Sistemi isolanti

Costruzioni elettromeccaniche
a.a. 2003 -04
Sistemi isolanti
1 – dielettrici stratificati
2 – scariche parziali
3 – carta-olio
4 – isolatori passanti
1
Bozza – 21 Marzo 04
Dielettrici stratificati
Per dielettrico stratificato s’intende un sistema isolante formato dalla
sovrapposizione di N strati di materiali isolanti diversi o uguali fra loro
dk
Ek
Vk
V
k-esimo strato
ek ; Erk
Scopo del dimensionamento è assicurarsi che la sollecitazione dielettrica Ek di
ciascuno strato (k = 1,2,….,N) sia inferiore alla corrispondente rigidità
dielettrica Erk.
2
Distribuzione della tensione
facendo riferimento al seguente
circuito equivalente di un dielettrico
V
Ck
Rk
Vk
Ck  e k f ( g )
1
 Gk   f ( g )
Rk
Ek  Vk  Vk f (g )
deve essere Ek < Erk
3
Distribuzione di tensione resistiva e capacitiva
Xk 
Rk
1
 Ck
 0
X k  Rk
Vk  Rk
distribuzione resistiva
al variare della frequenza
si hanno due casi limite:

 
Rk  X k
Vk 
1
Ck
distribuzione capacitiva
• macchine in corrente continua
• cavi in tensione continua
SACOI (Sardegna-Corsica-Italia);
Gotland (Danimaraca-Svezia);
Cross Channel (attraversamento della manica);
………………
macchine ed apparecchiature
a 50 Hz o frequenze
superiori
4
Distribuzione capacitiva in campo uniforme
Q  CkVk  cost.
capacità in serie
Ck  e k
l
l
dk
Vk  Ek d k
CkVk  e k
V
dk
Ek
Ck
l
 Ek d k  l  e k Ek  cost.
dk
Vk
e k Ek  cost.
1
Vk 
Ck
;
Ek 
1
ek
N
;
V   k Vk
1
5
Distribuzione capacitiva in campo uniforme
Sistema isolante formato da due dielettrici diversi
1 mm
1
50 kV
2
2 mm
mat. 1: e1= 3 ; Er = 50 kV/mm
mat. 2: e2= 4 ; Er = 40 kV/mm
E1 e1  E2 e 2
E1d1  E2 d 2  V
E
(kV/mm)
20
18
E1 3  E2 4
16
2
E1 1  E2  2  50
14
12
1
10
E1  18,2 kV/mm  Er1
8
E2  13,6 kV/mm  Er 2
6
4
2
0
0
1
2
3
d (mm)
4
il sistema isolante funzione
correttamente
6
Distribuzione capacitiva in campo uniforme
Sistema isolante formato da due dielettrici diversi con interposto una strato d’aria
1 mm
1
mat. 1: e1= 3 ; Er=50 kV/mm
0,2 mm
50 kV
2 mm
mat. 2: e2= 4 ; Er=40 kV/mm
2
aria
: ea= 1 ; Er=2,4 kV/mm
E1 e1  E2 e 2  Eae a
E1d1  E2 d 2  Ea d a  V
E1  3  E2  4

