Università degli studi di Padova Dipartimento di ingegneria elettrica

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Università degli studi di PadovaDipartimento di ingegneria elettrica

G.Pesavento

Influenza della geometria

Una serie di prove effettuate con sovratensioni di manovra positiva su disposizioni elettrodiche diverse ha mostrato che la tensione di scarica varia con la distanza in maniera analoga per le diverse geometrie e quindi che il rapporto tra le tensioni di scarica di due geometrie diverse è indipendente dalla distanza tra gli elettrodi. Ciò significa che la tensione di scarica di una qualsiasi geometria (Vs) può essere riferita alla tensione di scarica di una geometria asta-piano (Va-p), con la stessa distanza tra gli elettrodi, mediante un'espressione del tipo:

Vs = k Va-p

La costante k, caratteristica del tipo di geometria, prende il nome di "fattore di configurazione" o, più comunemente, "gap factor". I valori di k, che, si ricorda, è definito per sovratensioni di manovra di polarità positiva, sono legati alla distribuzione del campo elettrico e sono indipendenti dalla distanza tra gli elettrodi.

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Tipo di intervallo k Osservazioni

Asta-piano 1

Asta-struttura1,05

Asta-asta

Conduttore-piano 1,1

Conduttore-struttura

Conduttore–asta

dh

0,7hexp1,1

d

w1

0,351,1

dh

h0,61

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Anello di guardia–pilone(con catena a V)

1,25Per il calcolo della tensione di scarica va considerata solo la più piccola delle distanze d1 e d2

Anello di guardia–pilone(con catena verticale)

1,5

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100

5kV/cm

0 200 300 400

d(cm)0

200

400

600

800

1000

V(kV)

R=50cm

R=35cm

R=25cm

R=15cm

asta-piano

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Gas elettronegativi e miscele

• Problemi con l’isolamento in aria all’aumentare delle tensioni

• Distanze sempre maggiori, impegno di spazi

• Problemi di impatto ambientale, problemi economici relativi al territorio asservito e, in molti casi, la reale impossibilità di realizzare impianti di certe dimensioni quando si sia in centri urbani o nelle loro immediate vicinanze.

• Caratteristiche dell’isolamento influenzate dalle condizioni atmosferiche e dal fenomeno della contaminazione.

• Utilizzo di gas diversi dall’aria

• Necessità di involucri e quindi possibilità di funzionare a pressione più alta.

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Questi sistemi sono noti come GIS (Gas Insulated Systems or Substations - Sistemi o Sottostazioni Isolati in Gas); negli ultimi anni si sono andate anche sviluppando le GIL (Gas Insulated Lines - Linee Isolate in Gas), anche se, per ora, le loro lunghezze sono limitate.

Il gas che al momento attuale viene usato nella totalità di questi sistemi è l’esafluoruro di zolfo (SF6).

L’SF6 presenta una serie di caratteristiche che, per questo tipo di uso, lo fanno di gran lunga preferire ad altri gas : esso ha una rigidità dielettrica, a pressione atmosferica tra piani paralleli ad un cm di distanza, di 89 kV/cm, è inerte, non è tossico, i suoi prodotti di decomposizione a causa di archi elettrici non reagiscono con altri materiali, nelle condizioni di pressione in cui viene abitualmente usato liquefa ad una temperatura inferiore ai -30°C; va osservato, infatti, che la liquefazione del gas comporta una riduzione della pressione nel volume in cui esso è contenuto e quindi una riduzione della sua tenuta dielettrica.

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Le ottime caratteristiche dielettriche dell’SF6 sono dovute alla sua grande elettronegatività ossia all’elevato valore

del coefficiente di attaccamento .

Detto */p = (-)/p, almeno nel campo 65 E/p 150 kV/cmbar, questo coefficiente può essere espresso dalla relazione

*/p = A · E/p B

con A = 27,8 kV-1 e B = 2460 (bar cm)-1.

Si può vedere come a pressione atmosferica per avere *>0, ossia possibilità di moltiplicazione di cariche, sia necessario un campo elettrico maggiore di circa 89 kV/cm.

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0 20 40 60 80 100 120 140

0

1000

2000

-1000

cmbar

1

*

E/p (kV/cm bar)

aria

/pe

/p

Coefficienti di ionizzazione e di attaccamento in SF6 in funzione di E/p

98c

dx*α1010Ne

d

0

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Esempio• Stazione blindata a a 275 kV, realizzate con tre condotte cilindriche coassiali• La tensione massima fase-terra risulta di 224 kV e la tensione di tenuta con impulso atmosferico deve essere di 1050 kV.

• Detti r1 ed r2 i raggi dei due cilindri coassiali e scelto un rapporto r2/r1 pari ad 2.72, tale cioè da rendere minimo, fissato r2, il campo massimo EM sull’elettrodo interno, risulta

EM=V/r1 e quindi r1=V/EM. • A 1 bar sarebbe sufficiente, per evitare moltiplicazione per ionizzazione per urto, che in nessun punto il campo elettrico sia superiore a 89 kV/cm ; ciò comporta, con riferimento alla tensione di prova di 1050 kV

r1 1050/89 12 cm e r2 32 cm,

con un campo minimo sull’elettrodo esterno pari a circa 33 kV/cm.

