Lez1_Materiali isolanti

Qualità richieste ai materiali isolanti
ottime qualità dielettriche
ottime qualità dielettriche
• elevata rigidità
• elevata rigidità
• basse perdite dielettriche
• basse perdite dielettriche
buone qualità termiche
buone qualità termiche
• buona conducibilità termica
• buona conducibilità termica
• buona resistenza al calore
• buona resistenza al calore
buone qualità meccaniche
buone qualità meccaniche
• resistenza agli sforzi
• resistenza agli sforzi
• sufficiente elasticità
• sufficiente elasticità
• resistenza all’abrasione
• resistenza all’abrasione
• adesione al rame
• adesione al rame
buone qualità chimiche
buone qualità chimiche
• elevata stabilità chimica
• elevata stabilità chimica
• inattaccabilità dai prodotti
• inattaccabilità dai prodotti
della ionizzazione
della ionizzazione
tempo di vita elevato
tempo di vita elevato
fabbricabilità
fabbricabilità
• i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento
• i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento
senza eccessive difficoltà o tempi di lavorazione
senza eccessive difficoltà o tempi di lavorazione
• debbono consentire la realizzazione dell’isolamento senza vuoti interni ed
• debbono consentire la realizzazione dell’isolamento senza vuoti interni ed
aderente al rame anche nelle parti curve
aderente al rame anche nelle parti curve
costo accettabile
costo accettabile
3
Livelli di tensione normalizzati per componenti in sistemi di I categoria
Vm (kV)
Tensione di tenuta a
impulso (kVc )
Tensione di tenuta a frequenza
industriale (kV)
3,6
20 - 40
10
7,2
40 – 60
20
12
60 – 75 – 95
28
17,5
75 – 95
38
24
95 – 125
50
36
145 – 170
70
52
250
95
72,5
325
140
123
450 – 550
230
145
550 – 650
230 – 275
170
650 – 750
275 – 325
245
850 – 950 – 1050
360 – 395 – 460
Per impulso s’intende una tensione impulsiva del tipo 1/50 µs
18
Livelli di tensione normalizzati per componenti in sistemi di II categoria
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
19
Caratteristiche dielettriche di un materiale isolante
rigidità dielettrica Er [V/m]
permettività ε = εrε0 [F/m] (ε0 = 8,86·10-12 F/m)
fattore di perdita tanδ
La rigidità dielettrica è essenzialmente un parametro aleatorio la
cui determinazione, che deve essere fatta su base statistica,
presenta una elevata dispersione. Essa inoltre dipende da numerosi
fattori:
I
V
• forma d’onda e durata della tensione applicata
V
• geometria dell’isolante e degli elettrodi
• caratteristiche fisico-chimiche del materiale
• presenza di impurità nel materiale (umidità, gas, residui ecc.)
I
δ
• sollecitazioni termiche e meccaniche applicate al materiale
21
Isolanti
Isolantigassosi
gassosi
Tra gli isolanti gassosi impiegati nell’industria elettrica i più
importante sono certamente i seguenti:
Gas
Applicazioni
Aria
Linee aerere, isolamenti esterni di
isolatori passani, interruttori, TV
e TA
Gas elettronegativi
(esafluoruro di zolfo SF6)
Isolamenti interni di isolatori
passanti,
interruttori,
TV
capacitivi, blindosbarre
Possiamo citare anche l’idrogeno impiegato come fluido di
raffreddamento in macchine sincrone di grande potenza
22
Isolamenti autoripristinanti
InIn teoria
teoria gli
gli isolamenti
isolamenti gassosi
gassosi sono
sono autoripristinanti,
autoripristinanti, nel
nel senso
senso che
che
riacquistano
riacquistanoleleloro
loroproprietà
proprietàdielettriche
dielettrichedopo
dopoche
chesisisia
siaverificata
verificatauna
unascarica
scarica
elettrica.
elettrica.
