1 Università degli studi di Padova Dipartimento di ingegneria elettrica G.Pesavento Rappresentazione schematica di distanziatore a disco (a) e distanziatore

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Università degli studi di PadovaDipartimento di ingegneria elettrica

G.Pesavento

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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G.Pesavento

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.

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.

r1

r2

SF6

3


G.Pesavento

SF6

0.90.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.30.2

0.1

0.90.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.30.2

0.1

a) b)

Profili ottimali per distanziatore a disco (a) e per distanziatore a cono (b)

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G.Pesavento

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.

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G.Pesavento

20

1500

N2

10%

20% 50%SF6

E/p (kV/cm bar)

1000

500

0

-500

-10000 40 60 80 100 120 140

barcm

1

*/p

Miscele di gas

Coefficiente di ionizzazione totale */p, in funzione del campo ridotto,

per miscele di N2 /SF6

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G.Pesavento

50 % SF6 0 100

0

0.2

0.4

1.0

)SF(E

miscela)(E

6c

c 0.8

0.6

Rapporto tra campo critico in miscele N2/SF6 ed SF6 puro al variare della sua percentuale

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G.Pesavento

0 5 10 15 20 25 300

200

400

600

800

SF6

20% 15% 10%5%

N2

p (bar)

U50 (kV)

1000

1200

1400

Tensione di scarica in geometria cilindrica per miscele di N2/SF6 in funzione della pressione

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G.Pesavento

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.

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G.Pesavento

t273t273

p

pδ 0

0

t273t273

αA-expδ 0

con A in metri, t in °C ed = 121 x 10-6

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G.Pesavento

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 e k2 = kw.

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G.Pesavento

0 5 10 15 20 25 30 35

k

h/ (g/m3)

1+0.010 (h/-11)

k

Tensione alternata

Tensione ad impulso

Tensione continua

Impulso

Alternata

Continua

Tensione Gamma di Umidità g/m3

1,2

1,1

1,0

0,9

0,8 1+0.012 (h/-11)

1+0.014 (h/-11)

1 h/ <15

1 h/15

1 h/13

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G.Pesavento

kdδ500

Ug

Coefficienti m e w in funzione del parametro g

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G.Pesavento

L’isolamento in atmosfera contaminataL’isolamento in atmosfera contaminata

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G.Pesavento

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 scarica.

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G.Pesavento

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 marino.

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G.Pesavento

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

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G.Pesavento

V V

a) b) c)

d) e)

V V V

Meccanismo di scarica con tensione continua

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G.Pesavento

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)

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G.Pesavento

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

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G.Pesavento

i

Vs

Vm

XS XC X

V

VC

VS

Andamento della tensione in funzione della corrente Andamento della tensione minima in

funzione della lunghezza dell’arco

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G.Pesavento

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.

Influenza dell'inquinamento sul dimensionamento

dell'isolamento

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G.Pesavento

Vn(kV) k* (p.u.)

d* (m)

420 765 1100

2.7 2.1 1.8

2.9 5.4 7.8

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G.Pesavento

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

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G.Pesavento

METODI DI PROVA

• Metodo della nebbia salina

• Metodi con contaminante solido e nebbia pulita

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G.Pesavento

Tipo Profilo Diametro(mm)

Lunghezza assiale (mm)

Linea di fuga (mm)

Standard254 140 298

Antinebbia I 381 186 587

Antinebbia II 415 170 636

Esempi di profili di isolatori ceramici cappa e perno

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G.Pesavento

20 30 40 50 mm/kV

Fig. 5.41 - Lunghezza linea di fuga / tensione di prova

5

10

20

40

80

160

2.5

g/lsa

lini

tà d

i ten

uta

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