Costruzioni elettromeccaniche
a.a. 2003 -04
Materiali isolanti
1 – Caratteristiche di un materiale isolante
2 – Isolanti gassosi
3 – Isolanti liquidi
4 – Isolanti solidi
1
Bozza – 7 Marzo 04
Caratteristiche di un materiale isolante
Sollecitazioni nei materiali isolanti
 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
2
Qualità richieste ai materiali isolanti
buone qualità meccaniche
ottime qualità dielettriche
• elevata rigidità
• basse perdite dielettriche
buone qualità termiche
• buona conducibilità termica
• buona resistenza al calore
• 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
3
Sollecitazione dielettrica e rigidità dielettrica
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 e del materiale stesso
4
Dimensionamento dielettrico
 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.
5
Livello d’isolamento
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.
6
Sovratensioni
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
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.
7
Sovratensioni atmosferiche
fulminazione
indiretta
fulminazione
diretta
8
Fulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione
9
Fulminazione diretta in una linea ad alta tensione
10
Fulminazione diretta in una linea in bassa tensione
11
Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione
12
Sovratensioni di origine interna o di manovra
 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.
13
Esempi di sovratensioni interne
50 ms
Sovratensioni di manovra
V
(pu)
t (ms)
Ferrorisonanza
14
Onde doppio-esponenziali
Le tensioni impulsive di tipo doppio-esponenziale sono le sollecitazioni che più
frequentemente vengono utilizzate in laboratorio per simulare le sovratensioni d’esercizio.
V
v(t )  V0 e  t  e   t 
Vc
Vc : valore di cresta
tf : tempo di fronte
tc : tempo di coda
Vc / 2
t
tf
tc
La forma d’onda viene caratterizzata riportando il rapporto tf / tc e la polarità;
ad esempio: onda 1/50 s , pol. pos.
15
Sovratensioni in laboratorio
 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)
16
Il livello d’isolamento nelle norme internazionali
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
17
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 s
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
Capitolato di prova
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.
Il livello d’isolamento costituisce comunque un dato
essenziale per il progetto di una macchina elettrica
20
Caratteristiche dielettriche di un materiale isolante
 rigidità dielettrica Er [V/m]
 permettività e = ere0 [F/m] (e0 = 8,86·10-12 F/m)
 fattore di perdita tand
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
• geometria dell’isolante e degli elettrodi
V
• caratteristiche fisico-chimiche del materiale
• presenza di impurità nel materiale (umidità, gas, residui ecc.)
• sollecitazioni termiche e meccaniche applicate al materiale
I
d
21
Isolanti 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
 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.
23
Esempi di isolamenti in aria
isolamento fre le fasi
isolamento verso terra
24
Esempi di scarica in aria
scarica lungo
la catena di
sospensione
d
scarica in aria
25
Caratteristiche dielettriche dell’aria
 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
p (V )    (V )dV

