Diapositiva 1 - Dipartimento di Ingegneria Industriale

Università degli studi di Padova
Dipartimento di ingegneria industriale
SCARICA IN VUOTO
Se la pressione, e quindi la densità, vengono ridotte a valori tali per
cui il libero cammino medio di un elettrone risulta molto maggiore
della distanza tra gli elettrodi, si è nella condizione di evitare, di fatto,
qualsiasi moltiplicazione di cariche per ionizzazione per urto.
In queste condizioni, da un punto di vista elettrico, si parla di vuoto,
anche se si è lontani dalla situazione di "assenza" di molecole tra gli
elettrodi; con una pressione di 10-4 mmHg, ad esempio, la densità è
dell'ordine di 1012 molecole/cm3 e il cammino libero medio risulta
dell'ordine dei metri.
A parte qualche caso anomalo, una ulteriore riduzione della pressione
non comporta miglioramenti nella tensione di tenuta.
n0 = 2.686x1019 cm−3
G.Pesavento
1
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• Emissione di raggi X
• Scarica mantenuta da vapori di metallo
•Tutti i fenomeni avvengono agli elettrodi
Evaporazione al catodo
Anche nel caso di una accurata lavorazione della superficie degli
elettrodi, esisteranno sempre delle microasperità sulle quali il
campo elettrico è molto più alto di quello medio. Per effetto di
emissione di campo queste asperità sono sedi di correnti che
possono portare al riscaldamento locale del materiale e, per
densità di corrente sufficienti, alla sua fusione o esplosione, con
conseguente evaporazione del metallo. Nei valori metallici prodotti
si sviluppano fenomeni di ionizzazione per urto che portano alla
scarica.
G.Pesavento
2
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Bombardamento dell'anodo
Elettroni emessi dal catodo, per emissione di campo in forma di fasci,
vengono accelerati e bombardano l'anodo con un'energia W=eV che
può essere sufficiente a causare vaporizzazione del materiale.
Effetto di agglomerati
Agglomerati di particelle, debolmente attaccati agli elettrodi, vengono
staccati dagli elettrodi dalle forze del campo e accelerati verso
l'elettrodo opposto dove, al loro arrivo, possono vaporizzare dando
origine ad un fenomeno analogo ai precedenti.
G.Pesavento
3
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Vk d
750
Gradiente di scarica (kV/cm)
kV
500
Tensione di scarica (kV)
250
0
0
1
2
3
4 d (cm)
Tensione e gradiente di scarica tra piani paralleli
G.Pesavento
4
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kV
70
Acciaio
60
50
40
Alluminio
30
20
Rame
10
0
0,0
G.Pesavento
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
d (mm)
5
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kV
80
kV
70
Impulso
40
60
30
50
AC
40
20
DC
30
20
10
10
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 d (mm)
0
0
10
20
Numero di scariche
G.Pesavento
Influenza del tipo di tensione
Effetto del condizionamento
6
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La scarica nei liquidi puri
I
(u.a.)
effetto di
campo
saturazione
G.Pesavento
0.4
Rigidità
(MV/cm)
Esano
1,1  1,3
Decano
1,8
Benzene
1,1
Oli minerali
ionica
0.2
Liquido
Siliconi
0.6
0.8
 1,0
1,0  1,2
E(MV/cm)
7
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I liquidi isolanti commerciali, usati abitualmente nelle apparecchiature,
non possono, come si è detto, essere sottoposti a trattamenti elaborati di
purificazione. La rigidità dielettrica viene a dipendere quindi più dalla
natura delle impurità presenti che da quella del liquido stesso; le impurità
che possono portare alla scarica degli isolanti commerciali possono
essere divise in categorie diverse:
- impurità che hanno una rigidità minore di quella del liquido; la scarica
locale delle impurità innesca quella totale dell'isolamento
- impurità che risultano instabili sotto l'azione del campo elettrico:
l'instabilità di queste impurità può condurre ad un ponte di bassa
resistenza fra gli elettrodi e quindi alla scarica completa;
- impurità che producono un innalzamento locale del campo elettrico, ad
esempio particelle conduttrici: se tale campo supera un valore critico si
può avere una scarica parziale che conduce successivamente alla scarica
G.Pesavento
totale del liquido.
8
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600
kV
cm
400
60
10-3 =40°
C
40
Ed
Ed
200
0
tg
20
0
0
20
40
60
80
100 10-6
v
Variazione della rigidità dielettrica e tg in olio per trasformatori al variare
del contenuto d’acqua
G.Pesavento
9
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Sequenza temporale della deformazione di un globulo d’acqua in un liquido
G.Pesavento
10
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Elettrodi normalizzati per la determinazione della
rigidità dell’olio – Dimensioni in mm
G.Pesavento
11
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Rigidità dielettrica
Rigidità intrinseca
Collasso elettromeccanico
Streamer
Collasso
termico
Tracciamento
Degrado chimico-fisico
Scariche parziali
log (t)
Riduzione della rigidità dielettrica secondo il meccanismo
che porta alla scarica
G.Pesavento
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Scarica streamer
Formazione di streamer a partire da una punta sottile
Sviluppo di successivi streamer formati a partire da una punta
metallica molto sottile immersa in perspex e sottoposta ad una serie
di 190 impulsi successivi di tensione di forma 1/30 s; la distanza
tra i cerchi successivi in figura è di 0,25 mm. Il tempo mediamente
necessario perchè gli streamer successivi, con tensione alternata,
attraversino tutto il gap varia da pochi secondi ad alcuni minuti.
G.Pesavento
13
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Fenomeni di questo tipo si possono originare anche in presenza
di zone di distacco tra l'elettrodo e il dielettrico
1
x
d1
2
A
d2
Zona di contatto tra elettrodi e provino
Elettrodi metallici
depositati sotto vuoto
a)
G.Pesavento
Provino
Provino
Elettrodi
Resina
epossidica
Isolante
b)
Disposizioni sperimentali per la determinazione della rigidità dielettrica
14
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Invecchiamento termo-chimico
I principali processi chimico-fisici che portano
all'invecchiamento possono essere così brevemente sintetizzati.
Ossidazione
Depolimerizzazione
Idrolisi
Plastificazione
Volatilizzazione
Incrinatura
G.Pesavento
15
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La temperatura ha l'effetto di regolare la velocità delle
reazioni chimiche che, come detto, promuovono la
degradazione di un isolante. In particolare si ha che la
velocità di reazione v è legata alla temperatura dalla
relazione di Arrhenius:
v = A exp (-W/KT)
dove W è l'energia di attivazione della reazione, K la
costante di Boltzman, T la temperatura assoluta ed A una
costante che dipende dal materiale e dal tipo di reazione.
Tale velocità va messa in relazione con la velocità di
degradazione, ossia con dP/dt dove P è il valore della
proprietà presa come indice di degradazione.
G.Pesavento
16
P(t)
P0
 exp(  Bt)
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dP

