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Università degli studi di PadovaDipartimento di ingegneria elettrica

G.Pesavento

SCARICA IN VUOTO

Se la pressione, e quindi la densità, vengono ridotte a valori tali per cui il libero cammino medio di un elettrone risulta molto maggiore della distanza tra gli elettrodi, si è nella condizione di evitare, di fatto, qualsiasi moltiplicazione di cariche per ionizzazione per urto.

In queste condizioni, da un punto di vista elettrico, si parla di vuoto, anche se si è lontani dalla situazione di "assenza" di molecole tra gli elettrodi; con una pressione di 10-4 mmHg, ad esempio, la densità è dell'ordine di 1012 molecole/cm3 e il cammino libero medio risulta dell'ordine dei metri.

A parte qualche caso anomalo, una ulteriore riduzione della pressione non comporta miglioramenti nella tensione di tenuta.

n0 = 2.686x1019 cm−3

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• Emissione di raggi X

• Scarica mantenuta da vapori di metallo

•Tutti i fenomeni avvengono agli elettrodi

Evaporazione al catodoAnche nel caso di una accurata lavorazione della superficie degli elettrodi, esisteranno sempre delle microasperità sulle quali il campo elettrico è molto più alto di quello medio. Per effetto di emissione di campo queste asperità sono sedi di correnti che possono portare

al riscaldamento locale del materiale e, per densità di corrente sufficienti, alla sua fusione o esplosione, con conseguente evaporazione del metallo. Nei valori metallici prodotti si sviluppano fenomeni di ionizzazione per urto che portano alla scarica.

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Bombardamento dell'anodo

Elettroni emessi dal catodo, per emissione di campo in forma di fasci, vengono accelerati e bombardano l'anodo con un'energia W=eV che può essere sufficiente a causare vaporizzazione del materiale.

Effetto di agglomerati

Agglomerati di particelle, debolmente attaccati agli elettrodi, vengono staccati dagli elettrodi dalle forze del campo e accelerati verso l'elettrodo opposto dove, al loro arrivo, possono vaporizzare dando origine ad un fenomeno analogo ai precedenti.

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G.Pesavento

3 4 d (cm)

Gradiente di scarica (kV/cm)

Tensione di scarica (kV)

2100

250

500

750

kV

Tensione e gradiente di scarica tra piani

paralleli

dkV

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G.Pesavento

0,0 d (mm)

10

Rame

Alluminio

Acciaio

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

20

30

40

50

60

70

kV

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G.Pesavento

0.0 d (mm)

DC

AC

Impulso

10

0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

30

40

50

60

70

80

kV

10Numero di scariche

200

10

0

20

30

40

kV

Influenza del tipo di

tensione Effetto del condizionamento

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G.Pesavento

I(u.a.) effetto di

campo

saturazione

ionica

0.2 0.4 0.6 0.8 E(MV/cm)

La scarica nei liquidi puri

Liquido Rigidità (MV/cm)

Esano 1,1 1,3

Decano 1,8

Benzene 1,1

Oli minerali 1,0

Siliconi 1,0 1,2

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I liquidi isolanti commerciali, usati abitualmente nelle apparecchiature, non possono, come si è detto, essere sottoposti a trattamenti elaborati di purificazione. La rigidità dielettrica viene a dipendere quindi più dalla natura delle impurità presenti che da quella del liquido stesso; le impurità che possono portare alla scarica degli isolanti commerciali possono essere divise categorie diverse:

‑ impurità che hanno una rigidità minore di quella del liquido; la scarica locale delle impurità innesca quella totale dell'isolamento

‑ impurità che risultano instabili sotto l'azione del campo elettrico: l'instabilità di queste impurità può condurre ad un ponte di bassa resistenza fra gli elettrodi e quindi alla scarica completa;

‑ impurità che producono un innalzamento locale del campo elettrico, ad esempio particelle conduttrici: se tale campo supera un valore critico si può avere una scarica parziale che conduce successivamente alla scarica totale del liquido.