V50 : tensione di scarica 50%
 (V ) 
1
e
 2
1  V V 
  50

2  
2
;  : dispersione
2 – 3 % per gli impulsi atmosferici
quasi sempre è:
 =
5 – 6 % per gli impulsi di manovra
26
Caratteristica di scarica in aria
p (%)
99
pt : probabilità di
98
scarica accettata
Vt = f(pt) :
9,35
tensione di tenuta
V50 : tensione di
scarica 50%
85
69,5
0,5
30,5
15
6,5
pt
2
1
Vt
V
V50
27
Determinazione della distanza d’isolamento in aria
Vt = f (pt)
2,5
V50
(MV)
dalla caratteristica di scarica
2
d
1,5
V50
V50
1
0,5
0
0
2
d 4
6
d (m)
8
distanza d’isolamento in aria
28
Fattori che influenzano la tensione di scarica 50%
3
Si ricorda che la V50 dipende da:
V50
(MV)
imp. atmosferici
 forma d’onda e polarità della
tensione applicata (la V50 con polarità
positiva è considerevolmente più
bassa di quella con pol. negativa).
2
imp. di manovra
 configurazione degli elettrodi e
vicinanza di terre
1
d
0
0
5
10
d (m)
15
 condizioni ambientali
(temperatura e pressione atmosferica
e presenza di pioggia)
V50 in funzione della distanza con pol. positiva nella
configurazione asta-piano
29
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
applicazioni
 ha una buona conducibilità termica ed
una eccellente stabilità termica
 interruttori
 è inodore, incolore e non tossico e non
provoca effetti fisiologici specifici (in
ambienti saturi di SF6 può verificarsi una
carenza di ossigeno)
 blindosbarre
 isolatori passanti
 TV capacitivi
 apparecchiature elettroniche
 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
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 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.
34
Qualità richieste ad un olio isolante
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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.
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
Campi di impiego dei principali liquidi isolanti
Materiale
Uso normale
Uso sperimentale
Oli minerali
tutti i componenti
------
Idrocarburi di sintesi
cavi - condensatori
trasformatori
Oli siliconici
trasformatori
condensatori
Esteri organici
condensatori
trasformatori
Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB
(Policlorobifenile) il cui uso è vietato (direttiva 96/59/CE) per il
loro impatto ambientale.
37
Oli minerali
Derivano dalla distillazione frazionata del petrolio; le Norme IEC li suddividono in tre classi, adatte
per diverse temperature ambientali
(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
Densità a 20°C
104
Viscosità (cSt)
Olio
103
102
10
1
-50
0
50
Temperatura (°C)
100
38
Caratteristiche dielettriche di un olio minerale
Proprietà
D
tensione di scarica (kV),
sfere IEC D = 2,5 mm
d
Valori tipici
60  70
tensione di scarica ad impulso (kV),
punta-piano d = 25 mm
140  160
tand ( a 90°C)
1  5·10-3
resistività ( 90 °C) (GWm)
20  2000
permettività ( a 90 °C)
2,1  2,5
39
Tensione di scarica di un olio minerale per trasformatori
1000
Vc (kV)
900
Tensione discarica (valori di
cresta) tra sfere in olio
1/60 s
 = 50 mm
800

700
d
600
1/2100 s
500
 la rigidità dielettrica dell’olio
dipende dalla forma d’onda della
tensione applicata
400
300
50 Hz
200
 la rigidità dielettrica diminuisce
all’aumentare della distanza fra gli
elettrodi
100
1
2
3
4
5
d (cm)
40
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
tensione di scarica (kV), sfere IEC D = 2,5 mm
tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm
tand (a 90°C)
resistività (a 90 °C) (TWm)
permettività (a 90 °C)
Olefine
Alchil-benzeni
>80
>80
---
90 (+) ; 312 (-)
6·10-3  3·10-5
4·10-4
---
1
2,1 2,3
2,15
41
Oli siliconici ed esteri organici
•
•
•
•
•
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).
Proprietà dielettriche
Valori tipici
tensione di scarica (kV) (prime scariche),
sfere IEC D = 2,5 mm
35  60
tensione di scarica ad impulso (kV),
punta-piano d = 25 mm
80 (+) – 270 (-)
tand ( a 90°C)
1·10-4
resistività ( 90 °C) (TWm)
0,5  1
permettività ( a 90 °C)
2,7
42
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
 occorre effettuare un accurato
procedimento di degasificazione
ed essiccazione dell’olio prima
della messa in servizio della
macchina
160
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
Formazione di gas nell’olio per trasformatori
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.
45
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 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
er
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
Sollecitazione termica
 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.
50
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.
 questa
definizione
implica un ciclo termico
in cui la temperatura è
costante per tutta la
durata
della
vita
operativa:
T
Tm
t
tp
51
Curva di vita termica
1000000
tv
(h)
La determinazione della massima
temperatura di servizio viene fatta
sulla base della curva di vita termica
determinata sperimentalmente con
prove di vita accelerate.
100000
tp
10000
Viene di solito seguito il modello di
Arrhenius che fornisce l’equazione
1000
ln tv  M 
N
T
100
10
Tm
60
100
140
180
220
260 300
q (°C)
52
Equazione di Miner
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
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
Ti
Tmax
n
i-esimo ciclo
ti
teff
tp
t

1
i
ti
1
tvi
53
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
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.
55
 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
Ad esempio le Norme CEI prescrivono per un trasformatore immerso in olio
Parte della macchina
Sovratemperatura ammessa (°C)
Avvolgimenti (classa A)
65 – 70
Olio nella parte superiore
della macchina
55 -60
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Isolamenti in porcellana
Apparecchiature con isolamento esterno
porcellana (TA, TV, passanti, interruttori)
in
Porcellane per l’isolamento esterno
di apparecchiature in alta tensione
57
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.
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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
Polietilene
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 teraftalato
Polietilene a bassa densità
Polipropilene
Polivinilcloruro
Poliuretano
termoplastico
PUR
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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/Wmm2
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
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