1 1 – Caratteristiche di un materiale isolanteCaratteristiche di un materiale isolante 2 –...
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1
1 – Caratteristiche di un materiale isolante
2 – Isolanti gassosi
3 – Isolanti liquidi
4 – Isolanti solidi
Materiali isolanti Materiali isolanti
Bozza – 7 Marzo 04
Costruzioni elettromeccanichea.a. 2003 -04
2
sollecitazioni dielettriche con gradienti di tensione relativamente elevati
sollecitazioni termiche
sollecitazioni meccaniche cicliche dovute:
• dilatazione del rame e del ferro
• vibrazioni dovute alla corrente alternata o al moto delle parti in movimento
• sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti
deterioramento chimico reso attivo dai valori relativamente elevati della temperatura
sollecitazioni dielettriche con gradienti di tensione relativamente elevati
sollecitazioni termiche
sollecitazioni meccaniche cicliche dovute:
• dilatazione del rame e del ferro
• vibrazioni dovute alla corrente alternata o al moto delle parti in movimento
• sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti
deterioramento chimico reso attivo dai valori relativamente elevati della temperatura
Sollecitazioni nei materiali isolantiSollecitazioni nei materiali isolanti
Caratteristiche di un materiale isolanteCaratteristiche di un materiale isolante
3
ottime qualità dielettriche
• elevata rigidità• basse perdite dielettriche
buone qualità termiche
• buona conducibilità termica• buona resistenza al calore
ottime qualità dielettriche
• elevata rigidità• basse perdite dielettriche
buone qualità termiche
• buona conducibilità termica• buona resistenza al calore
buone qualità meccaniche
• resistenza agli sforzi• sufficiente elasticità• resistenza all’abrasione• adesione al rame
buone qualità chimiche
• elevata stabilità chimica• inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione
buone qualità meccaniche
• resistenza agli sforzi• sufficiente elasticità• resistenza all’abrasione• adesione al rame
buone qualità chimiche
• elevata stabilità chimica• inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione
tempo di vita elevato
fabbricabilità
• i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento senza eccessive difficoltà o tempi di lavorazione
• debbono consentire la realizzazione dell’isolamento senza vuoti interni ed aderente al rame anche nelle parti curve
costo accettabile
tempo di vita elevato
fabbricabilità
• i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento senza eccessive difficoltà o tempi di lavorazione
• debbono consentire la realizzazione dell’isolamento senza vuoti interni ed aderente al rame anche nelle parti curve
costo accettabile
Qualità richieste ai materiali isolanti
4
La grandezza di tipo elettrico che sollecita un materiale isolante, definita come sollecitazione dielettrica, è il campo elettrico E [V/m].
Quando la sollecitazione dielettrica è troppo elevata provoca un danneggiamento temporaneo o permanente (dipende dal tipo di materiale) dell’isolante che compromette la funzionalità della macchina di cui l’isolante stesso è inserito.
Si definisce come rigidità dielettrica Er [V/m] di un materiale il massimo valore della sollecitazione dielettrica che può essere applicata senza danneggiamenti.
La grandezza di tipo elettrico che sollecita un materiale isolante, definita come sollecitazione dielettrica, è il campo elettrico E [V/m].
Quando la sollecitazione dielettrica è troppo elevata provoca un danneggiamento temporaneo o permanente (dipende dal tipo di materiale) dell’isolante che compromette la funzionalità della macchina di cui l’isolante stesso è inserito.
Si definisce come rigidità dielettrica Er [V/m] di un materiale il massimo valore della sollecitazione dielettrica che può essere applicata senza danneggiamenti.
Si ricorda che:
• il campo elettrico in un materiale isolante dipende dalla tensione applicata V e dalla geometria del materiale: E = V.
• il campo elettrico è proporzionale alla tensione applicata
• in un materiale omogeneo esso non dipende dalla permettività del materiale stesso
Si ricorda che:
• il campo elettrico in un materiale isolante dipende dalla tensione applicata V e dalla geometria del materiale: E = V.
• il campo elettrico è proporzionale alla tensione applicata
• in un materiale omogeneo esso non dipende dalla permettività del materiale stesso
Sollecitazione dielettrica e rigidità dielettrica
5
Il dimensionamento dielettrico di un materiale isolante consiste nel determinarne la geometria in modo che la sollecitazione dielettrica non provochi danneggiamenti; questo significa che le dimensioni e la forma del materiale debbono essere tali per cui la sollecitazione dielettrica sia inferiore alla rigidità dielettrica: E < Er .
Poiché la sollecitazione dielettrica E dipende dalla tensione applicata V, è ovvio che il dimensionamento deve essere fatto in relazione ad un ben determinato valore della tensione applicata.
Si definisce livello d’isolamento il valore della tensione applicata che determina il dimensionamento dielettrico di un materiale isolante.
