2
Il fenomeno fisico
A seconda del tipo di isolante interessato e dalle modalità di innesco le scariche parziali possono
essere suddivise in quattro classi [1]:
ξ Effetto corona: fenomeno che si sviluppa in
corrispondenza di estremità appuntite di elettrodi che
sporgono in gas o liquidi. In aria, le scariche non sono
pericolose, ma i prodotti di decomposizione come
l’ozono o i nitrati danneggiano l’isolante;
nell’esafluoruro di zolfo (SF
6
) producono sostanze
aggressive e velenose mentre in olio portano ad una
diminuzione della rigidità dielettrica (Figura 0-1).
ξ Scariche superficiali: sono scariche che si possono
sviluppare in gas o in olio quando è presente una
componente del campo elettrico parallela alla superficie
del dielettrico di valore particolarmente elevato. Questo
fenomeno danneggia la superficie del dielettrico per
effetto termico e per la formazione di composti chimici
come acido nitrico e ozono, che possono portare
all’erosione della superficie del dielettrico (Figura 0-2).
ξ Scariche interne: sono scariche che spesso
rappresentano la principale causa della diminuzione
della vita del materiale isolante e si manifestano per lo
più in cavità piene di gas. Il fenomeno ha inizio con
l’erosione della superficie interna della cavità e
prosegue con la formazione di buchi denominati pits;
elevati valori di campo elettrico portano alla formazione
di ramificazioni (trees), che, in breve tempo, causano la
perforazione completa del dielettrico (Figura 0-3 e
Figura 0-4).
Figura 0-1. Effetto corona in corrispondenza di un
elettrodo.
Figura 0-2. Scarica parziale superficiale.
Figura 0-3. Cavità di qualche Πm di diametro in un
provino di XLPE. Si noti l'erosione della superficie della
cavità e l'inizio della nascita di ramificazioni.
3
Figura 0-4. Ramificazioni che originano da cavità di qualche Πm di diametro in un
provino di XLPE.
ξ Treeing (canale di scarica ramificato): sono ramificazioni che si sviluppano a partire da
particelle conduttrici o da cavità in un isolante solido; il
fenomeno porta alla formazione di un tronco principale
cavo e di numerose ramificazioni. Il tempo necessario
per la generazione di un canale di scarica ramificato
dipende dal valore della tensione applicata e può
richiedere ore, settimane o anche anni. La proprietà dei
gas e dei liquidi di penetrare nei materiali isolanti solidi
indica che questi sono dotati di una microstruttura “a
canali”. Normalmente questi canali e cavità contengono
gas con rigidità dielettrica inferiore a quella del
materiale; quando ha inizio la scarica, le pareti dei
canali e dei vacuoli divengono conduttive causando una
riduzione della caduta di tensione lungo il canale.
Durante il processo di scarica si deposita, sulle pareti
delle microcavità, una certa quantità di carica residua.
Con bassi valori della tensione applicata si ha
l’estinzione della scarica con conseguente formazione di una carica spaziale con direzione
perpendicolare al campo elettrico; all’aumentare della tensione applicata aumenta inoltre la carica
spaziale che tende a diffondersi nei canali ramificandosi entro il materiale. Quando il cratere ha
raggiunto una certa profondità è possibile l’instaurarsi di un fenomeno di scarica parziale anche in
Figura 0-5. Ramificazioni che si sviluppano dal
canale di scarica in un provino di XLPE. Si noti
la ramificazione del canale in cui è presente un
ramo principale cavo e delle derivazioni in cui si
raccolgono le cariche residue dovute alle SP.
4
prossimità della sua punta più estrema che, in breve tempo, porta alla rottura (breakdown) per
perforazione del materiale.
Il processo di scarica
Affinché la SP abbia origine devono verificarsi due condizioni:
‚ presenza di elettroni liberi all’interno della cavità;
‚ il campo elettrico entro la cavità deve superare il valore minimo di breakdown.