Questa
Questaloro
loroproprietà
proprietàderiva
derivadal
dalfatto
fattoche
chelelemolecole
molecoledeteriorate
deterioratedal
dalprocesso
processo
didiscarica
scarica(particelle
(particelleionizzate,
ionizzate,alterate
alteratechimicamente,
chimicamente,ecc.)
ecc.)vengono,
vengono,per
pereffetto
effetto
dei
moti
interni
del
gas,
rapidamente
sostituite
dalle
molecole
circostanti
dei moti interni del gas, rapidamente sostituite dalle molecole circostantinon
non
alterate.
alterate.
Questo
Questo processo
processo didi ripristino
ripristino viene
viene ostacolato
ostacolato quando
quandoililgas,
gas,ininquantità
quantità
limitata,
è
contenuto
in
un
ambiente
chiuso
(cassoni
di
rivestimento
di
macchine
limitata, è contenuto in un ambiente chiuso (cassoni di rivestimento di macchine
elettriche,
elettriche,interruttori,
interruttori,blindosbarre,
blindosbarre,ecc.).
ecc.).
quindi
quindi l’unico
l’unico isolante
isolante gassoso
gassoso realmente
realmente autoripristinante
autoripristinante èè l’aria,
l’aria, che
che
costituisce
l’isolamento
verso
terra
e
fra
le
fasi,
sia
di
bassa
che
di
altissima
costituisce l’isolamento verso terra e fra le fasi, sia di bassa che di altissima
tensione,
tensione,delle
dellelinee
lineeaeree
aereeeedelle
dellesbarre
sbarredidicentrali
centralieesottostazioni
sottostazionielettriche,
elettriche,eedidi
alcune
alcuneparti
partidelle
dellemacchine
macchineededapparecchiature
apparecchiatureelettriche.
elettriche.
23
Esempi di isolamenti in aria
isolamento fre le fasi
isolamento verso
terra
24
Esafluoruro di zolfo SF6
F
F
F
F
S
F
La molecola dello SF6 è fortemente
elettronegativa: cattura gli elettroni
liberi, rallentando la formazione delle
valanghe elettroniche che sono il primo
stadio del processo di scarica.
F
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 Er = 3 kV/mm ; SF6 Er = 9 kV/mm
è un ottimo agente di estinzione dell’arco elettrico, e la sua efficacia può essere
valutata in 10 volte quella dell’aria
30
Caratteristiche dell’esafluoruro di zolfo e campi d’impiego
caratteristiche
caratteristiche
hahauna
unabuona
buonaconducibilità
conducibilitàtermica
termicaeded
una
unaeccellente
eccellentestabilità
stabilitàtermica
termica
èèinodore,
inodore,incolore
incoloreeenon
nontossico
tossicoeenon
non
provoca
effetti
fisiologici
specifici
(in
provoca effetti fisiologici specifici (in
ambienti
ambientisaturi
saturididiSF6
SF6può
puòverificarsi
verificarsiuna
una
carenza
di
ossigeno)
carenza di ossigeno)
applicazioni
applicazioni
interruttori
interruttori
isolatori
isolatoripassanti
passanti
blindosbarre
blindosbarre
TV
TVcapacitivi
capacitivi
apparecchiature
apparecchiatureelettroniche
elettroniche
i isottoprodotti
sottoprodottidella
dellasua
suadecomposizione
decomposizione
(in
(inparticolare
particolarel’acido
l’acidofluoridrico)
fluoridrico)possono
possono
essere
dannosi
per
le
apparecchiature,
essere dannosi per le apparecchiature,per
per
cui
necessita
di
opportune
precauzioni
cui necessita di opportune precauzioni
poiché
poichéèèutilizzato
utilizzatoinincontenitori
contenitorichiusi,
chiusi,
lala scarica
elettrica
porta
ad
scarica elettrica porta ad un
un
deterioramento
delle
sue
qualità
deterioramento
delle
sue
qualità
dielettriche
dielettriche che
che può
può essere
essere limitato
limitato con
con
opportuni
trattamenti
opportuni trattamenti
31
Apparecchiatura in SF6
Interruttore trifase
per alta tensione
TV capacitivo per
alta tensione
blindosbarre
32
Stazione blindata a 145 kV con isolamento in SF6
33
Isolanti
Isolantiliquidi
liquidi
Gli isolanti liquidi utilizzati nelle macchine ed apparecchiature elettriche sono
essenzialmente degli oli, di diversa origine e composizione:
Oli minerali, derivati del petrolio
Idrocarburi di sintesi
Oli siliconici
Esteri organici
L’olio
L’olioisolante,
isolante,ininunione
unionecon
conlalacarta
carta(cellulosa
(cellulosapura),
pura),costituisce
costituisceililsistema
sistema
isolante
(carta-olio)
principale
per
apparecchiature
di
grande
potenza
ed
isolante (carta-olio) principale per apparecchiature di grande potenza edininalta
alta
tensione,
quali
trasformatori,
isolatori
passanti,
cavi,
condensatori.