Il dimensionamento dielettrico di un materiale isolante consiste nel determinarne la geometria in modo che la sollecitazione dielettrica non provochi danneggiamenti; questo significa che le dimensioni e la forma del materiale debbono essere tali per cui la sollecitazione dielettrica sia inferiore alla rigidità dielettrica: E < Er .
Poiché la sollecitazione dielettrica E dipende dalla tensione applicata V, è ovvio che il dimensionamento deve essere fatto in relazione ad un ben determinato valore della tensione applicata.
Si definisce livello d’isolamento il valore della tensione applicata che determina il dimensionamento dielettrico di un materiale isolante.
Dimensionamento dielettrico
6
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
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
Il corretto dimensionamento di un isolamento viene verificato con prove di collaudo in laboratorio applicando all’isolamento in prova le tensioni previste dal livello d’isolamento; per questo il “livello d’isolamento” indica di solito le tensioni di prova che la macchina o l’apparecchiatura deve reggere senza danneggiamenti.
Il corretto dimensionamento di un isolamento viene verificato con prove di collaudo in laboratorio applicando all’isolamento in prova le tensioni previste dal livello d’isolamento; per questo il “livello d’isolamento” indica di solito le tensioni di prova che la macchina o l’apparecchiatura deve reggere senza danneggiamenti.
Livello d’isolamento
7
Sovratensioni
Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosferica
fulminazione diretta
fulminazione indiretta (sovratensioni indotte in linea)
Sono caratterizzate da:
livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono.
durata dei fenomeni dell’ordine delle decine di s.
Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosferica
fulminazione diretta
fulminazione indiretta (sovratensioni indotte in linea)
Sono caratterizzate da:
livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono.
durata dei fenomeni dell’ordine delle decine di s.
Le sovratensioni che possono sollecitare una macchina od una apparecchiatura elettrica sono quasi sempre trasmesse dalla linea aerea cui la macchina è collegata. Esse possono essere suddivise in due categorie:
sovratensioni di origine esterna
sovratensioni di origine interna o di manovra
Le sovratensioni che possono sollecitare una macchina od una apparecchiatura elettrica sono quasi sempre trasmesse dalla linea aerea cui la macchina è collegata. Esse possono essere suddivise in due categorie:
sovratensioni di origine esterna
sovratensioni di origine interna o di manovra
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Sovratensioni atmosferiche
fulminazione indiretta
fulminazione diretta
9
Fulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione
10
Fulminazione diretta in una linea ad alta tensione
11
Fulminazione diretta in una linea in bassa tensione
12
Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione
13
dovute alla morfologia del sistema o di alcuni suoi componenti (esclusi gli interruttori) . Sono fenomeni transitori oscillanti, poco smorzati, con armoniche o sottoarmoniche della fondamentale, prodotte da
• distacchi di carico• messa in tensione di linee o trasformatori• ferrorisonanza• guasti a terra
prodotte dai fenomeni di interruzione. Sono fenomeni transitori di solito fortemente smorzati, e sono prodotte da:
• interruzione di carichi induttivi o capacitivi;• variazioni di carico;• interruttori non perfettamente messi a punto;• apertura di sezionatori lenti, specialmente in stazioni blindate isolate in SF6.
dovute alla morfologia del sistema o di alcuni suoi componenti (esclusi gli interruttori) . Sono fenomeni transitori oscillanti, poco smorzati, con armoniche o sottoarmoniche della fondamentale, prodotte da
• distacchi di carico• messa in tensione di linee o trasformatori• ferrorisonanza• guasti a terra
prodotte dai fenomeni di interruzione. Sono fenomeni transitori di solito fortemente smorzati, e sono prodotte da:
• interruzione di carichi induttivi o capacitivi;• variazioni di carico;• interruttori non perfettamente messi a punto;• apertura di sezionatori lenti, specialmente in stazioni blindate isolate in SF6.
Sovratensioni di origine interna o di manovra
14
Esempi di sovratensioni interne
Ferrorisonanza
V(pu)
t (ms)
Sovratensioni di manovra
50 ms
15
Onde doppio-esponenziali
Vc
Vc / 2
tf tc
t
V
Vc : valore di cresta
tf : tempo di fronte
tc : tempo di coda
La forma d’onda viene caratterizzata riportando il rapporto tf / tc e la polarità;ad esempio: onda 1/50 s , pol. pos.
Le tensioni impulsive di tipo doppio-esponenziale sono le sollecitazioni che più frequentemente vengono utilizzate in laboratorio per simulare le sovratensioni d’esercizio.
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nelle prove di laboratorio vengono applicate all’isolamento in prova delle sovratensioni che cercano di simulare le reali sovratensioni che si hanno in esercizio.
il comportamento di un isolante nei confronti delle sovratensioni dipende anche dalla forma d’onda della tensione applicata.
