IDENTIFICAZIONE DI PATTERN DI SCARICHE PARZIALI VLF
G.Lupò, C.Petrarca
Dipartimento di Ing. Elettrica, Università di Napoli Federico II, Italy.
La misura delle scariche parziali è una tecnica di diagnostica non distruttiva delle
apparecchiature elettriche ed elettroniche che può consentire la valutazione dello stato di
invecchiamento di un componente ( es. cavo, interruttore, trasformatore ecc. ) o anche il
rilevamento di eventuali punti deboli in esso presenti, al fine di intervenire prima che si
verifichino danni irreversibili al sistema.
Particolarmente significativa può essere la prova di scariche parziali su cavi interrati in quanto
il fenomeno di deterioramento dell’ isolamento di un cavo può verificarsi sia durante l’
installazione che durante il servizio. Un test di collaudo dopo posa (after laying) ha lo scopo
di individuare eventuali danni dovuti al trasporto e all’installazione. L’installazione stessa può
introdurre ulteriori difetti quali tagli e sbavature nelle operazioni di giunzione e di montaggio
delle terminazioni. Bisogna poi tener conto degli stress di varia natura (elettrica, termica,
chimica) che il cavo subisce in servizio, i quali possono incrementare difetti tipici quali
cavità, vuoti, protrusioni, contaminanti conduttivi, in parte già presenti in un cavo nuovo.
Inoltre, nei cavi in isolante estruso può verificarsi il fenomeno del water treeing che
costituisce una via preferenziale al treeing elettrico.
Nelle prove on-site su cavi di media tensione, estremamente delicata risulta la scelta del tipo
di alimentazione da utilizzare, ricordando che questa deve essere tale da non indurre
interferenze e/o rumore nel circuito di rilevazione e che i livelli di tensione da utilizzare sono
considerevolmente più elevati delle tensioni nominali dei cavi sotto test.
La soluzione apparentemente più semplice consiste nello svolgimento di prove a frequenza
industriale (50/60 Hz). Tuttavia, un cavo in media tensione lungo alcune decine di km
costituisce un carico fortemente capacitivo e richiederebbe, pertanto, la generazione di elevate
potenze reattive, con la ovvia conseguenza che le apparecchiature necessarie sarebbero
pesanti, costose e difficilmente trasportabili. Le prove a tensione continua, invece, sono
altamente sconsigliabili soprattutto per i cavi in isolamento estruso perché l’inevitabile
separazione ed accumulo di carica spaziale nell’isolamento crea significativi innalzamenti
locali del campo elettrico che riducono in maniera sensibile la durata di vita del cavo una
volta che esso sia ritornato in esercizio
Tra le varie tecniche alternative attualmente in esame (circuiti risonanti serie, tensione
oscillante, ecc.), la possibilità di utilizzare un’alimentazione VLF (Very Low Frequency) a
frequenza 0.1 Hz sembra abbastanza promettente. Infatti, se per un cavo unipolare RG7H1R
da 35 mm lungo 10 km con Cp.u.l. =0.13 μF/km occorre, a 20 kV, una potenza reattiva Q50 di
circa 160 kvar, a alla frequenza di 0.1 Hz è invece necessaria una potenza reattiva Q0.1 che è
500 volte più bassa, pari cioè a circa 320 VAr, con conseguente riduzione delle dimensioni
del trasformatore di alimentazione e facilità nel trasporto e nell’utilizzazione.
Ovviamente, un misura di scariche parziali che utilizzi forme d’onda diversa da quella
sinusoidale a frequenza di rete, deve possedere due requisiti essenziali: essa deve essere
rappresentativa e selettiva. Da un lato, cioè, deve riprodurre le sollecitazioni elettriche tipiche
in un cavo in servizio e dall’altro deve essere in grado di classificare gli isolamenti adeguati,
quelli difettosi o quelli seriamente degradati e deve poter consentire di distinguere i vari
difetti nel componente. Inoltre, è necessario verificare che i risultati del test siano comparabili
a quelli a frequenza di rete, dei quali esiste attualmente una banca dati estremamente completa
ed affidabile.
A tal fine è stata intrapresa un’attività di ricerca con lo scopo di analizzare fenomeni di
scarica parziale in difetti tipici al variare della frequenza della tensione di alimentazione, Sulla
base di un modello fisico che prevede un criterio di scarica in cavità del tipo streamer, sono
stati riprodotti differenti pattern di scarica parziale, quali quelli riportati in Fig.1. Essi ben si
adattano ai risultati sperimentali presenti in letteratura e consentono di identificare l’influenza
di parametri significativi quali la conducibilità superficiale del dielettrico, la pressione del gas
contenuto nel difetto, la geometria elettrodica, le dimensioni del difetto, le caratteristiche
elettriche del dielettrico circostante.
-9
-9
PD pattern
x 10
8
6
6
4
4
2
2
carica [C]
carica [C]
8
0
-2
-4
-4
-8
-6
0.1 Hz
0
1
2
-9
8
3
4
fase [rad]
5
6
-8
7
8
6
6
4
4
2
2
0
-2
-4
-4
-6
1
2
3
4
fase [rad]
1
2
5
6
3
4
fase [rad]
5
7
6
7
PD pattern
x 10
200 Hz
-6
50 Hz
0
0
0
-2
-8
20 Hz
-9
PD pattern
x 10
carica [C]
carica [C]
0
-2
-6
PD pattern
x 10
-8
0
1
2
3
4
fase [rad]
Fig.1: Tipici pattern di scarica parziale per cavità sferica.
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6
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