Università degli studi di Padova
Dipartimento di ingegneria elettrica
Influenza dei distanziatori
A
SF6
SF6
SF6
SF6
r2
A
r1
a)
b)
Rappresentazione schematica di distanziatore a disco (a) e distanziatore a cono (b)
G.Pesavento
1
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La distribuzione del campo elettrico lungo la superficie tra i due
isolanti dipende dal valore di  e passa da una distribuzione cilindrica,
con campi più elevati in prossimità dell’elettrodo interno, per  = 90°,
ad una distribuzione quasi uniforme per angoli attorno ai 70°, che
dipendono comunque dal valore della costante dielettrica r della
resina, e a distribuzioni più disuniformi, al diminuire di , con campi
più elevati in prossimità dell’elettrodo esterno.
SF6
r2

r1
Per  > 90° la distribuzione diventa più uniforme per angoli attorno ai
100°-105° per poi diventare sempre più disuniforme con i valori più
elevati in prossimità dell’elettrodo interno.
G.Pesavento
2
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0.9
SF6
0.8
0.7
0.6
0.7

0.8
0.9
0.6
0.5
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.4
0.3
0.2
a)
0.1
b)
Profili ottimali per distanziatore a disco (a) e per distanziatore a cono (b)
G.Pesavento
3
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Nelle applicazioni pratiche, una riduzione della tenuta dielettrica dell’SF6
rispetto a condizioni ideali, fa sì che le dimensioni ricavate nell’esempio
precedente per un sistema a 275 kV, e dedotte sulla base di un
comportamento ideale, non possono essere realizzate nella pratica.
A titolo di esempio si riportano le dimensioni di due condotti coassiali di due
GIL per 275 kV realizzate in Giappone, seppure in due periodi diversi.
Per la prima, funzionante ad una pressione di 3 bar, si hanno r1 = 8 cm ed
r2 = 24 cm ; per la seconda, in servizio dal 1998 e funzionante ad una
pressione di 4,4 bar, si hanno r1 = 8,5 cm ed r2 = 23 cm.
Si vede come la tenuta del gas, prevista in fase di progetto e realizzazione,
è limitata al 50% o meno di quella ideale. Ciononostante le dimensioni del
condotto sono sempre estremamente contenute.
G.Pesavento
4
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Miscele di gas
1500
 1 