è quindi importante che le sovratensioni applicate in laboratorio simulino con sufficiente precisione le sovratensioni che si verificano in esercizio.
in sede internazionale si è convenuto di utilizzare (salvo decisioni diverse in relazione a particolari esigenze) tre tipi di sovratensioni
sovratensioni a frequenza industriale (50 Hz)
onde doppio-esponenziali di breve durata (es. 1/50 s) per simulare le sovratensioni atmosferiche: vengono definite impulsi atmosferici (IA)
onde doppio-esponenziali di durata maggiore (es. 200/3000 s) per simulare le sovratensioni di origine interna, definite impulsi di manovra (IM)
Sovratensioni in laboratorio
17
Per livello d’isolamento s’intendono i valori delle tensioni di prova che le macchine ed apparecchiature elettriche debbono reggere senza danneggiamenti durante le prove di collaudo che si svolgono in laboratorio.
In ambito internazionale si sono normalizzati i livelli d’isolamento, distinguendo i sistemi in due categorie:
Categoria I : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 1 kV e 245 kV
Categoria II : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 300 kV e 765 kV
Per livello d’isolamento s’intendono i valori delle tensioni di prova che le macchine ed apparecchiature elettriche debbono reggere senza danneggiamenti durante le prove di collaudo che si svolgono in laboratorio.
In ambito internazionale si sono normalizzati i livelli d’isolamento, distinguendo i sistemi in due categorie:
Categoria I : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 1 kV e 245 kV
Categoria II : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 300 kV e 765 kV
Il livello d’isolamento nelle norme internazionali
18
360 – 395 – 460 850 – 950 – 1050 245
275 – 325 650 – 750 170
230 – 275 550 – 650 145
230450 – 550 123
14032572,5
9525052
70145 – 17036
5095 – 12524
3875 – 9517,5
2860 – 75 – 9512
2040 – 60 7,2
1020 - 403,6
Tensione di tenuta a frequenza industriale (kV)
Tensione di tenuta a impulso (kVc )
Vm (kV)
Livelli di tensione normalizzati per componenti in sistemi di I categoria
Per impulso s’intende una tensione impulsiva del tipo 1/50 s
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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
Livelli di tensione normalizzati per componenti in sistemi di II categoria
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Da un punto di vista costruttivo il progettista di macchine elettriche deve dimensionare il relativo isolamento in modo che esse superino le prove con i livelli d’isolamento prescritti.
Da un punto di vista costruttivo il progettista di macchine elettriche deve dimensionare il relativo isolamento in modo che esse superino le prove con i livelli d’isolamento prescritti.
Si deve comunque tener presente che le prove eseguite in laboratorio sono comunque convenzionali, e simulano solo in parte le reali sollecitazioni d’esercizio; inoltre i loro risultati sono in larga parte aleatori, per cui necessitano di un delicato e difficile approccio statistico.
Questo significa che, in relazione a particolare esigenze del sistema in cui la macchina deve essere inserita, l’esperienza dei progettisti può suggerire livelli di isolamento diversi da quelli indicati nelle norme, e prove diverse da quelle usuali.
Queste diverse prove, le modalità della loro esecuzione e i relativi livelli d’isolamento sono descritte nel capitolato di prova, proposto dal committente ed accettato dal costruttore.
Si deve comunque tener presente che le prove eseguite in laboratorio sono comunque convenzionali, e simulano solo in parte le reali sollecitazioni d’esercizio; inoltre i loro risultati sono in larga parte aleatori, per cui necessitano di un delicato e difficile approccio statistico.
Questo significa che, in relazione a particolare esigenze del sistema in cui la macchina deve essere inserita, l’esperienza dei progettisti può suggerire livelli di isolamento diversi da quelli indicati nelle norme, e prove diverse da quelle usuali.
Queste diverse prove, le modalità della loro esecuzione e i relativi livelli d’isolamento sono descritte nel capitolato di prova, proposto dal committente ed accettato dal costruttore.
Il livello d’isolamento costituisce comunque un dato essenziale per il progetto di una macchina elettrica
Capitolato di prova
21
rigidità dielettrica Er [V/m]
permettività = r0 [F/m] (0 = 8,86·10-12 F/m)
fattore di perdita tan
I
V
I
V
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:
• forma d’onda e durata della tensione applicata
• geometria dell’isolante e degli elettrodi
• caratteristiche fisico-chimiche del materiale
• presenza di impurità nel materiale (umidità, gas, residui ecc.)