Un elettrone libero all'interno della cavità viene accelerato dal campo elettrico acquistando un’energia
tale che, in media, la sua collisione con una molecola genera una carica maggiore di quella assorbita;
se gli elettroni liberi sono sufficientemente lontani dalle pareti della cavità è possibile che acquistino
una notevole energia prima di collidere con una molecola delle pareti della cavità.
Il valore minimo di tensione di breakdown (o tensione di ignizione) dipende dalle dimensioni della
cavità, dal gas imprigionato, dalla temperatura e dalla pressione interna alla cavità.
Il fenomeno di scarica è un processo stocastico e
avviene dopo un certo ritardo dall’applicazione
della tensione di breakdown (Figura 0-1). Il tempo
di ritardo Ω
s
si riduce con la presenza di vapore
d’acqua poiché le molecole d’acqua liberano
elettroni; in pratica questo ritardo è dell’ordine dei
millisecondi [2].
In genere la presenza dei primi elettroni all’interno
della cavità è dovuta a radiazioni cosmiche e
dell’ambiente circostante in quanto il campo
elettrico è debole.
Se le caratteristiche della cavità sono tali da poter dar luogo a SP, quando un elettrone viene
accelerato dal campo elettrico provoca una crescita esponenziale della popolazione elettronica grazie
alle collisioni all’interno della cavità. In pochi nanosecondi si ha la formazione di un canale di scarica
∋V
Ω
s
V
1
V
2
t
Figura 0-1. Tempo di ritardo valutato statisticamente nel
fenomeno di scarica. Tensione di inizio scarica V
1
,
tensione di breakdown: V
2
, ∋V: V
1
– V
2,
tempo di
ritardo statistico Ω
s
.
5
entro la cavità e parallelamente si ha riduzione del campo elettrico. Quando il campo elettrico scende
sotto un valore limite il canale scompare lasciando libere nella cavità una gran quantità di cariche
positive e negative che si muovono verso le pareti della cavità per moto di deriva (drift) indotto dal
campo ancora presente.
Per costruire un modello di materiale soggetto a SP si
consideri un condensatore tra le cui armature è interposto un
dielettrico al cui interno è presente una sola cavità (vacuolo)
di capacità C immersa in un tubo di flusso dielettrico di
capacità b; al condensatore risulta applicata una tensione V
a
,
mentre al vacuolo la tensione V
c
(Figura 0-2) [1] [3].
Nel caso in cui venga applicato un campo unidirezionale di
valore opportuno, lo sviluppo di scariche parziali all’interno
della cavità equivale, ai fini delle variazioni elettriche nel
circuito di alimentazione, ad impulsi di corrente tutti dello
stesso segno. Gli impulsi si ripetono continuamente, sovrapponendosi alla corrente di regime
circolante nel circuito (Figura 0-3).
L’applicazione di un campo elettrico alternato fa sì che tali impulsi cambino di polarità al variare della
tensione nel tempo; in Figura 0-3 sono riportati gli andamenti nel tempo delle tensioni applicate e
delle cariche assorbite.
Al crescere della tensione di alimentazione, la d.d.p. V
c
ai capi della cavità cresce fino al valore di
breakdown V
i
+
per il quale viene superata la rigidità dielettrica dell’isolante all’interno del vacuolo e
si ha la scarica che causa la variazione ∋V
+
della tensione V
c
; quindi la tensione applicata al vacuolo
decresce sino ad un valore detto di «estinzione» per poi ricominciare a crescere con V
a
.
Il processo di scarica si ripete più volte nella semionda positiva e in quella negativa e il numero di
impulsi per ciclo si ripetono identicamente sia per numero sia per posizione se si ammettono costanti i
valori delle tensioni di ignizione e di estinzione.
Figura 0-2. Condensatore con dielettrico
interposto tra le armature e presenza di una
cavità o vacuolo. Va tensione di
alimentazione, Vc tensione del vacuolo.