tensione, quali trasformatori, isolatori passanti, cavi, condensatori.
34
Qualità richieste ad un olio isolante
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
Rigidità
Rigiditàdielettrica
dielettricaeeresistività
resistivitàdidimassa
massaelevate.
elevate.
Basse
Basseperdite
perditedielettriche.
dielettriche.
Elevata
Elevataoobassa
bassacostante
costantedielettrica.
dielettrica.
Conducibilità
Conducibilitàtermica
termicaeecalore
calorespecifico
specificoelevati.
elevati.
Stabilità
Stabilitàchimica
chimicaeebuon
buonassorbimento
assorbimentodei
deigas.
gas.
Bassa
Bassaviscosità
viscositàaabassa
bassatemperatura.
temperatura.
Bassa
Bassavolatilità
volatilitàededelevato
elevatopunto
puntodidiaccensione.
accensione.
Basso
Bassopotere
poteresolvente
solventeeebassa
bassadensità.
densità.
Buone
Buonecapacità
capacitàdidiestinzione
estinzionedell’arco.
dell’arco.
Bassa
Bassaattitudine
attitudineaaformare
formaregas
gas(gassing).
(gassing).
Non
Noninfiammabile,
infiammabile,non
nontossico.
tossico.
Basso
Bassoimpatto
impattoambientale.
ambientale.
Economico
Economicoeefacilmente
facilmentereperibile
reperibile. .
35
Applicazioni e relative caratteristiche da prendere in considerazione
Applicazione
Caratteristiche importanti
trasformatori
stabilità chimica, calore specifico,
resistenza al fuoco
passanti
caratteristiche dielettriche, gassing, bassa
permettività
cavi
caratteristiche dielettriche, gassing, bassa
permettività, bassa viscosità
condensatori
caratteristiche dielettriche, stabilità
termica, gassing, alta permettività
interruttori
formazione di carbone, resistenza
all’arco
apparati elettronici
resistenza al fuoco, caratteristiche
dielettriche e termiche
36
Effetto delle impurezze nell’olio per trasformatori
Le caratteristiche dielettriche di un olio fluido dipendono in larga misura dal
contenuto di impurità (difficilmente valutabile in esercizio) soprattutto quando
presenti sotto forma di gas o umidità
in particolare la presenza di acqua, quando presente in discreta quantità (superiore
a 20 p.p.pm.) può ridurre considerevolmente la rigidità dielettrica dell’olio
Rigidità dielettrica di un olio minerale in funzione del contenuto di acqua
100
Er (%)
valori massimi
80
60
valori minimi
40
20
0
0
10
20
30
40
50
Acqua nell’olio (p.p.m.)
60
70
80
43
Umidità contenuta in un olio minerale in funzione
dell’umidità dell’aria con cui è a contatto
320
Contenuto d’acqua (p.p.m.)
