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