6
Figura 0-3. Andamento della tensione ai capi del vacuolo (in alto), andamento
corrente di scarica con alimentazione di tipo sinusoidale (in basso). Si noti come il
fenomeno delle SP si presenta come un treno di impulsi ricorrenti [3].
Simbolo Descrizione
V
i
+
Tensione di breakdown ( o di ignizione ) positiva
V
i
-
Tensione di breakdown ( o di ignizione ) negativa
V
s
+
Tensione di spegnimento (o estinzione ) positiva
V
s
-
Tensione di spegnimento (o estinzione ) negativa
Si può concludere che con tensione di alimentazione alternata sinusoidale il fenomeno delle scariche
parziali, si presenta pertanto, come un treno d’impulsi ricorrenti rilevabile ai morsetti esterni sia come
caduta di tensione deformata sovrapposta alla V
a
sia come treno d’impulsi di cariche elettriche
richiamate dalle scariche alle quali si associa anche una dissipazione di energia.
Classificazione degli stadi di scarica secondo Morshuis
Il fenomeno di scarica parziale in cavità evolve in funzione della durata dell’attività di scarica; in
particolare si possono individuare tre stadi successivi, ognuno caratterizzato da un insieme di
parametri elettrici [1][2][4] :
7
ξ Stadio tipo Streamer: è lo stadio presente all’inizio dell’attività di scarica ed è caratterizzato da un
impulso di corrente di scarica a fronte molto ripido della durata delle centinaia di picosecondi sino a
qualche nanosecondo (Figura 0-1, Figura 0-2, Figura 0-3, Figura 0-4). Nella cavità le scariche sono
distribuite spazialmente sulla superficie e si innescano in rapida successione. Ogni singola scarica
consiste di uno stretto canale (streamer) con qualche estensione laterale in prossimità della superficie
della cavità.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
A
m
p
i
e
z
z
a
tempo [ns]
Figura 0-1. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo streamer
(caso simulato).
Figura 0-2. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo streamer
(caso reale).
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
A
m
p
i
e
z
z
a
tempo [ns]
Figura 0-3. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo streamer
(caso simulato).
Figura 0-4. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo streamer
(caso reale).
ξ Stadio tipo Townsend: è lo stadio che si ha ad invecchiamento già avanzato in cui gli impulsi di
corrente di scarica sono caratterizzati da una durata temporale maggiore, (rispetto alla scarica
Streamer), e proporzionale allo spessore della cavità. Gli impulsi presentano un fronte di salita
dell’ordine delle decine di nanosecondi e possono presentare un “pianerottolo” sul fronte di discesa
con durata che può arrivare all’ordine delle decine di microsecondi (Figura 0-5, Figura 0-6, Figura
8
0-7, Figura 0-8, Figura 0-9 e Figura 0-10). Sperimentalmente si è dimostrato che per piccole
sovratensioni si instaura generalmente il meccanismo tipo Townsend e che il deposito di prodotti di
ossidazione è una condizione necessaria per la transizione da scariche tipo Streamer a scariche tipo
Townsend.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
A
m
p
i
e
z
z
a
tempo [ns]
Figura 0-5. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo
townsend (caso simulato).
Figura 0-6. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo townsend
(caso reale).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
ttempo [ns]
A
m
p
i
e
z
z
a
Figura 0-7. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo
townsend (caso simulato).
Figura 0-8. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo townsend
(caso reale).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
tempo [ns]
A
m
p
i
e
z
z
a
Figura 0-9. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo
townsend (caso simulato).
time [ns]
I
[
m
A
]
Figura 0-10. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo townsend
(caso reale).
9
ξ Stadio tipo Pitting: è lo stadio finale di attività di scarica parziale, che inizialmente si instaura
contemporaneamente allo stadio tipo Townsend. Questo stadio è caratterizzato da un’intensa
degradazione del dielettrico che porta alla formazione di crateri (pits). Le scariche di tipo Pitting sono
caratterizzate da un’elevata velocità di ripetizione degli impulsi senza alcuna periodicità (Figura 0-11
e Figura 0-12).