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Ed

=40°C

Ed

60600

40400

20200

00

10-3kVcm

0 20 40 60 80 100 10-6

tg

v

Variazione della rigidità dielettrica e tg in olio per trasformatori al variare del contenuto d’acqua

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G.Pesavento

Sequenza temporale della deformazione di un globulo d’acqua in un liquido

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G.Pesavento

Elettrodi normalizzati per la determinazione della rigidità dell’olio – Dimensioni in mm

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G.Pesavento

Riduzione della rigidità dielettrica secondo il meccanismo che porta alla scarica

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Formazione di streamer a partire da una punta sottile

Scarica streamer

Sviluppo di successivi streamer formati a partire da una punta metallica molto sottile immersa in perspex e sottoposta ad una serie di 190 impulsi successivi di tensione di forma 1/30 s; la distanza tra i cerchi successivi in figura è di 0,25 mm. Il tempo mediamente necessario perchè gli streamer successivi, con tensione alternata, attraversino tutto il gap varia da pochi secondi ad alcuni minuti.

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x

Ad1

d22

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ProvinoElettrodi metallicidepositati sotto vuoto

a)

Provino Elettrodi

IsolanteResinaepossidica

b)

Zona di contatto tra elettrodi e provino

Disposizioni sperimentali per la determinazione della rigidità dielettrica

Fenomeni di questo tipo si possono originare anche in presenza di zone di distacco tra l'elettrodo e il dielettrico

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Invecchiamento termo-chimico

I principali processi chimico-fisici che portano all'invecchiamento possono essere così brevemente sintetizzati.

Ossidazione Depolimerizzazione Idrolisi

Plastificazione Volatilizzazione

Incrinatura

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La temperatura ha l'effetto di regolare la velocità delle reazioni chimiche che, come detto, promuovono la degradazione di un isolante. In particolare si ha che la velocità di reazione v è legata alla temperatura dalla relazione di Arrhenius:

v = A exp (-W/KT)

dove W è l'energia di attivazione della reazione, K la costante di Boltzman, T la temperatura assoluta ed A una costante che dipende dal materiale e dal tipo di reazione. Tale velocità va messa in relazione con la velocità di degradazione, ossia con dP/dt dove P è il valore della proprietà presa come indice di degradazione.

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BP,dt

dP

Bt)exp(P

P(t)

0

Bt)exp(P

P(t)

0

)

T

bexp(at (exp

P

P

0

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G.Pesavento

150 200 250 TM100

10

102

103

104

105

tf

Curva di vita dovuta alla temperatura

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G.Pesavento

CCC bca

,d

t

ε

εVV

c

bac

td Va Ca

Cb

Cc

V

a) b)

Va

Vc

Vsc

Vsc

+

-

c)

(a) provino con vacuolo; (b) circuito equivalente; (c) tensione ai capi del vacuolo con e senza scariche parziali