• sollecitazioni termiche e meccaniche applicate al materiale
Caratteristiche dielettriche di un materiale isolante
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Isolanti gassosiIsolanti gassosi
Tra gli isolanti gassosi impiegati nell’industria elettrica i più importante sono certamente i seguenti:
Isolamenti interni di isolatori passanti, interruttori, TV capacitivi, blindosbarre
Gas elettronegativi (esafluoruro di zolfo SF6)
Linee aerere, isolamenti esterni di isolatori passani, interruttori, TV e TA
Aria
ApplicazioniGas
Possiamo citare anche l’idrogeno impiegato come fluido di raffreddamento in macchine sincrone di grande potenza
23
In teoria gli isolamenti gassosi sono autoripristinanti, nel senso che riacquistano le loro proprietà dielettriche dopo che si sia verificata una scarica elettrica.
Questa loro proprietà deriva dal fatto che le molecole deteriorate dal processo di scarica (particelle ionizzate, alterate chimicamente, ecc.) vengono, per effetto dei moti interni del gas, rapidamente sostituite dalle molecole circostanti non alterate.
Questo processo di ripristino viene ostacolato quando il gas, in quantità limitata, è contenuto in un ambiente chiuso (cassoni di rivestimento di macchine elettriche, interruttori, blindosbarre, ecc.).
quindi l’unico isolante gassoso realmente autoripristinante è l’aria, che costituisce l’isolamento verso terra e fra le fasi, sia di bassa che di altissima tensione, delle linee aeree e delle sbarre di centrali e sottostazioni elettriche, e di alcune parti delle macchine ed apparecchiature elettriche.
In teoria gli isolamenti gassosi sono autoripristinanti, nel senso che riacquistano le loro proprietà dielettriche dopo che si sia verificata una scarica elettrica.
Questa loro proprietà deriva dal fatto che le molecole deteriorate dal processo di scarica (particelle ionizzate, alterate chimicamente, ecc.) vengono, per effetto dei moti interni del gas, rapidamente sostituite dalle molecole circostanti non alterate.
Questo processo di ripristino viene ostacolato quando il gas, in quantità limitata, è contenuto in un ambiente chiuso (cassoni di rivestimento di macchine elettriche, interruttori, blindosbarre, ecc.).
quindi l’unico isolante gassoso realmente autoripristinante è l’aria, che costituisce l’isolamento verso terra e fra le fasi, sia di bassa che di altissima tensione, delle linee aeree e delle sbarre di centrali e sottostazioni elettriche, e di alcune parti delle macchine ed apparecchiature elettriche.
Isolamenti autoripristinanti
24
Esempi di isolamenti in aria
isolamento verso terra
isolamento fre le fasi
25
scarica in aria
scarica lungo la catena di
sospensione
d
Esempi di scarica in aria
26
la permettività relativa dell’aria e circa uguale ad 1
in quanto autoripristinante l’aria non presenta problemi d’invecchiamento
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
dVVVp )()( 2
50
2
1
2
1)(
VV
eV
V50 : tensione di scarica 50% ; : dispersione
quasi sempre è: =
2 – 3 % per gli impulsi atmosferici
5 – 6 % per gli impulsi di manovra
Caratteristiche dielettriche dell’aria
27
Caratteristica di scarica in aria
2
98
6,5
15
30,5
0,5
69,5
85
9,35
1
99
p (%)
VV50
Vt
pt
pt : probabilità di
scarica accettata
Vt = f(pt) : tensione di tenuta
V50 : tensione di
scarica 50%
28
0 2 4 6 80
0,5
1,5
2,5
1
2
V50 (MV)
d (m)d
dalla caratteristica di scarica
Vt = f (pt)
50V
distanza d’isolamento in aria
Determinazione della distanza d’isolamento in aria
d
29
Si ricorda che la V50 dipende da:
forma d’onda e polarità della tensione applicata (la V50 con polarità positiva è considerevolmente più bassa di quella con pol. negativa).
configurazione degli elettrodi e vicinanza di terre
condizioni ambientali (temperatura e pressione atmosferica e presenza di pioggia)
Si ricorda che la V50 dipende da:
forma d’onda e polarità della tensione applicata (la V50 con polarità positiva è considerevolmente più bassa di quella con pol. negativa).
configurazione degli elettrodi e vicinanza di terre
condizioni ambientali (temperatura e pressione atmosferica e presenza di pioggia)
0
1
2
3
0 5 10 15d (m)
V50 (MV)
d
V50 in funzione della distanza con pol. positiva nella configurazione asta-piano
imp. atmosferici
imp. di manovra
Fattori che influenzano la tensione di scarica 50%
30
Esafluoruro di zolfo SF6
F
F
F
F
F
F
S
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.