 E1  3  Ea 1
 E 1  E  2  E  0,2  50
2
a
 1
50
E
(kV/mm)
40
aria
30
E1 = 14,92 kV/mm < Er1
20
E2 = 11,19 kV/mm < Er2
2
10
Ea = 44,78 kV/mm >> Era
1
0
1
2
3
d (mm)
4
7
1
nello strato di aria si ha:
50 kV
2
Ea = 44,78 kV/mm >> Era = 2,4 kV/mm
Il sistema isolante non
funziona
correttamente
perché si hanno scariche
nello strato d’aria
Il fenomeno è pericoloso per l’isolamento in
quanto può portare ad un progressivo
danneggiamento degli altri dielettrici solidi
Questo fenomeno si verifica perché:
• ea << e degli altri materiali
• Era << Er degli altri materiali
per essere efficiente un sistema isolante stratificato deve essere
composto con materiali di permettività e rigidità dielettrica simili
8
Cenni sulle scariche parziali
Per scarica parziale s’intende la scarica che avviene nei gas contenuti in occlusioni gassose
(vacuoli) contenute nella massa di un isolante solido.
Queste scariche, anche se non determinano il
completo cedimento del sistema isolante, sono
pericolose in quanto provocano, se ripetute, una
continua erosione dell’isolante (formazione di
arborescenze o treeing) che può portare in tempi più o
meno brevi, al collasso dell’intero isolamento
arborescenza
(treeing)
9
Scarica parziale: circuito equivalente del dielettrico
c
b
c
V
Va
V
Ca
Cc
a
Vi
tensione
d’innesco della
scarica nel gas
Cb
b
V
ea << eb
Ca << Cb
Va
Vi =f (Era)
Va > Vi anche con
V = tensione nominale
10
 la tensione d’innesco della scarica nel gas dipende dalla geometria della bolla di gas e dalla
rigidità dielettrica del gas stesso: Vi = f(Ear)
 poiché Ear è bassa, si hanno scariche in gas anche a tensioni uguali o inferiori a quella nominale;
si hanno quindi numerose scariche, tutte localizzate nello stesso punto (la bolla di gas), per ogni
periodo della tensione applicata
 le numerose scariche e la loro pressoché invariata localizzazione favoriscono il processo di
formazione di arborescenze (treeing)
Va in assenza
di scariche
Va
ia
+Vi
Va
Vi
ia
11
treeing nell’isolante di un cavo
punta metallica
Esempi di treeing in
isolanti polimerici
sollecitati con
tensione alternata
schermo semiconduttore del
cavo (bordo del conduttore)
0,1 mm
treeing in un sistema punta-piano
treeing nella massa dell’isolante
0,1 mm
10 m m
scansione al microscopio
elettronico di un canale di scarica 12
Danneggiamento dell’ avvolgimento di una macchina
rotante attribuibile alle scariche parziali
13
Probabilità di formazione delle scariche parziali
110
V5%
(kV)
100
V5% in funzione del tempo per l’isolamento fra spire
di un trasformatore
90
80
Vm
60
0
1
10
102
103
104
105
30 anni
73,3 giorni
70
48 min
 l’innesco delle scariche parziali e
l’evolversi del processo di treeing è comunque
un fenomeno aleatorio che deve essere valutato
su basi statistiche
 per ogni tensione V applicata al sistema
isolante può essere definita una probabilità p
di formazione delle scariche parziali
 nelle macchine elettriche viene presa in
considerazione la tensione V5% a cui si ha una
probalità di formazione delle scariche del 5%
 questa tensione diminuisce comunque nel
tempo per effetto dei processi di
deterioramento del materiale
106
107
t (min)
viene considerata come massima tensione d’esercizio Vm quella che dà una
probabilità di formazione del 5% dopo 30 anni (durata della vita operativa)
14
108
Sistema isolante carta-olio
Il sistema isolante carta-olio è quello più affidabile per le apparecchiature in alta ed
altissima tensione (trasformatori, isolatori passanti, cavi). Esso consiste in carta o
cartone di cellulosa pura accuratamente impregnata di olio isolante:
 la carta è un materiale molto poroso che contiene al suo interno aria e altri gas;
può avere quindi una bassa rigidità dielettrica;
 la scarica nell’olio è agevolata dai movimenti del fluido provocati anche dal
campo elettrico;
L’unione dei due materiali permette di avere prestazioni superiori a quelle dei singoli
componenti
 l’olio riempie le porosità e le cavità gassose della carta impedendo l’innesco
della scarica nei gas
 la carta agisce da barriera, impedendo i movimenti dell’olio che agevolano il
processo di scarica
15
Rigidità dielettrica del sistema carta-olio
Perché il sistema carta-olio funzioni è necessario che l’olio impregni bene la carta, e le
prestazioni sono maggiori quanto più accurato è il processo di impregnazione.
La rigidità dielettrica del sistema dipende quindi molto da
 le modalità (tempi, temperature, ecc.) del processo di impregnazione;
 il contenuto di gas e di umidità ancora presenti al termine di tale processo;
 la presenza di impurezze e di prodotti del deterioramento determinato dai processi
d’invecchiamento;
 la complessità del processo di scarica nei liquidi che risente dei movimenti
fluidodinamici provocati anche dal campo elettrico applicato.
 la forma d’onda della tensione applicata e dalla geometria degli elettrodi (molto
complessa in una macchina).
La rigidità dielettrica dipende quindi da fattori difficilmente valutabili ed i risultati
sperimentali hanno una notevole dispersione.
Per tutto questo è possibile dare solo valori indicativi che possono variare ampiamente
nei vari nei singoli casi particolari.
16
Tensione di scarica a 50 Hz (kVeff) per una isolamento carta-olio
50 Hz
(kVeff)
150
1/50
(kVc)
d
1/50
300