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G.Pesavento

21exp

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xy

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

x

2

2

x μ1exp

2σσ 2πy

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G.Pesavento

Rappresentazione di dati

1

1 n

m ix xn

22

1

1

1

n

i ms x xn

22


G.Pesavento

z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0,00,10,20,30,4

0,00000,03980,07930,11790,1554

0,00400,04380,08320,12170,1591

0,00800,04780,08710,12550,1628

0,0I200,05170,09100,12930,1664

0,01600,05570,09480,13310,1700

0,01990,05960,09870,13680,1736

0,02390,06360,10260,14060,1772

0,02790,06750,10640,14430,1808

0,03190,07140,11030,14800,1844

0,03590,07540,11410,15170,1879

0,50,60,70,80,9

0,19150,22580,25800,28810,3159

0,19500,22910,26120,19100,3186

0,19850,23240,26420,29390,3212

0,20190,23570,26730,29670,3238

0,20540,23890,27040,29960,3264

0,20880,24220,27340,30230,3289

0,21230,24540,27640,30510,3315

0,21570,24860,27940,30780,3340

0,21900,25180,28230,31060,3365

0,22240,25490,28520,31330,3389

1,01,11,21,31,4

0,34130,36430,38490,40320,4192

0,34380,36650,38690,40490,4207

0,34610,36860,38880,40660,4222

0,34850,37080,39070,40820,4236

0,35080,37290,39250,40990,4251

0,35310,37490,39440,41150,4265

0,35540,31700,39620,41310,4279

0,35770,37900,39800,41470,4292

0,35990,38100,39970,41620,4306

0,36210,38300,40150,41770,4319

1,51,61,71,81,9

0,43320,44520,45540,46410,4713

0,43450,44630,45640,46490,4719

0,43570,44740,45730,46560,4726

0,43700,44840,45820,46640,4732

0,43820,44950,45910,46710,4738

0,43940,45050,45990,46780,4744

0,44060,45150,46080,46860,4750

0,44180,45250,46160,46930,4756

0,44290,45350,46250,46990,4761

0,44410,45450,46330,47060,4767

2,02,12,22,32,4

0,47720,48210,48610,48930,4910

0,47780,48260,48640,48960,4920

0,47830,48300,48680,48980,4922

0,47880,48340,48710,49010,4927

0,47930,48380,48750,49040,4927

0,47980,48420,48780,49060,4929

0,48030,48460,48810,49090,4931

0,48080,48500,48840,49110,4932

0,48120,48540,48870,49130,4934

0,48170,48570,48900,49160,4936

2,52,62,72,82,9

0,49380,49530,49650,49740,4981

0,49400,49550,49660,49750,4982

0,49410,49560,49670,49760,4982

0,49430,49570,49680,49770,4983

0,49450,49590 49690,49770,4984

0,49460,49600,49700,49780,4984

0,49480,496l0,49710,49790,4985

0,49490,49620,49720,49790,4985

0,49510,49630,49730,49800,4986

0,49520,49640,49740,49810,4986

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Metodo dei livelli multipli

• N di impulsi di tensione con lo stesso valore di cresta e si stima la probabilità di scarica. • Riportando in grafico i valori della probabilità stimata in funzione del valore di cresta della tensione applicata si possono interpolare i punti ottenuti, ricavare P(V) ed arrivare alla determinazione della U50. • Nell'ipotesi che P(V) derivi da un fissato tipo di distribuzione, si potrà, ricorrendo all'uso di scale opportune,

ad una semplice • E' normalmente sufficiente applicare la tensione da 10 a 20 volte per ogni livello• E’ conveniente avere già una stima della U50

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G.Pesavento

Metodo "up and down"

Il metodo consiste nell'applicare un impulso di tensione e verificare se si abbia scarica o no; se si ha la tenuta dell'isolamento la tensione viene aumentata di una quantità costante e prefissata V, in caso di scarica la tensione viene ridotta della stessa quantità. Rispetto al metodo precedente c'è il vantaggio di non avere bisogno di una stima troppo accurata di U50, in quanto ciò che viene a cambiare è solo il numero di colpi di avvicinamento alla minima tensione di

scarica

0,5 <ΔV/ σ<1,5

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xm = xo + ΔV (A/N ± 1/2)

s = 1,62 ΔV [(NB-A2)/N2 + 0,029]

n

ok

2n

oko .nkB;knAbase; livello x

2 livello base; ; .n n

o k ko o

x A kn B k n

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Distribuzione binomiale

Se di un oggetto si conosce la probabilità di scarica in funzione della tensione e si vuole verificare che ad un determinato livello corrisponde effettivamente il valore di probabilità P noto, poiché l'esperimento viene condotto applicando un numero finito N di impulsi, la frequenza di scarica n/N che si ottiene di solito non corrisponde esattamente a P. Si può infatti dimostrare che applicando N impulsi di tensione ad un livello cui corrisponde una probabilità di scarica P, e quindi una probabilità di tenuta Q =1-P, la probabilità P* di avere n scariche è data dalla seguente espressione (distribuzione binomiale): N nnNP* N,P,n P Qn

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Pertanto, ad esempio, se il livello prescelto ha

P = 50%

e la prova prevede N = 20, si ottiene l'istogramma di probabilità riportato in figura

2010

51015

p*%

30


G.Pesavento

2

Sovradimensionamento

0

Isolamento avente ilProporzionamento richiesto

Misura dell’imperfezionedella prova

Isolamenti sottodimensionati

5

50

95100

Prova perfetta

Probabilità dipassare la prova(%)

N =9n = 4P = 50%

Isolamenti sovradimensionati

-2

31


G.Pesavento

0,1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1-0,2-0,4-0,6-0,8-1

1

2

4

3

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,9

1P

0,8

0,7

1 = Up-and-down con 30 impulsi2 = Metodo 15/2 (15 impulsi con al massimo 2 scariche)3 = Metodo 3/0 (3 impulsi – nessuna scarica) 4 = Metodo 5/0 - 5/1 + 10/0 (5 impulsi senza scariche – se si

verifica una scarica altri 10 impulsi senza scariche)

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