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
31
ha una buona conducibilità termica ed una eccellente stabilità termica
è inodore, incolore e non tossico e non provoca effetti fisiologici specifici (in ambienti saturi di SF6 può verificarsi una carenza di ossigeno)
i sottoprodotti della sua decomposizione (in particolare l’acido fluoridrico) possono essere dannosi per le apparecchiature, per cui necessita di opportune precauzioni
poiché è utilizzato in contenitori chiusi, la scarica elettrica porta ad un deterioramento delle sue qualità dielettriche che può essere limitato con opportuni trattamenti
ha una buona conducibilità termica ed una eccellente stabilità termica
è inodore, incolore e non tossico e non provoca effetti fisiologici specifici (in ambienti saturi di SF6 può verificarsi una carenza di ossigeno)
i sottoprodotti della sua decomposizione (in particolare l’acido fluoridrico) possono essere dannosi per le apparecchiature, per cui necessita di opportune precauzioni
poiché è utilizzato in contenitori chiusi, la scarica elettrica porta ad un deterioramento delle sue qualità dielettriche che può essere limitato con opportuni trattamenti
Caratteristiche dell’esafluoruro di zolfo e campi d’impiego
interruttori
isolatori passanti
blindosbarre
TV capacitivi
apparecchiature elettroniche
interruttori
isolatori passanti
blindosbarre
TV capacitivi
apparecchiature elettroniche
caratteristichecaratteristiche applicazioniapplicazioni
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Apparecchiatura in SF6
Interruttore trifase per alta tensione
blindosbarre
TV capacitivo per alta tensione
33
Stazione blindata a 145 kV con isolamento in SF6
34
Isolanti liquidiIsolanti 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 isolante, in unione con la carta (cellulosa pura), costituisce il sistema isolante (carta-olio) principale per apparecchiature di grande potenza ed in alta tensione, quali trasformatori, isolatori passanti, cavi, condensatori.
L’olio isolante, in unione con la carta (cellulosa pura), costituisce il sistema isolante (carta-olio) principale per apparecchiature di grande potenza ed in alta tensione, quali trasformatori, isolatori passanti, cavi, condensatori.
35
• Rigidità dielettrica e resistività di massa elevate.
• Basse perdite dielettriche.
• Elevata o bassa costante dielettrica.
• Conducibilità termica e calore specifico elevati.
• Stabilità chimica e buon assorbimento dei gas.
• Bassa viscosità a bassa temperatura.
• Bassa volatilità ed elevato punto di accensione.
• Basso potere solvente e bassa densità.
• Buone capacità di estinzione dell’arco.
• Bassa attitudine a formare gas (gassing).
• Non infiammabile, non tossico.
• Basso impatto ambientale.• Economico e facilmente reperibile.
• Rigidità dielettrica e resistività di massa elevate.
• Basse perdite dielettriche.
• Elevata o bassa costante dielettrica.
• Conducibilità termica e calore specifico elevati.
• Stabilità chimica e buon assorbimento dei gas.
• Bassa viscosità a bassa temperatura.
• Bassa volatilità ed elevato punto di accensione.
• Basso potere solvente e bassa densità.
• Buone capacità di estinzione dell’arco.
• Bassa attitudine a formare gas (gassing).
• Non infiammabile, non tossico.
• Basso impatto ambientale.• Economico e facilmente reperibile.
Qualità richieste ad un olio isolante
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resistenza al fuoco, caratteristiche dielettriche e termiche
apparati elettronici
formazione di carbone, resistenza all’arcointerruttori
caratteristiche dielettriche, stabilità termica, gassing, alta permettività
condensatori
caratteristiche dielettriche, gassing, bassa permettività, bassa viscosità
cavi
caratteristiche dielettriche, gassing, bassa permettività
passanti
stabilità chimica, calore specifico, resistenza al fuoco
trasformatori
Caratteristiche importantiApplicazione
Applicazioni e relative caratteristiche da prendere in considerazione
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trasformatoricondensatoriEsteri organici
condensatoritrasformatoriOli siliconici
trasformatoricavi - condensatoriIdrocarburi di sintesi
------tutti i componentiOli minerali
Uso sperimentaleUso normaleMateriale
Campi di impiego dei principali liquidi isolanti
Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB (Policlorobifenile) il cui uso è vietato (direttiva 96/59/CE) per il loro impatto ambientale.
Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB (Policlorobifenile) il cui uso è vietato (direttiva 96/59/CE) per il loro impatto ambientale.