20 40 60 80 100 120 140 160
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
tempo [ns]
A
m
p
i
e
z
z
a
Figura 0-11. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo pitting
(caso simulato).
Figura 0-12. Andamento della corrente richiamata ai
morsetti del provino in caso di scarica di tipo pitting (caso
reale).
La possibilità di prevedere in maniera affidabile in quale delle tre fasi si trova il dielettrico e quindi
indirettamente lo stato di invecchiamento è di fondamentale importanza sia dal punto di vista
tecnologico sia dal punto di vista economico.
I tre stadi sono distinguibili fra loro grazie al diverso profilo delle scariche e si possono individuare
dei parametri significativi ai fini della discriminazione (Figura 0-13):
ξ tempo di salita del fronte iniziale dal 10% al
50% del valore di picco (t
r
);
ξ ampiezza della singola scarica ovvero valore
massimo della corrente (I);
ξ durata dell'impulso di scarica o tempo
all’emivalore (t
w
);
ξ tempo di decadimento dal 90% al 10% del
Figura 0-13. Parametri che caratterizzano la corrente di
scarica.
10
valore di picco(t
d
);
ξ intervallo di ripetizione fra una scarica e la successiva;
ξ carica messa in gioco dall'evento;
ξ presenza di un “pianerottolo” nel fronte di discesa dell’impulso.
L’evolversi del fenomeno di scarica parziale può essere riassunto tramite il seguente schema in Figura
0-14 [2].
Degradazione per impatto degli ioni
N2
Ossidazione di polimeri
O2
Inizio
breakdown
Formazione
treeing
Attività di scarica
pitting
Attività di scarica
streamer
Attività di scarica
townsend
Figura 0-14. Schema che esemplifica come il fenomeno di scarica parziale porti alla
rottura dell’isolante.
Gli effetti deleteri dell’attività di scarica sono identificati dai seguenti processi:
ξ reazioni chimiche tra ossigeno, ozono e radicali polimerici sulla superficie della cavità;
ξ bombardamento della superficie della cavità da ioni con elevata energia dovuti alla formazione di
radicali liberi;
ξ deterioramento della superficie della cavità causato dalle radiazioni ultraviolette (UV).
11
La misura delle Scariche Parziali
Per quanto riguarda la misura di scariche parziali vi sono due possibili approcci [1]:
ξ misura della caduta di tensione agli elettrodi del provino dovuta alla scarica interna:
(0.1)
C
Q
V
∋
∋
ξ misura dell’ampiezza di una scarica parziale in termini di carica che fluisce fra gli elettrodi
considerando costante la d.d.p. tra questi:
(0.2)
VCQ ∋ ∋
Infatti con tensione applicata alternata sinusoidale il
fenomeno delle SP si presenta come un treno di
impulsi (Figura 0-3) ricorrenti rilevabile ai morsetti
esterni, sia come caduta di tensione di tipo impulsivo
sovrapposta alla tensione sinusoidale applicata, sia
come treno d'impulsi di cariche elettriche richiamate
dalle scariche alle quali si associa anche una
dissipazione di energia. Alla carica q richiamata
dall'alimentazione si dà il nome di ”carica apparente
relativa alle SP” e dal momento che non dipende dalle
dimensioni geometriche del provino e degli elettrodi,
ma solo dal tipo di SP viene adottata come parametro
di misura [4].
I modelli sviluppati per l'analisi delle SP si basano sui meccanismi che si instaurano nel processo di
scarica e sull'energetica del fenomeno; tra questi il più diffuso per lo studio del comportamento di un
provino in corrente alternata è il modello capacitivo (modello delle 3 capacità) che consente di stimare
il trasferimento di carica agli elettrodi del provino e l’energia messa in gioco (Figura 0-1).