carta: fra piattine
50 Hz
100
200
• La tenuta all’impulso atmosferico è
superiore a quella a frequenza
industriale;
50
• le sovratensione atmosferiche hanno
però valore di cresta molto più elevato
100
• il dimensionamento dell’isolamento
è determinato dalle prove all’impulso
atmosferico
0
0
1
2
3
4
5
6
7
d (mm)
17
Effetto dell’umidità
L’umidità assorbita da un isolamento carta-olio:
 riduce la rigidità dielettrica
 riduce il tempo di vita operativa
 favorisce l’insorgere di scariche parziali
Er
(%)
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
Umidità (%)
Riduzione della rigidità dielettrica di un isolamento
carta-olio in funzione dell’umidità assorbita
18
Riduzione del tempo di vita dell’isolamento in carta-olio di un trasformatore in
funzione dell’umidità
Criterio di guasto: 50% della rottura a trazione della carta
tv
(anni)
50
40
30
20
10
1
2
3
4
5
6
Umidità percentuale per peso a secco (%)
19
 le impurità e le particelle sospese vengono eliminate con operazioni di filtraggio
 l’umidità viene ridotta con trattamenti di essicazione e degasificazione a caldo che si
possono prolungare per alcune settimane
 tuttavia una elevata temperatura provoca un processo di decomposizione della carta
che origina gas e acqua
 non è quindi pensabile di ottenere strutture isolanti completamente esenti da umidità o
gas, ma è solamente possibile ridurne il contenuto entro limiti ragionevoli
Prima della messa in servizio di un trasformatore, di solito debbono essere
verificate le seguenti condizioni relative all’olio presente nella cassa:
Contenuto totale d’acqua
10 p.p.m
Contenuto totale di gas
0,25%
Tensione di scarica (*)
50 kV
Particelle residue di diametro
10mm
(*) sfere ø = 10 mm, d = 2,5 mm
20
Isolamenti in carta per trasformatori
Film di carta (tipo Kraft)
Cartoni per l’isolamento di un avvolgimento
21
Trasformatori isolati in carta olio
Isolamento in carta di un trasformatore trifase - 1986
(prima dell’impregnazione con olio)
Inserimento della parte attiva isolata in
carta nella cassa dell’olio –
trasformatore da 8 MVA - 1922
22
Isolatori passanti
Sono apparecchiature che permettono ad un conduttore in tensione di attraversare una
parete, generalmente a potenziale di terra, per mettere in comunicazione due ambienti,
spesso diversi.
conduttore
in tensione
passante
isolamento
interno
isolamento esterno
(molto spesso in aria)
parete
23
Passanti per media tensione in resina epossidica
Isolamento interno
ed esterno in resina
24
Passanti in porcellana per bassa e media tensione
Isolamento interno
ed
esterno
in
porcellana
25
Isolatore passante per alta tensione in SF6
conduttore
isolamento
interno in SF6
isolamento esterno
in porcellana
26
In prima approssimazione (trascurando
l’effetto dei bordi) la sollecitazione
dielettrica può essere calcolata con un
campo a simmetria cilindrica
Sollecitazione dielettrica
Emax 
E
V
V
r1 ln r2 r1 
r2
r
r1
E(r)
materiale isolante
r1
E (r ) 
r2
V
r ln r2 r1 
27
r
Sollecitazione dielettrica massima in funzione del raggio del conduttore
Emax 
V
 f (r1 )
r1 ln r2 r1 
Emm
si ha un minimo per
Emm  f (r1min ) 
r1  r1min 
r2
2,71
V
V

r1min ln 2,71 r1min
Emm
0
0
r1min
r1
r2
28
Passanti per alta e altissima tensione
Passante per l’attraversamento di una parete 400 kV, 4000 A
isolamento esterno in porcellana - isolamento interno in carta-olio
29
Passanti a condensatore
isolamento esterno
in porcellana
distanza
d’isolamento in
aria
d
isolamento interno
30
Sollecitazione dielettrica
isolamento formato da N strati
E
un solo strato di
isolamento
• il materiale è sollecitato solo
r1
r1
r2
in prossimità del conduttore
r2
r2
V   Edr
r1
• il materiale è sollecitato
in maniera più uniforme;
• la sollecitazione massima
è minore
• a parità di dimensioni è
possibile applicare
tensione maggiore
una
V>V
r1
r2
31
r
Schema di un passante a
condensatore
isolamento
in aria
porcellana
V
Vi
li
conduttore
ri
ri+1
isolamento
in olio
i-esimo strato
strato di materiale
conduttore
cartocci
isolanti
obbiettivo:
Vi = cost.
ri
r
32
Sistema isolante formato da N strati tutti
dello stesso materiale di permettività e
Ei 
i-esimo strato
Vi 
Q
2 e li r
ri 1
 Ei (r )dr 
ri
r i+1
ri
; ri  r  ri 1
Q
2 e li
ri 1
ri
ln
obbiettivo del dimensionamento
li
Vi 
V
 cost.
N
1 ri 1
ln
 cost.
li
ri
33
1 ri 1
ln
 cost.
li
ri
ri 1 ri  d i
d

 1 i
ri
r1
ri
1  d
ln 1    cost.
li  ri 
2
facendo tutti gli strati dello
stesso identico spessore d
ri 1
d
 1
ri
ri
3
 d  d 1d  1d 
ln 1           
 ri  ri 2  ri  3  ri 
poiché è ri << d
 d d
ln 1   
 ri  ri
1 d
 cost.
li ri
li ri  cost.
34
isolamento
in aria
porcellana
li ri  cost.
li
conduttore
isolamento
in olio
strato di materiale
conduttore
cartocci
isolanti
ri
r
Passante per trasformatore (parte
immersa in olio)
35
Isolatori passanti in alta tensione
Isolatori passanti per 145 kV
Isolatori passanti per 380 kV
36
Isolatori passanti per altissima tensione
d
distanza di
isolamento in aria
(isolamento esterno)
37