38
OlioDensità a 20°C
(kgm3)
Viscosità a 20 °C
(eSt)
Punto di rammollimento
(°C)
Classe I 888 70 -30
Classe II 879 32 -45
Classe III 872 6,5 -60
Derivano dalla distillazione frazionata del petrolio; le Norme IEC li suddividono in tre classi, adatte per diverse temperature ambientali
10
102
103
104
10-50 50 100
Vis
cosi
tà (
cSt)
Temperatura (°C)
Oli minerali
39
D
d
Caratteristiche dielettriche di un olio minerale
2,1 2,5permettività ( a 90 °C)
20 2000resistività ( 90 °C) (Gm)
1 5·10-3tan ( a 90°C)
140 160tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm
60 70tensione di scarica (kV), sfere IEC D = 2,5 mm
Valori tipiciProprietà
40
100
600
800
400
1000
200
300
500
700
900
1 2 3 4 5d (cm)
Vc (kV)
1/60 s
1/2100 s
50 Hz
d
= 50 mm
Tensione discarica (valori di cresta) tra sfere in olio
Tensione di scarica di un olio minerale per trasformatori
la rigidità dielettrica dell’olio dipende dalla forma d’onda della tensione applicata
la rigidità dielettrica diminuisce all’aumentare della distanza fra gli elettrodi
la rigidità dielettrica dell’olio dipende dalla forma d’onda della tensione applicata
la rigidità dielettrica diminuisce all’aumentare della distanza fra gli elettrodi
41
Idrocarburi di sintesi
Vengono usati idrocarburi olefinici ed idrocarburi alchil-aromatici. Rispetto agli oli minerali essi hanno:
• una composizione più riproducibile ed una chimica più semplice
• caratteristiche dielettriche migliori
Proprietà dielettriche Olefine Alchil-benzeni
tensione di scarica (kV), sfere IEC D = 2,5 mm >80 >80
tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm --- 90 (+) ; 312 (-)
tan (a 90°C) 6·10-3 3·10-5 4·10-4
resistività (a 90 °C) (Tm) --- 1
permettività (a 90 °C) 2,1 2,3 2,15
42
• Gli oli siliconici sono derivati dalla chimica del silicio, con elevata stabilità termica e temperatura di infiammabilità > 340 °C.
• Hanno costante dielettrica pari a 2,7 - 3
• Le loro caratteristiche dielettriche sono paragonabili a quelle degli oli minerali.
• Gli esteri organici hanno caratteristiche dielettriche meno buone degli oli isolanti.
• Presentano, invece, ottima stabilità termica e costante dielettrica più elevata (2,9 - 4,3).
Oli siliconici ed esteri organici
2,7permettività ( a 90 °C)
0,5 1resistività ( 90 °C) (Tm)
1·10-4tan ( a 90°C)
80 (+) – 270 (-)tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm
35 60tensione di scarica (kV) (prime scariche),
sfere IEC D = 2,5 mm
Valori tipiciProprietà dielettriche
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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
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
20
100
80
60
40
20 80706030 40 501000
Er (%)
Acqua nell’olio (p.p.m.)
valori massimi
valori minimi
Rigidità dielettrica di un olio minerale in funzione del contenuto di acqua
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Umidità contenuta in un olio minerale in funzione dell’umidità dell’aria con cui è a contatto
È quindi evidente che:
bisogna evitare che l’olio isolante venga a contatto con l’aria
occorre effettuare un accurato procedimento di degasificazione ed essiccazione dell’olio prima della messa in servizio della macchina
È quindi evidente che:
bisogna evitare che l’olio isolante venga a contatto con l’aria
occorre effettuare un accurato procedimento di degasificazione ed essiccazione dell’olio prima della messa in servizio della macchina
320
280
240
200
160
120
80
80
020 30 40 50 60 8070
Umidità relativa dell’aria (%) a 25°C
Con
tenu
to d
’acq
ua
(p.p
.m.)
80 °C
60 °C
40 °C
25 °C
temperatura dell’olio
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gas che si formano:
idrogeno, idrocarburi leggeri (etano, metano, etilene, acetilene), monossido e biossido di carbonio
motivi per cui si formano:
guasti elettrici (cedimento degli isolamenti e conseguente scarica): in questo caso si possono avere quantitativi importanti di gas ed intervento del relé Bucholz.
ridotta compatibilità fra olio ed altri materiali (vernici isolanti e metalli possono esaltare il fenomeno).
degradazione della cellulosa (isolamenti in carta-olio) o dell’olio per effetto dell’invecchiamento
elevata idrogenazione dell’olio (l’idrogeno nell’olio viene aggiunto per aumentarne la stabilità nei confronti dei processi ossidativi)
gas che si formano:
idrogeno, idrocarburi leggeri (etano, metano, etilene, acetilene), monossido e biossido di carbonio
motivi per cui si formano:
guasti elettrici (cedimento degli isolamenti e conseguente scarica): in questo caso si possono avere quantitativi importanti di gas ed intervento del relé Bucholz.
ridotta compatibilità fra olio ed altri materiali (vernici isolanti e metalli possono esaltare il fenomeno).
degradazione della cellulosa (isolamenti in carta-olio) o dell’olio per effetto dell’invecchiamento
elevata idrogenazione dell’olio (l’idrogeno nell’olio viene aggiunto per aumentarne la stabilità nei confronti dei processi ossidativi)
È importante verificare che l’olio nelle condizioni di esercizio abbia una ridotta capacità di formazione di gas.
