elettrodi ed
infine d l'altezza del vacuolo. Dato che:
S ⟩⟩ s
ed anche:
D⟩⟩ d
si può scrivere:
S
a≅ε
D
s
b≅ε
D
e quindi:
a
S
≅ ε ⇒ a ⟩⟩ b
b
s
inoltre:
c ε0D
≅
⇒c ⟩ b
b εd
purchè ε ⟩ ε 0 e D ⟩⟩ d
La tensione di scarica ai capi del vacuolo (condensatorec")
" è data dal partitore di tensione:
Vc =
b
V
a+b
e dalle relazioni ottenute, essa risulta:
b
Vc ≈ V ⟨⟨ V
c
si osservi però che il campo nel vacuolo è maggiore che nel materiale dielettrico e sostituendo
l'espressione di "b" e "c" nell'equazione:
Vc ≈
εd
V
ε
ε
ε
V ⇒ Ec = c ≈
V=
ED=
E⟨ E
ε0D
d ε0D
ε0 D
ε0
dove E rappresenta il campo nel materiale dielettrico. Si è quindi determinato che nel vacuolo esiste
un campo maggiore, inoltre occorre osservare che nel vacuolo è presente l'aria che ha generalmente
rigidità dielettrica più bassa rispetto al materiale dielettrico.
118
In corrente alternata il numero delle scariche parziali nell’unità di tempo e quindi l’entità del danno
prodotto, dipende dalla frequenza di alimentazione.
In corrente continua la frequenza di ripetizione degli impulsi prodotti dalle scariche parziali dipende
dalla resistività delle pareti del vacuolo attraverso le quali si dissipa la carica trsferita dal singolo
impulso
v
Vc
+ ∆ Vc
- ∆ Vc
i
Figura 11.16 - Scariche parziali in corrente alternata
Fbt
Fat
campione
Cr
lato BT
lato AT
Zm
A
M
Figura 11.17 - Circuito per la rilevazione delle scariche parziali
ARBORESCENZA ELETTRICA
SE NELL’ISOLAMENTO SI HANNO LOCALIZZAZIONI DI CAMPI ELETTRICI
FORTEMENTE DIVERGENTI IN TALI ZONE PUÒ INIZIARE UN CANALE DI SCARICA
CHE, AL PERMANERE DELLA TENSIONE APPLICATA O PER SUCCESSIVE
APPLICAZIONI DI IMPULSI DI TENSIONE PUÒ SVILUPPARSI FINO ALLA SCARICA.
I MECCANISMI DI GENERAZIONE E SVILUPPO DELL’ARBORESCENZA ELETTRICA E
DELLA CONFIGURAZIONE DEI CANALI DI SCARICA VARIANO A SECONDA DEL
MATERIALE CHE PUÒ ESSERE LIQUIDO O SOLIDO, ED IN QUEST’ULTIMO CASO
TERMOPLASTICO, ELASTOMERICO O TERMOINDURENTE.
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