280
temperatura
dell’olio
È quindi evidente che:
80 °C
bisogna evitare che l’olio
isolante venga a contatto con
l’aria
240
200
160
occorre effettuare un accurato
procedimento di degasificazione
ed essiccazione dell’olio prima
della messa in servizio della
macchina
60 °C
120
80
40 °C
80
25 °C
0
20
30
40
50
60
70
80
Umidità relativa dell’aria (%) a 25°C
44
L’olio isolante è comunque un materiale ad alto rischio d’incendio, per cui e necessario
adottare opportune precauzioni, soprattutto quando in elevata quantità, come ad es. nei grossi
trasformatori
vasca di
contenimento
dell’olio
46
47
Isolanti
Isolantisolidi
solidi
Gli isolanti solidi hanno una vastissima applicazione nell’industria elettrica ed elettronica, sia
in bassa che in alta tensione; nella tabella che segue sono indicate alcune di queste applicazioni:
Materiale
Applicazioni
Carta e cartoni di cellulosa
Trasformatori, condensatori, TV, TA, isolatori
passanti (*)
Gomme naturali e sintetiche
Cavi, macchine elettriche
Materiali polimerici (film sottili,
Macchine
rotanti,
trasformatori,
pressofusioni, materiali estrusi, resine,
apparecchiature elettroniche, accessori
vernici, smalti)
cavi,
Materiali impregnati
Macchine elettriche, condensatori
Materiali inorganici (mica)
Macchine rotanti
Porcellane
Isolatori portanti, isolamento esterno di passanti,
TV, TA, interruttori ecc
Vetro
Isolatori per linee aeree
(*) - La carta di cellulosa viene di solito utilizzata impregnata con l’olio isolante; il sistema
composito carta-olio [vedi “Sistemi isolanti”] è l’isolamento utilizzato per le apparecchiature in
alta ed altissima tensione (trasformatori, cavi, ecc.)
48
Caratteristiche dielettriche
hanno una rigidità elettrica molto elevata, fino ad oltre 200 kV/mm, il che
permette di ridurre le dimensioni del sistema isolante
hanno una permettività compresa fra 1,5 ÷ 2,5 (materiali non polari) ad oltre 6
(materiali polari)
Valori tipici di alcuni materiali isolanti solidi
εr
Er (kV/mm)
Carta di cellulosa secca
1,6 ÷ 2
7 ÷30
Carta aramidica secca
2 ÷ 2,5
20 ÷ 25
Gomme (naturali e sintetiche)
3 ÷ 4,5
15 ÷ 25
2,2 ÷ 2,5
120 ÷ 140
Resine sintetiche
3÷4
10 ÷ 40
Smalti
3÷4
50 ÷ 100
4,5 ÷ 6
20 ÷ 38
≥ 4,5
30 ÷120
materiale
Materiali polimerici
Porcellana
Vetro
49
Classe termica
Quando la massima temperatura di funzionamento non sia determinata sulla base
di una curva di vita termica determinata con prove d’invecchiamento accelerato, si
fa riferimento alla classe termica (detta a volte classe d’isolamento) del materiale
isolante stabilita dalle Norme IEC;
Temperatura massima ammissibile in regime permanente Tm
Classe IEC
Y
A
E
B
F
H
200
220
250
Tm (°C)
90
105
120
130
155
180
200
220
250
Pubblicazione IEC 58, 1984
I valori di temperatura indicati sono desunti dall’esperienza dei progettisti, in base
alla quale si può ottenere una durata di vita operativa soddisfacente quando
l’isolante sia sollecitato da una temperatura T ≤ Tm .
54
Isolamenti in porcellana
Apparecchiature con isolamento esterno
porcellana (TA, TV, passanti, interruttori)
Porcellane per l’isolamento esterno
di apparecchiature in alta tensione
57
in
Linea aerea 220 kV con isolatori di sospensione in vetro
58
Isolatori in vetro temprato
Isolatore di sospensione tipo
“cappa e perno”
Isolatore portante
59
Materiali polimerici
I materiali polimerici hanno un larghissimo impiego come isolanti nelle
apparecchiature e nelle macchine sia in bassa che in alta tensione.