 BP,
dt
P(t)
 exp(  Bt)
P0
b 

 exp (at exp(  )
T 

P0
P
17
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tf
105
104
103
102
10
100
M
150
200
250
T
Curva di vita dovuta alla temperatura
G.Pesavento
18
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  x2 
1
y
exp 

2
 2 
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
x
1
2
3
4
5
  x  μ 2 
1
y
exp  

2
2σ 
σ 2π

G.Pesavento
19
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z
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,0000
0,0398
0,0793
0,1179
0,1554
0,0040
0,0438
0,0832
0,1217
0,1591
0,0080
0,0478
0,0871
0,1255
0,1628
0,0I20
0,0517
0,0910
0,1293
0,1664
0,0160
0,0557
0,0948
0,1331
0,1700
0,0199
0,0596
0,0987
0,1368
0,1736
0,0239
0,0636
0,1026
0,1406
0,1772
0,0279
0,0675
0,1064
0,1443
0,1808
0,0319
0,0714
0,1103
0,1480
0,1844
0,0359
0,0754
0,1141
0,1517
0,1879
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,1915
0,2258
0,2580
0,2881
0,3159
0,1950
0,2291
0,2612
0,1910
0,3186
0,1985
0,2324
0,2642
0,2939
0,3212
0,2019
0,2357
0,2673
0,2967
0,3238
0,2054
0,2389
0,2704
0,2996
0,3264
0,2088
0,2422
0,2734
0,3023
0,3289
0,2123
0,2454
0,2764
0,3051
0,3315
0,2157
0,2486
0,2794
0,3078
0,3340
0,2190
0,2518
0,2823
0,3106
0,3365
0,2224
0,2549
0,2852
0,3133
0,3389
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
0,3413
0,3643
0,3849
0,4032
0,4192
0,3438
0,3665
0,3869
0,4049
0,4207
0,3461
0,3686
0,3888
0,4066
0,4222
0,3485
0,3708
0,3907
0,4082
0,4236
0,3508
0,3729
0,3925
0,4099
0,4251
0,3531
0,3749
0,3944
0,4115
0,4265
0,3554
0,3170
0,3962
0,4131
0,4279
0,3577
0,3790
0,3980
0,4147
0,4292
0,3599
0,3810
0,3997
0,4162
0,4306
0,3621
0,3830
0,4015
0,4177
0,4319
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
0,4332
0,4452
0,4554
0,4641
0,4713
0,4345
0,4463
0,4564
0,4649
0,4719
0,4357
0,4474
0,4573
0,4656
0,4726
0,4370
0,4484
0,4582
0,4664
0,4732
0,4382
0,4495
0,4591
0,4671
0,4738
0,4394
0,4505
0,4599
0,4678
0,4744
0,4406
0,4515
0,4608
0,4686
0,4750
0,4418
0,4525
0,4616
0,4693
0,4756
0,4429
0,4535
0,4625
0,4699
0,4761
0,4441
0,4545
0,4633
0,4706
0,4767
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
0,4772
0,4821
0,4861
0,4893
0,4910
0,4778
0,4826
0,4864
0,4896
0,4920
0,4783
0,4830
0,4868
0,4898
0,4922
0,4788
0,4834
0,4871
0,4901
0,4927
0,4793
0,4838
0,4875
0,4904
0,4927
0,4798
0,4842
0,4878
0,4906
0,4929
0,4803
0,4846
0,4881
0,4909
0,4931
0,4808
0,4850
0,4884
0,4911
0,4932
0,4812
0,4854
0,4887
0,4913
0,4934
0,4817
0,4857
0,4890
0,4916
0,4936
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
0,4938
0,4953
0,4965
0,4974
0,4981
0,4940
0,4955
0,4966
0,4975
0,4982
0,4941
0,4956
0,4967
0,4976
0,4982
0,4943
0,4957
0,4968
0,4977
0,4983
0,4945
0,4959
0 4969
0,4977
0,4984
0,4946
0,4960
0,4970
0,4978
0,4984
0,4948
0,496l
0,4971
0,4979
0,4985
0,4949
0,4962
0,4972
0,4979
0,4985
0,4951
0,4963
0,4973
0,4980
0,4986
0,4952
0,4964
0,4974
0,4981
0,4986
G.Pesavento
20
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Dipartimento di ingegneria industriale
Metodo dei livelli multipli
•
N di impulsi di tensione con lo stesso valore di cresta e si stima la
probabilità di scarica.
• Riportando in grafico i valori della probabilità stimata in funzione del