Figura 0-1. Modello delle 3 capacità di un dielettrico
con vacuolo. C
1
capacità relativa al vacuolo, C
2
capacità dell'isolante posto nel tubo di flusso
contenente il vacuolo ed in serie con C
1
, C
3
capacità
del restante dielettrico in parallelo con la serie di C
1
e C
2
.
12
Nella Figura 0-2 è mostrato il modello
schematizzato circuitalmente.
L’interruttore I di Figura 0-2 permette di
rappresentare, con la sua chiusura, la scarica
elettrica.
Il metodo più frequentemente utilizzato per
il rilievo delle scariche parziali consiste nella
valutazione, nel circuito esterno (in serie al
dielettrico, morsetti A e B di Figura 0-1 e
Figura 0-2), degli impulsi di corrente causati
dalle scariche all’interno del vacuolo [4].
Il circuito di misura a cui si fa riferimento è
rappresentato in Figura 0-3.
Figura 0-3. Schema di principio del circuito di misura di una prova di SP. V
voltmetro; F filtro passa basso, C condensatore che modellizza il provino con
imperfezioni da esaminare, K condensatore d'accoppiamento esente da SP, Z
m
impedenza di misura, M strumento di misura.
La corrente di scarica che ha origine in C, ovvero nell'oggetto in prova, percorre almeno in parte
l'impedenza Z
m
(detta ”impedenza di misura” in genere di tipo RC o RLC), ai capi della quale
compare sotto forma di tensione che l'apparecchio di misura M trasforma in indicazione (Figura 0-3).
Ai fini della misura è importante prevedere un filtro F passa basso che impedisca che la corrente di
scarica si richiuda anche attraverso l'impedenza della rete d'alimentazione; solitamente si tratta di
un’induttanza di sbarramento.
Figura 0-2. Circuito elettrico equivalente ai fini della SP. C
1
capacità relativa al vacuolo, C
2
capacità dell'isolante posto nel
tubo di flusso contenente il vacuolo ed in serie con C
1
, C
3
capacità del restante dielettrico in parallelo con la serie di C
1
e C
2
,
I interruttore che rappresenta la scarica, V
t
tensione totale
applicata al provino, V
1
tensione applicata al vacuolo, R
resistenza di scarica.
13
La variazione di tensione ai capi del provino ∋V
t
da luogo ad una circolazione di corrente nella maglia
del circuito di misura (i
SP
), che è funzione del rapporto fra le capacità del circuito (generalmente
K>>C).
Con le notazioni di Figura 0-2 la carica associata alla scarica risulta:
(0.3)
t
12
12
3SP
V
CC
CC
Cdt)t(iq ∋
≥ ÷
÷
≠
•
♦
♦
♥
♣
Allora, essendo C
1
>> C
2
, si ottiene, tenendo conto della equazione (0.3) la carica apparente di una
scarica parziale:
(0.4)
1
1
2
t2t23
Q
C
C
VCV CCq ∋∋∋ #
Esistono due metodologie di misura della carica apparente: nella prima, detta metodo diretto, il
rilievo è basato sull’amplificazione della tensione ai capi dell’impedenza di misura (Figura 0-4); nella
seconda, detta metodo a ponte o metodo bilanciato, la corrente di scarica viene rilevata come
descritto in precedenza mentre vengono soppressi eventuali impulsi provenienti dal circuito di
alimentazione, aventi caratteristiche simili a quelli generati dalle SP nel provino [1]. L’eliminazione
di queste interferenze esterne può essere ottenuta per mezzo di due rami di impedenza variabile
regolati per bilanciare il ponte.
AT
C
t
Z
m
Z'
m
C'
t
AT
C
k
C
t
Z
m
Figura 0-4. A sinistra metodo diretto: una delle disposizioni possibili. A destra
metodo a ponte bilanciato. C
k
capacità di accoppiamento, C
t
provino (o oggetto in
prova), Z
m
: impedenza di misura, C'
k
e Z'
m
impedenze regolabili per bilanciare il
ponte.