Formazione di gas nell’olio per trasformatori
46
vasca di contenimento dell’olio
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
47
48
Materiale Applicazioni
Carta e cartoni di cellulosaTrasformatori, condensatori, TV, TA, isolatori passanti (*)
Gomme naturali e sintetiche Cavi, macchine elettriche
Materiali polimerici (film sottili, pressofusioni, materiali estrusi, resine, vernici, smalti)
Macchine rotanti, trasformatori, cavi, apparecchiature elettroniche, accessori
Materiali impregnati Macchine elettriche, condensatori
Materiali inorganici (mica) Macchine rotanti
PorcellaneIsolatori portanti, isolamento esterno di passanti, TV, TA, interruttori ecc
Vetro Isolatori per linee aeree
Isolanti solidiIsolanti solidi
(*) - 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.)
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:
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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)
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)
30 120 4,5 Vetro
20 384,5 6Porcellana
50 1003 4Smalti
10 403 4Resine sintetiche
120 1402,2 2,5Materiali polimerici
15 253 4,5Gomme (naturali e sintetiche)
20 252 2,5Carta aramidica secca
7 301,6 2Carta di cellulosa secca
Er (kV/mm)rmateriale
Valori tipici di alcuni materiali isolanti solidi
Caratteristiche dielettriche
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in un materiale isolante solido ogni danneggiamento, anche minimo, dovuto a qualsiasi causa, è un danneggiamento permanente; gli isolanti solidi subiscono dunque un progressivo deterioramento dovuto sia alla loro vita operativa ma anche alle condizioni della loro preparazione o conservazione in magazzino.
il deterioramento che si verifica durante la vita operativa è dovuto alle varie sollecitazione cui l’isolante è sottoposto: meccaniche (vibrazione, sforzi), elettriche, chimiche, ambientali, radiazioni, polveri, termiche, ecc…
fra tutte queste sollecitazioni, quella che viene ritenuta la più importante è quella termica (temperatura di funzionamento), anche perché un’elevata temperatura accelera il processo di degrado dovuto alle varie sollecitazioni
È quindi molto importante stabilire la massima temperatura cui un isolante può essere sottoposto, e questo significa che il dimensionamento di un isolamento solido è in realtà un problema di dimensionamento termico.
in un materiale isolante solido ogni danneggiamento, anche minimo, dovuto a qualsiasi causa, è un danneggiamento permanente; gli isolanti solidi subiscono dunque un progressivo deterioramento dovuto sia alla loro vita operativa ma anche alle condizioni della loro preparazione o conservazione in magazzino.
il deterioramento che si verifica durante la vita operativa è dovuto alle varie sollecitazione cui l’isolante è sottoposto: meccaniche (vibrazione, sforzi), elettriche, chimiche, ambientali, radiazioni, polveri, termiche, ecc…
fra tutte queste sollecitazioni, quella che viene ritenuta la più importante è quella termica (temperatura di funzionamento), anche perché un’elevata temperatura accelera il processo di degrado dovuto alle varie sollecitazioni
È quindi molto importante stabilire la massima temperatura cui un isolante può essere sottoposto, e questo significa che il dimensionamento di un isolamento solido è in realtà un problema di dimensionamento termico.
Sollecitazione termica
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Temperatura massima di servizio
la massima temperatura di servizio Tm è quella che, applicata permanentemente al materiale per tutta la durata della vita operativa, determina, un tempo di vita pari a quello di progetto tp.
Tm
ttp
T questa definizione implica un ciclo termico in cui la temperatura è costante per tutta la durata della vita operativa:
52
10
100
1000
10000
100000
1000000
60 100 140 180 220 260 300
tv
tp
(h)
Tm
(°C)
Curva di vita termica
T
NMtv ln
La determinazione della massima temperatura di servizio viene fatta sulla base della curva di vita termica determinata sperimentalmente con prove di vita accelerate.
Viene di solito seguito il modello di Arrhenius che fornisce l’equazione
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Durante la sua vita operativa un materiale isolante è in genere sottoposto a carichi variabili nel tempo in relazione a passaggio da vuoto a carico diverse condizioni operative sovraccariche di breve durata dovuti a guasti od anomalie
La temperatura del materiale è quindi non costante nel tempo, e in alcuni casi si ha T > Tmax ; questo determina una durata di vita effettiva minore di quella di progetto: teff < tp
Durante la sua vita operativa un materiale isolante è in genere sottoposto a carichi variabili nel tempo in relazione a passaggio da vuoto a carico diverse condizioni operative sovraccariche di breve durata dovuti a guasti od anomalie
La temperatura del materiale è quindi non costante nel tempo, e in alcuni casi si ha T > Tmax ; questo determina una durata di vita effettiva minore di quella di progetto: teff < tp
11
vi
in
i t
t
l’andamento della temperatura può essere schematizzato in n cicli termici della durata ti e temperatura Ti , mentre l’effettivo valore della vita operativa può essere calcolato con l’equazione di Miner
ttp
T
Tmax
ti
teff
Ti
i-esimo ciclo
Equazione di Miner
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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;
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
25022020018015513012010590Tm (°C)
250220200HFBEAYClasse IEC
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 .