valore di cresta della tensione applicata si possono interpolare i punti
ottenuti, ricavare P(V) ed arrivare alla determinazione della U50.
• Nell'ipotesi che P(V) derivi da un fissato tipo di distribuzione, si
potrà, ricorrendo all'uso di scale opportune, ad una semplice
interpolazione lineare
• E' normalmente sufficiente applicare la tensione da 10 a 20 volte
per ogni livello
• E’ conveniente avere già una stima della U50
G.Pesavento
21
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Dipartimento di ingegneria industriale
G.Pesavento
22
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Dipartimento di ingegneria industriale
Metodo "up and down"
Il metodo consiste nell'applicare un impulso di tensione e verificare se
si abbia scarica o no; se si ha la tenuta dell'isolamento la tensione
viene aumentata di una quantità costante e prefissata V, in caso di
scarica la tensione viene ridotta della stessa quantità. Rispetto al
metodo precedente c'è il vantaggio di non avere bisogno di una stima
troppo accurata di U50, in quanto ciò che viene a cambiare è solo il
numero di colpi di avvicinamento alla minima tensione di scarica
0,5 <ΔV/ σ<1,5
G.Pesavento
23
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xm = xo + ΔV (A/N ± 1/2)
s = 1,62 ΔV [(NB-A2)/N2 + 0,029]
xo  livello base;
n
A   knk ;
o
G.Pesavento
n
B  k 2 nk .
o
24
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G.Pesavento
25
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Distribuzione binomiale
Se di un oggetto si conosce la probabilità di scarica in
funzione della tensione e si vuole verificare che ad un determinato
livello corrisponde effettivamente il valore di probabilità P noto,
poiché l'esperimento viene condotto applicando un numero finito N
di impulsi, la frequenza di scarica n/N che si ottiene di solito non
corrisponde esattamente a P. Si può infatti dimostrare che
applicando N impulsi di tensione ad un livello cui corrisponde una
probabilità di scarica P, e quindi una probabilità di tenuta Q =1-P,
la probabilità P* di avere n scariche è data dalla seguente
espressione (distribuzione binomiale):
 
P* N,P,n   N P n Q Nn
n
G.Pesavento
26
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Pertanto, ad esempio, se il livello prescelto ha
P = 50%
e la prova prevede N = 20, si ottiene
l'istogramma di probabilità riportato in figura
p*%
15
10
5
10
G.Pesavento
20
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Prova perfetta
100
95
Probabilità di
passare la prova(%)
50
N =9
n=4
P = 50%
Misura dell’imperfezione
della prova
Sovradimensionamento
5

-2
Isolamenti sottodimensionati
0

2
Isolamenti sovradimensionati
Isolamento avente il
Proporzionamento richiesto
G.Pesavento
28
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1
P
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
3
0,3
4
0,2
2
1
0,1

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0
0,2 0,4 0,6 0,8
1
1 = Up-and-down con 30 impulsi
2 = Metodo 15/2
(15 impulsi con al massimo 2 scariche)
3 = Metodo 3/0
(3 impulsi – nessuna scarica)
4 = Metodo 5/0 - 5/1 + 10/0 (5 impulsi senza scariche – se si verifica una
G.Pesavento
scarica altri 10 impulsi senza scariche)
29