Università degli studi di Padova
Dipartimento di ingegneria elettrica
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.
G.Pesavento
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Tipo di intervallo
k
Asta-piano
1
Osservazioni
Asta-struttura
1,05
Asta-asta
1  0,6
Conduttore-piano
Conduttore-struttura
Conduttore–asta
G.Pesavento
h
hd
1,1
1,1 
0,35
w
1
d
 0,7h 
1,1  exp 

hd
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G.Pesavento
Anello di guardia–
pilone
(con catena a V)
1,25
Anello di guardia–
pilone
(con catena verticale)
1,5
Per il calcolo della
tensione di scarica va
considerata solo la più
piccola delle distanze
d1 e d2
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V
(kV)
5kV/cm
1000
R=50cm
800
asta-piano
R=35cm
600
R=25cm
400
R=15cm
200
0
0
G.Pesavento
d(cm)
100
200
300
400
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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.
G.Pesavento
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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.
G.Pesavento
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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/cmbar, 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.
G.Pesavento
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2000

 1 


 cmbar 
1000

/p
e
/p
 aria
0
*
-1000
0
20
40
60
80
100 120 140
E/p (kV/cm bar)
Coefficienti di ionizzazione e di attaccamento in SF6 in funzione di E/p
d
 α *dx
e0
G.Pesavento
 N c  108  10 9
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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.
G.Pesavento
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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.
G.Pesavento
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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.
G.Pesavento
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Effetto della rugosità della superficie dei conduttori
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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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
d
 (  )dx  20
0
è sufficiente una distanza di circa 0,6 mm.
E/Elim =   1 viene detto fattore di rugosità
G.Pesavento
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Rugosità delle superfici
Rd
Rugosità media Rd di una superficie metallica
1.0
E

E lim
0.8
0.5 bar
1
2.5
0.6
4
0.4
0.01
G.Pesavento
0.1
1
10
Rd (m)
100
1000
Fattore di rugosità  in funzione della rugosità media per pressioni diverse
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Effetto di particelle estranee
1.0
1
Vcp
Vsp 0.8
2
0.6
3
4
0.4
r1= 6 mm
r2= 60 mm
0.2
r0= 0.5 mm
0
0
1
2
3
4
5
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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200
1
kV
150
2
100
3
50
0
0
1
2
3
p (bar)
4
5
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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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
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G.Pesavento
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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
G.Pesavento
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