cm
bar

 1000
500
*/p
N2
0
10%
-500
20%
50%
SF6
-1000
0
20
40
60
80
100
E/p (kV/cm bar)
120
140
Coefficiente di ionizzazione totale */p, in funzione del campo ridotto, per miscele
di N2 /SF6
G.Pesavento
5
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1.0
E c (miscela) 0.8
E c (SF 6)
0.6
0.4
0.2
0
0
50
% SF6
100
Rapporto tra campo critico in miscele N2/SF6 ed SF6 puro al variare della sua
percentuale
G.Pesavento
6
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U50 (kV)
1400
SF6
1200
20%
1000
15% 10%
5%
800
N2
600
400
200
0
0
5
10
15
20
25
30
p (bar)
Tensione di scarica in geometria cilindrica per miscele di N2/SF6 in funzione
della pressione
G.Pesavento
7
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Se da un punto di vista generale si può dire che un aumento della densità
ed un aumento dell'umidità provocano un aumento della tensione di
scarica, da un punto di vista pratico è necessario quantificare questa
influenza, in modo da poter valutare la tensione di scarica di un isolamento
in qualsiasi condizione atmosferica a partire dal suo valore determinato in
altra condizione e viceversa.
Ciò consente di riportare qualsiasi misura a condizioni atmosferiche
standard, permettendo confronti tra risultati ottenuti in condizioni di prova
diverse.
Le condizioni standard previste dalla normativa sono:
Temperatura:
To = 293 °K (to =20 °C);
Pressione:
po = 101.3 kPa (oppure 1013 mbar o 760 mmHg);
Umidità assoluta: ho = 11 g/m3.
G.Pesavento
8
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p 273  t 0
δ 
p0 273  t
273  t 0
δ  exp - αA  
273  t
con A in metri, t in °C ed  = 121 x 10-6
G.Pesavento
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U = Uo Kt
e, analogamente, se U è la tensione di scarica in una certa condizione
atmosferica, la tensione di scarica in condizioni standard risulta:
Uo = U/Kt
Il fattore di correzione Kt è il prodotto di due fattori:
- k1: fattore di correzione per la densità dell'aria;
- k2: fattore di correzione per l'umidità.
I due fattori di correzione sono dati da:
k1 = m
G.Pesavento
e
k2 = kw.
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1,2
Tensione alternata
Tensione ad impulso
k
Tensione continua
1,1
1,0
0,9
0,8
0
G.Pesavento
Tensione
k
Gamma di Umidità g/m3
Impulso
1+0.010 (h/-11)
1 h/ <15
Alternata 1+0.012 (h/-11)
1 h/15
Continua 1+0.014 (h/-11)
1 h/13
5
10
15
20
25
30
35
3
h/ (g/m )
11
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g
U
500 δ kd
1.0
m
m, w
w
m=w
0.5
0
0
1
2
g
Coefficienti m e w in funzione del parametro g
G.Pesavento
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L’isolamento in atmosfera contaminata
G.Pesavento
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Influenza degli isolatori
La presenza di queste superfici può avere una notevole influenza sulla tenuta
dell'isolamento stesso in relazione, soprattutto, alle condizioni ambientali di
funzionamento ed, in particolare, alla formazione di depositi contaminanti
sulla loro superficie. In condizioni ambientali secche, la presenza di catene di
isolatori, provviste di anelli di guardia alle estremità, provoca una riduzione
della tensione di scarica di entità abbastanza ridotta, dell'ordine del 3-5%
con sovratensione di manovra e un po’ più marcata nel caso di sovratensione
da fulminazione.
La presenza di superfici isolanti ha generalmente una influenza più marcata in
occasione di pioggia, che rappresenta una situazione comunemente
incontrata in pratica. La pioggia non modifica in modo significativo la tenuta
degli isolamenti in aria, in quanto il meccanismo di scarica non viene alterato
anche se in qualche caso, a causa del gocciolamento, si può avere, di fatto,
una modifica della forma dell'elettrodo, cosa che influenza la tensione di
G.Pesavento
scarica.
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Quando invece esistano superfici isolanti, la pioggia può scorrere sulle
superfici e cadere da aletta ad aletta modificando il meccanismo di
scarica. Invece di svilupparsi in aria, la scarica può seguire la superficie
e saltare da aletta ad aletta. Questo tipo di meccanismo è poco
influenzato dalla polarità della tensione applicata e la tensione di
scarica con polarità positiva non è molto differente da quella in
condizioni secche mentre si può ridurre di molto con polarità negativa,
avvicinandosi ai valori ottenibili con la polarità opposta.
La situazione dell’isolamento superficiale risulta spesso particolarmente
gravosa, invece, quando gli isolatori si trovino a funzionare in zone in
cui l'ambiente, seppure in vario modo, sia inquinato.
Data l'estensione della costa è chiaro che l'inquinamento di tipo marino
è predominante essendo quello industriale frazionato in aree di
estensione relativamente modeste. Più del 10% dei km di linee
elettriche a media e alta tensione della rete italiana è interessato da
inquinamento e di questi l'80% circa è sottoposto ad inquinamento
G.Pesavento
marino.
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Meccanismi di scarica diversi a seconda che le superfici siano:
1.Idrofile (superfici che di bagnano)
In presenza di umidità si forma un velo sottile di elettrolita; è questo il
caso degli isolatori in vetro e porcellana
2. Idrorepellente (non si forma un velo continuo di acqua)
L’acqua si raccoglie in piccole gocce distinte senza la formazione di un
velo continuo; è questo il caso degli isolatori polimerici in gomma
siliconica (SR), in etilene-propilene-diene monomero (EPDM) e in altri
polimeri
G.Pesavento
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Meccanismo di scarica con tensione continua
V
a)
V
b)
c)
V
d)
G.Pesavento
V
V
e)
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x
L
Detta Va la caduta d'arco, r la resistenza del deposito per unità di
lunghezza ed i la corrente, la tensione tra gli elettrodi è data da:
Vs = Va + ri(L-x)
Esprimendo la caduta d'arco con un'espressione Va = Axi-n si ha:
Vs = Axi-n + ri (L-x)
G.Pesavento
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Vm = (n+1)(Ax)1/(n+1) [r(L-x)/n]n/(n+1)
L'andamento di Vm in funzione di x presenta un massimo che
vale
Vc = A
1/(n+1)
Lr
n/(n+1)
in corrispondenza ad una lunghezza d'arco xc = L/(n+1
G.Pesavento
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V
Vs
VC
VS
Vm
i
Andamento della tensione in funzione della
corrente
G.Pesavento
XS
XC
X
Andamento della tensione minima in
funzione della lunghezza dell’arco
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Influenza dell'inquinamento sul dimensionamento dell'isolamento
Dato che in condizioni pulite la presenza di isolatori non altera più di
tanto la tenuta, la distanza d, conduttore-struttura, determina la tenuta
dell'isolamento alle sovratensioni di manovra, mentre la lunghezza L
determina la tenuta alla tensione di esercizio in condizioni inquinate.
G.Pesavento
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Vn(kV)
420
765
1100
G.Pesavento
k* (p.u.)
2.7
2.1
1.8
d* (m)
2.9
5.4
7.8
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I metodi di monitoraggio dell’inquinamento forniscono, per
certe grandezze che sono collegate al grado di
inquinamento, valori che possono essere utilizzati in prove
di laboratorio per realizzare condizioni sperimentali per certi
aspetti analoghe alle condizioni naturali. I metodi di
monitoraggio
• deposito equivalente a sostanze di tipo solubile in acqua
(DDSE – Equivalent Salt Deposit Density)
• tipo non solubile (DDNS – Non Soluble Deposit Density)
• la conduttanza superficiale dell’isolatore contaminato
• la corrente di fuga
G.Pesavento
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METODI DI PROVA
• Metodo della nebbia salina
• Metodi con contaminante solido e
nebbia pulita
G.Pesavento
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Tipo
Profilo
Diametro
(mm)
Lunghezza
assiale
(mm)
Linea di
fuga (mm)
254
140
298
Antinebbia
I
381
186
587
Antinebbia
II
415
170
636
Standard
Esempi di profili di isolatori ceramici cappa e perno
G.Pesavento
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g/l
160
salinità di tenuta
80
40
20
10
5
2.5
20
30
40
50 mm/kV
Fig. 5.41 - Lunghezza linea di fuga / tensione di prova
G.Pesavento
26