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 .
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Si deve tener presente che:
la temperatura massima ammissibile di un materiale, e quindi l’appartenenza ad una classe termica, dipende fortemente dalle sollecitazioni (elettriche, meccaniche, chimiche, ecc…) cui è sottoposto:
• un dato materiale quindi, può appartenere a diverse classi termiche in relazione alle sollecitazioni d’esercizio.
il deterioramento di un materiale isolante può essere determinato, altre che dalla temperatura, da numerosi altri fattori, quali stress elettrici o meccanici, vibrazioni, danneggiamenti atmosferici o chimici, polveri, radiazioni;
• questo fatto, in relazione a particolari esigenze di servizio, può consigliare il progettista di adottare temperature massime ammissibili inferiori a quelle indicate dalle Norme.
Si deve tener presente che:
la temperatura massima ammissibile di un materiale, e quindi l’appartenenza ad una classe termica, dipende fortemente dalle sollecitazioni (elettriche, meccaniche, chimiche, ecc…) cui è sottoposto:
• un dato materiale quindi, può appartenere a diverse classi termiche in relazione alle sollecitazioni d’esercizio.
il deterioramento di un materiale isolante può essere determinato, altre che dalla temperatura, da numerosi altri fattori, quali stress elettrici o meccanici, vibrazioni, danneggiamenti atmosferici o chimici, polveri, radiazioni;
• questo fatto, in relazione a particolari esigenze di servizio, può consigliare il progettista di adottare temperature massime ammissibili inferiori a quelle indicate dalle Norme.
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il corretto dimensionamento del sistema isolante di una macchina deve tendere ad assicurare la stessa durata di vita operativa per ogni singolo componente del sistema stesso; questo significa che i vari componenti, in relazione alle diverse sollecitazioni cui è sottoposto, possono avere una diversa temperatura massima ammissibile.
quindi la massima temperatura ammissibile Tm deve intendersi come la temperatura del singolo materiale isolante e non quella dell’intera macchina
55 -60Olio nella parte superiore della macchina
65 – 70Avvolgimenti (classa A)
Sovratemperatura ammessa (°C)Parte della macchina
Ad esempio le Norme CEI prescrivono per un trasformatore immerso in olio
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Apparecchiature con isolamento esterno in porcellana (TA, TV, passanti, interruttori)
Isolamenti in porcellana
Porcellane per l’isolamento esterno di apparecchiature in alta tensione
58
Linea aerea 220 kV con isolatori di sospensione in vetro
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Isolatori in vetro temprato
Isolatore di sospensione tipo “cappa e perno”
Isolatore portante
60
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.
Materiali polimerici
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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
Caratteristiche termiche di un isolante polimerico
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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.
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Sigle ISO e caratteristiche termiche per alcuni materiali isolanti polimerici
Polimero sigla ISO
Tg (°C) Tf (°C)
Resina epossidica EP termoindurente
Poliammide PA
Poliesametileneadipammide(nylon 66)
PA66 280 termoplastico
Policaprammide (nylon 6) PA6 215 termoplastico
Polietilene PE 130 ÷ 80 137 termoplastico
Polietilene teraftalato PET 265 termoplastico
Polietilene a bassa densità XLPE termoplastico
Polipropilene PP 174 termoplastico
Politetrafluoroetilene PTFE 335 termoplastico
Polimetilmetacrilato PMMA amorfo termoplastico
Polivinilcloruro PVC 84 90% amorfo termoplastico
Policarbonato PC amorfotermoindurente
(reticolato)
Polistirene (polistirolo) PS
Poliuretano PUR
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resina epossidica (EP)
film in poliammide (PA)
alluminio
Avvolgimenti di trasformatori isolati in resina epossidica - EP
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Avvolgimenti isolati in poliammidi - PA
film di carta poliammidica
66
Proprietà Valore
garantito
Diametro esterno (IEC) 0,544 mm
Allungamento a rottura 25 %
Conducibilità elettrica58,5
m/mm2
Smalto PUR
Tensione di perforazione 2,4 kV
Classe termica 180 (H)
Temperatura di rammollimento 230 °C
saldabilità 390 °C
Caratteristiche di un filo di rame smaltato
Avvolgimento di rotore in filo di rame samltato di un motore asincrono di piccola potenza
Smalti isolanti
67
Cavo sottomarino per 400 kV isolato in XLPE
Cavo isolato in PE per 245 kV
PE
XLPE
conduttore in alluminio
conduttore in alluminio
Cavi isolati in polietilene
68
PTFE
PTFE
Connettori BNC
Supporti per circuiti stampati
Isolatore portante per esterno con alette in PTFE (utilizzati ad es. nelle FS)
PTFE
Politetrafluoroetilene - PTFE
C
FF