1 Università degli studi di Padova Dipartimento di ingegneria elettrica G.Pesavento Rappresentazione schematica della formazione e propagazione di uno

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Università degli studi di PadovaDipartimento di ingegneria elettrica

G.Pesavento

A

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B

C

D E

Rappresentazione schematica della formazione e propagazione di uno streamer positivo

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G.Pesavento

Scarica in aria su lunga distanza con impulsi di fulminazione

1 s/div

Traccia superiore: Tensione applicata

Traccia inferiore: Campo elettrico al piano

Sviluppo temporale della scarica

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G.Pesavento

Sviluppo temporale della scarica5 s/div

Traccia superiore: Campo elettrico al piano

Traccia inferiore: Tensione applicata

Sviluppo della scarica con onde di forma non convenzionale

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G.Pesavento

Scarica in aria con onda di manovra

Fotografia risolta nel tempo dello sviluppo di una scarica

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G.Pesavento

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G.Pesavento

d

0 400 800 1200

0

V50

(kV)

Tcr (s)

25m

21m

14m10m

8m

5m

2m

3000

2000

1000

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G.Pesavento

Tensione di scarica con polarità negativa in geometria asta-piano in funzione del tempo alla cresta dell’impulso di tensione

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G.Pesavento

La scarica con polarità positiva

-il primo corona che avviene all'istante Ti;

-la formazione, all'istante T1, di un canale (leader) che si propaga in modo continuo; dalla sua testa si sviluppa un fenomeno corona e la propagazione del leader, che avviene a velocità quasi costante, si protrae fino all'istante in cui gli streamer raggiungono l'elettrodo opposto;

- il salto finale, che si sviluppa una volta che gli streamer del corona di leader hanno raggiunto l’elettrodo opposto. Durante questa fase il canale percorre l'ultimo tratto ad una velocità via via crescente fino all'arrivo al piano all'istante TB in cui, praticamente, si completa la scarica.

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G.Pesavento

Grazie al campo dovuto alla carica spaziale alla sua testa, lo streamer si propaga oltre il punto P, in zone dove il solo campo geometrico Eg non sarebbe sufficiente alla moltiplicazione di cariche. Lo streamer risulta un filamento parzialmente ionizzato con una caduta di tensione, a pressione atmosferica, di circa 5 kV/cm. La velocità dell'ordine di 102÷103 cm/µs; può arrestarsi prima di arrivare all'elettrodo opposto, lasciando, in questo caso, nella zona in cui si è propagato una certa quantità di carica, prevalentemente positiva.

Dato il peso prevalente che, nella propagazione, ha il campo prodotto dalla carica spaziale alla sua testa, lo sviluppo di uno streamer segue solo approssimativamente le linee del campo applicato. E' da osservare infine che nel caso che due valanghe secondarie di sufficienti dimensioni arrivino contemporaneamente da direzioni diverse sulla testa dello streamer, si può originare una diramazione del filamento; via via che il fenomeno si ripete, lo

sviluppo del fenomeno corona acquista sempre più una struttura di tipo "arborescente".

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G.Pesavento

V0

Vim Vi

N

Distribuzione delle tensioni di innesco del corona

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G.Pesavento

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 t (s)

0

200

400

600

800

(kV)

Vc

25 cm

255 cm

Vc

1860 kV/s

1380 kV/s

1080 kV/s

790 kV/s

660 kV/s

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G.Pesavento

Leader

Dopo il primo corona, i fenomeni di ionizzazione possono ricominciare con lo sviluppo, a partire dallo stem di corona, di un canale parzialmente ionizzato, nel seguito chiamato leader, che si propaga, in modo abbastanza continuo, verso l’elettrodo opposto, preceduto dalla formazione da corona che si sviluppano alla sua punta.

Durante la fase di propagazione continua, il leader avanza con una velocità quasi costante, dell'ordine di 1,5 ÷ 2 cm/µs, seguendo un percorso tortuoso, che risulta del 10-30% più lungo della minima distanza tra gli elettrodi. La corrente associata all'avanzamento del leader è quasi costante, indicando una carica per unità di lunghezza del canale dell'ordine di qualche decina di µC/m.

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G.Pesavento

La formazione e propagazione del leader, che presuppone un aumento del campo elettrico precedentemente ridotto dalla carica spaziale dovuta alla formazione del corona, può essere attribuito a tre differenti cause:

-l'aumento della tensione applicata, e quindi del campo geometrico;

-il movimento della carica spaziale, e quindi un ritorno verso la distribuzione di campo geometrico iniziale;

- la trasformazione di una parte dei filamenti di corona, in particolare lo stem, in elementi a conducibilità più elevata.

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G.Pesavento

Il salto finale

Quando gli streamer del corona di leader raggiungono l'elettrodo opposto, ha inizio la fase di salto finale: la velocità del leader e la corrente associata aumentano quasi esponenzialmente fino a che il canale ha coperto la totale distanza tra gli elettrodi. All'inizio del salto finale la tensione applicata V può essere espressa da

V = E1L1 + EsLs

dove E1 e Es sono i gradienti medi lungo il canale di leader e nella zona degli streamer. In queste condizioni la corrente è

legata alla conducibilità del leader e degli streamer.

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G.Pesavento

Ll

Ls

Leader e streamer all’inizio del salto finale

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G.Pesavento

POLARITA’ NEGATIVA

Corona impulsivo

Eg

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

BA

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G.Pesavento

Formazione di una scarica con polarità negativa. A: leader negativo; B: leader spaziale; C e G: streamer positivi; D: stem spaziale; E: streamer negativi; F: leader positivo

La scarica con polarità negativa

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G.Pesavento

Fotografia risolta nel tempo; gap di 1 m e tensione 2/2500 s – Polarità negativa

Il salto finale

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G.Pesavento

T

Fotografia al convertitore di immagine degli ultimi 10 s dello sviluppo della scarica in un gap di 4 m con una punta sulla superficie piana

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G.Pesavento

H

d

E

Distribuzione del campo in una geometria asta-asta

La scarica con entrambi gli elettrodi

sollecitati

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G.Pesavento

d

H

d

negativo

positivo

H

d =

H

d = 0

U50

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G.Pesavento

Tcr

V+

to

t

Tcr+

Tb

v-

Tcr-

V-

L’isolamento fase-fase

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G.Pesavento

VV

Vα

1

3000

1

kV

(V+ + V-)

2000

1000

0,500

2

D=4 m

1- Asta – asta orizzontale

2 – Asta – asta verticale

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G.Pesavento

Negativo

Positivo

0 5 10 15 20 25 30

d (m)

0

1

2

3

4

V50

(MV)

Valori minimi della tensione di scarica in funzione della distanza

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G.Pesavento

0 2 4 6 80

Positivo

Negativo

V50

(kV)

d (m)

d

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 80

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

d (m)

E50

(MV/m)

Positivo

Negativo

Tensione di scarica con sovratensione da fulminazione Gradienti medi alla tensione di

scarica

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G.Pesavento

-Polarità positiva:

V50 = 500 d0,6 (fino a 10 m);

V50 = (da 2 a 15 m);

V50 = 1400 + 55 d (da 15 a 30 m)

con V espresso in kV e d in metri. La deviazione standard è di circa il 5%.

-Polarità negativa:

V50 = 1180 d0,45

con V espresso in kV e d in metri. La deviazione standard è di circa l'8%.

d

81

3400

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