I metodi illustrati si prefiggono tre obiettivi principali:
14
ξ determinare la presenza di scariche parziali e stimarne la loro intensità;
ξ localizzare il punto dove avvengono le scariche (per esempio: metodi acustici);
ξ stimare il pericolo causato dalle scariche rilevate; principalmente riconoscendo il tipo di difetto
presente.
E` noto che le caratteristiche delle SP possono cambiare sostanzialmente durante il servizio e che il
verificarsi delle SP dipende dalla temperatura, dalla pressione, dalla tensione applicata e dalla durata
del test. Le scariche possono causare modifiche strutturali nel difetto che possono a volte portare a
variazioni delle caratteristiche degli impulsi di SP (pattern di scarica).
I rilievi oscillografici forniscono, allora, valide informazioni sul tipo e l’origine delle scariche parziali;
inoltre anche i diagrammi dell’intensità di scarica in funzione della tensione applicata possono essere
di aiuto nel determinare la causa della scarica. Infine, altre informazioni possono essere ottenute dallo
studio del comportamento dell’ampiezza della scarica e della tensione di estinzione.
In tempi recenti, è cresciuto l’interesse della ricerca sull’uso di tecniche digitali per la valutazione
delle scariche parziali.
Un indubbio vantaggio di un sistema di misura automatico, basato su di un calcolatore, risiede nella
capacità di elaborare un elevato numero di informazioni e presentare i risultati in forme più facilmente
interpretabili.
Lo sviluppo di tali sistemi negli ultimi anni ha seguito due tendenze. La prima tendenza è quella di
migliorare la sensibilità e la reiezione ai disturbi, la larghezza di banda o la risposta all’impulso del
sistema di misura. Questo ha portato ad un miglioramento nell’immunità al rumore, nella
localizzazione delle scariche e nella comprensione del meccanismo fisico. La seconda tendenza è
quella di individuare con una certa attendibilità le fonti di scarica e di migliorare la valutazione dei
risultati delle misure, in modo da giudicare la qualità e le condizioni di un sistema di isolamento
(problema della diagnosi).
15
L’approccio normativo
Le prescrizioni generali per la misura delle scariche parziali sono riportate nella norma CEI 42-3 nella
quale si considerano come grandezze preferenziali la carica apparente e la frequenza di ripetizione
delle scariche, sono illustrati i circuiti di misura e si fa riferimento agli strumenti e alle procedure di
calibrazione e controllo.
Inoltre vengono presi in considerazione i disturbi ed il loro effetto sul livello minimo di scarica
parziale misurabile [1] .
Ulteriore normativa può essere rintracciata nelle seguenti norme CEI [6]:
CEI 42-3 Fascicolo 763
CT 42: tecnica delle prove ad alta tensione
Scariche parziali - Misure
CEI 15-86 Fascicolo 2123
CT 15/98: materiali isolanti/sistemi di isolamento
Metodi di prova raccomandati per determinare la resistenza relativa
dei materiali isolanti alla scarica dovuta a scariche parziali
CEI 20-16 Fascicolo 385
CT 20: cavi per l'energia
Cavi - misura delle scariche parziali
CEI 38-3 Fascicolo 762
CT 38: trasformatori di misura
Trasformatori di misura - Misura delle scariche parziali
NORME
CEI
Scopo della Norma
La Norma CEI considerata si pone i seguenti obiettivi:
‚ “verificare che l’oggetto in prova, ad una tensione specificata, sia esente da scariche parziali
d’intensità superiori ad un valore prefissato”;
‚ “determinare i valori di tensione ai quali scariche parziali di uno specificato basso livello si
presentano con tensioni crescenti e spariscono con tensioni decrescenti”;
‚ “determinare l’intensità delle scariche ad una tensione specificata”.
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