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Se si pensa di utilizzare il gas ad una pressione di 3 bar e si suppone, in prima approssimazione, un aumento lineare della tenuta con la pressione, si ottiene r1 4 cm e r2 11 cm.

Nelle realizzazioni pratiche, nelle quali vengono realizzate distribuzioni di campo elettrico quasi uniformi, la capacità di tenuta, che cresce meno che linearmente con l’aumentare della pressione, viene apprezzabilmente ridotta per l’effetto di altri fattori, non legati alle caratteristiche del gas, che comportano una riduzione delle tensioni di scarica rispetto a condizioni ideali.

Tali effetti sono

• la rugosità della superficie degli elettrodi,• presenza di particelle estranee • presenza dei distanziatori.

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Nelle realizzazioni di pratico impiego gli elettrodi, che spesso sono di dimensioni notevoli, non sono perfettamente lisci ma le loro superfici presentano una serie di irregolarità che sono legate al tipo di lavorazione cui sono state sottoposte.

Tali irregolarità, seppure dell’ordine delle decine e centinaia di m, costituiscono punti nei quali si può avere una intensificazione anche notevole del campo elettrico. Ciò può portare sia ad emissione di elettroni per effetto di campo sia ad un notevole aumento del fenomeno di ionizzazione, ossia di *, in prossimità della irregolarità superficiale con la possibilità di creazione di valanghe di dimensioni critiche, e quindi formazione di streamer, che possono portare alla scarica anche con campi “macroscopici” inferiori ai valori limite previsti.

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Nelle realizzazioni di pratico impiego gli elettrodi, che spesso sono di dimensioni notevoli, non sono perfettamente lisci ma le loro superfici presentano una serie di irregolarità che sono legate al tipo di lavorazione cui sono state sottoposte.

Tali irregolarità, seppure dell’ordine delle decine e centinaia di m, costituiscono punti nei quali si può avere una intensificazione anche notevole del campo elettrico.

Ciò può portare sia ad emissione di elettroni per effetto di campo sia ad un notevole aumento del fenomeno di ionizzazione, ossia di *, in prossimità della irregolarità superficiale con la possibilità di creazione di valanghe di dimensioni critiche, e quindi formazione di streamer, che possono portare alla scarica anche con campi “macroscopici” inferiori ai valori limite previsti.

Effetto della rugosità della superficie dei conduttori

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A pressioni alte possono servire distanze molto piccole per ottenere una valanga critica.

Persino a pressione atmosferica e con un valore del campo pari a 100 kV/cm, cui corrisponde (-) 320, per la formazione di una valanga di dimensioni critiche

è sufficiente una distanza di circa 0,6 mm.

E/Elim = 1 viene detto fattore di rugosità

d

20dx)(0

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Rd

Rugosità media Rd di una superficie metallica

0.01 0.1 1 10 100 10000.4

0.6

0.8

1.0

Rd (m)

0.5 bar

1

2.5

4

limE

E

Fattore di rugosità in funzione della rugosità media per pressioni

diverse

Rugosità delle superfici

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Effetto di particelle estranee

0 1 2 3 4 50

r1= 6 mm

r2= 60 mm

r0= 0.5 mm

0.4

0.2

0.6

0.8

1.01

2

3

4

sp

cp

V

V

p (bar)

Rapporto delle tensioni di scarica con (Vcp) e senza particella (Vsp) in funzione della pressione.(1) impulso atmosferico; (2) impulso di manovra; (3) alternata; (4) continua

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0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

kV 1

2

3

p (bar)

Tensione di scarica con tensione alternata in funzione della pressione (1) senza particella estranea, (2) particella fissa, (3) particella libera di muoversi.

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a) b)

r1

r2

A

A

SF6SF6SF6SF6

Rappresentazione schematica di distanziatore a disco (a) e distanziatore a cono (b)

Influenza dei distanziatori

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Terna possiede 32 stazioni completamente isolate in gas SF6;

inoltre il gas è utilizzato per circa 2200 apparecchiature di misura.

In totale, vengono utilizzate oltre 260 tonnellate di gas; a causa delle normali perdite dovute all’imperfetta tenuta delle guarnizioni delle apparecchiature, parte del gas utilizzato si disperde nell’atmosfera.

Terna effettua un monitoraggio accurato delle proprie emissioni: nel 2005 sono state registrate perdite di circa 2,7 tonnellate pari all’1%.

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SF6

Peso atomico 146.06 g/mol

Aspetto Senza colore e senza odore

Densità 6.164 g/l, in fase gassosa a 1 bar(~5.1 volte più denso dell’aria )1.329 kg/l, in fase liquida a 25 °C

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