(per le macchine in alta o altissima tensione il materiale isolante che offre maggiori
garanzie è ancora il sistema carta-olio)
Il loro largo impiego è motivato da:
ottime caratteristiche dielettriche e termiche (il PTFE è un isolante in classe
250 e i poliammidi (nylon) in classe H; questi ultimi vengono utilizzati anche
come tessuti antifiamma)
basso costo
ottime caratteristiche di lavorabilità:
• i materiali termoplastici diventano plasmabili al crescere della temperatura;
sono quindi lavorabili a caldo per stampaggio, estrusione, ecc.
• i polimeri termoindurenti devono essere modellati nella loro forma
definitiva prima del processo di polimerizzazione; dopo non è possibile
modificarne la forma agendo sulla sola temperatura.
60
Caratteristiche termiche di un isolante polimerico
Per un materiale isolante polimerico sono importanti alcune temperature:
per l’esercizio:
• temperatura massima ammissibile (classe termica)
• temperatura di transizione vetrosa Tg
Per T > Tg il polimero è plastico ; per T < Tg il polimero
diventa duro e fragile, inadatto a sopportare gli sforzi meccanici
che derivano, ad es., da brusche variazioni di carico
per la lavorabilità:
• temperatura di fusione Tf
• temperatura di rammollimento Tram
61
Sigle Iso per i materiali polimerici
i materiali polimerici sono commercializzati con denominazioni create dai
produttori: quindi si hanno diverse denominazioni commerciali per lo stesso
prodotto.
per individuare un prodotto senza equivoci è necessario utilizzare la
denominazione chimica, che di solito è complessa
in ambito internazionale (ISO: International Standard Organization) sono
state definite delle sigle, di utilizzo comune, che permettono di individuare un
prodotto con certezza
Esempio:
• denominazione chimica: polimetilmetacrilato
• sigla ISO: PMMA
• nomi commerciali: Plexiglass, Vedril, ecc.
62
Sigle ISO e caratteristiche termiche per alcuni materiali isolanti polimerici
Polimero
sigla
ISO
Resina epossidica
EP
Poliammide
PA
Tg (°C)
Tf (°C)
termoindurente
Poliesametileneadipammide
(nylon 66)
PA66
50
280
termoplastico
Policaprammide (nylon 6)
PA6
40
215
termoplastico
PE
− 130 ÷ − 80
137
termoplastico
PET
74
265
termoplastico
XLPE
− 40
PP
− 17
174
termoplastico
Politetrafluoroetilene
PTFE
− 73
335
termoplastico
Polimetilmetacrilato
PMMA
120
amorfo
termoplastico
PVC
≈ 84
90% amorfo
termoplastico
Policarbonato
PC
150
amorfo
termoindurente
(reticolato)
Polistirene (polistirolo)
PS
Polietilene
Polietilene teraftalato
Polietilene a bassa densità
Polipropilene
Polivinilcloruro
Poliuretano
termoplastico
PUR
63
Avvolgimenti di trasformatori isolati in resina epossidica - EP
resina epossidica (EP)
film in
poliammide (PA)
alluminio
64
Avvolgimenti isolati in
poliammidi - PA
film di carta
poliammidica
65
Smalti isolanti
Caratteristiche di un filo di rame smaltato
Proprietà
Valore
garantito
Diametro esterno (IEC)
≤ 0,544 mm
Allungamento a rottura
≥ 25 %
Conducibilità elettrica
58,5
m/Ωmm2
Smalto
PUR
Tensione di perforazione
≥ 2,4 kV
Classe termica
180 (H)
Temperatura di rammollimento
≥ 230 °C
saldabilità
Avvolgimento di rotore in filo di rame samltato di
un motore asincrono di piccola potenza
390 °C
66
Cavi isolati in polietilene
conduttore in
alluminio
conduttore in
alluminio
PE
XLPE
Cavo sottomarino per 400 kV
isolato in XLPE
Cavo isolato in PE per 245 kV
67
Politetrafluoroetilene - PTFE
F
F
C
PTFE
Supporti per circuiti stampati
PTFE
Isolatore portante per esterno con
alette in PTFE (utilizzati ad es.
nelle FS)
PTFE
Connettori BNC
68