Materiali isolanti Costruzioni elettromeccaniche a.a

Presentazione sul tema: "Materiali isolanti Costruzioni elettromeccaniche a.a"— Transcript della presentazione:

1 Materiali isolanti Costruzioni elettromeccaniche a.a. 2003 -04
1(3) ; 2(15) ; 3(32) 1 – Caratteristiche di un materiale isolante 2 – Isolanti gassosi 3 – Isolanti liquidi 4 – Isolanti solidi Bozza – 7 Marzo 04

2 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

3 Qualità richieste ai materiali isolanti
buone qualità meccaniche resistenza agli sforzi sufficiente elasticità resistenza all’abrasione adesione al rame  buone qualità chimiche elevata stabilità chimica inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione ottime qualità dielettriche elevata rigidità basse perdite dielettriche  buone qualità termiche buona conducibilità termica buona resistenza al calore 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

4 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

5 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.

6 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.

7 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.

8 Sovratensioni atmosferiche
fulminazione indiretta fulminazione diretta

9 Fulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione

10 Fulminazione diretta in una linea ad alta tensione

11 Fulminazione diretta in una linea in bassa tensione

12 Fulminazione diretta in linee aeree in bassa tensione

13 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.

14 Esempi di sovratensioni interne
Sovratensioni di manovra 50 ms Ferrorisonanza V (pu) t (ms)

15 Onde doppio-esponenziali
Vc Vc / 2 tf tc t V Vc : valore di cresta tf : tempo di fronte tc : tempo di coda La forma d’onda viene caratterizzata riportando il rapporto tf / tc e la polarità; ad esempio: onda 1/50 ms , pol. pos. Le tensioni impulsive di tipo doppio-esponenziale sono le sollecitazioni che più frequentemente vengono utilizzate in laboratorio per simulare le sovratensioni d’esercizio.

16 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 ms) per simulare le sovratensioni atmosferiche: vengono definite impulsi atmosferici (IA) onde doppio-esponenziali di durata maggiore (es. 200/3000 ms) per simulare le sovratensioni di origine interna, definite impulsi di manovra (IM)

17 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

18 Livelli di tensione normalizzati per componenti in sistemi di I categoria
360 – 395 – 460 850 – 950 – 1050 245 275 – 325 650 – 750 170 230 – 275 550 – 650 145 230 450 – 550 123 140 325 72,5 95 250 52 70 145 – 170 36 50 95 – 125 24 38 75 – 95 17,5 28 60 – 75 – 95 12 20 40 – 60 7,2 10 3,6 Tensione di tenuta a frequenza industriale (kV) Tensione di tenuta a impulso (kVc ) Vm (kV) Per impulso s’intende una tensione impulsiva del tipo 1/50 ms

19 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 – 950 362 950 – 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

20 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

21 Caratteristiche dielettriche di un materiale isolante
rigidità dielettrica Er [V/m] permettività e = ere0 [F/m] (e0 = 8,86· F/m) fattore di perdita tand I V d 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: forma d’onda e durata della tensione applicata geometria dell’isolante e degli elettrodi caratteristiche fisico-chimiche del materiale presenza di impurità nel materiale (umidità, gas, residui ecc.) sollecitazioni termiche e meccaniche applicate al materiale

22 Isolanti gassosi Tra gli isolanti gassosi impiegati nell’industria elettrica i più importante sono certamente i seguenti: Isolamenti interni di isolatori passanti, interruttori, TV capacitivi, blindosbarre Gas elettronegativi (esafluoruro di zolfo SF6) Linee aerere, isolamenti esterni di isolatori passani, interruttori, TV e TA Aria Applicazioni Gas Possiamo citare anche l’idrogeno impiegato come fluido di raffreddamento in macchine sincrone di grande potenza

23 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.

24 Esempi di isolamenti in aria
isolamento verso terra isolamento fre le fasi

25 Esempi di scarica in aria
scarica lungo la catena di sospensione d

26 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: V50 : tensione di scarica 50% ; s : dispersione quasi sempre è: s = 2 – 3 % per gli impulsi atmosferici 5 – 6 % per gli impulsi di manovra

27 Caratteristica di scarica in aria
p (%) 99 pt : probabilità di scarica accettata Vt = f(pt) : tensione di tenuta V50 : tensione di scarica 50% 98 9,35 85 69,5 0,5 30,5 15 6,5 pt 2 1 V Vt V50

28 Determinazione della distanza d’isolamento in aria
2 4 6 8 0,5 1,5 2,5 1 V50 (MV) d (m) dalla caratteristica di scarica Vt = f (pt) distanza d’isolamento in aria d

29 Fattori che influenzano la tensione di scarica 50%
1 2 3 5 10 15 d (m) V50 (MV) d V50 in funzione della distanza con pol. positiva nella configurazione asta-piano imp. atmosferici imp. di manovra Si ricorda che la V50 dipende da: forma d’onda e polarità della tensione applicata (la V50 con polarità positiva è considerevolmente più bassa di quella con pol. negativa). configurazione degli elettrodi e vicinanza di terre condizioni ambientali (temperatura e pressione atmosferica e presenza di pioggia)

30 Esafluoruro di zolfo SF6
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. 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

31 Caratteristiche dell’esafluoruro di zolfo e campi d’impiego
applicazioni ha una buona conducibilità termica ed una eccellente stabilità termica è inodore, incolore e non tossico e non provoca effetti fisiologici specifici (in ambienti saturi di SF6 può verificarsi una carenza di ossigeno) 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 interruttori isolatori passanti blindosbarre TV capacitivi apparecchiature elettroniche

32 Apparecchiatura in SF6 Interruttore trifase per alta tensione
TV capacitivo per alta tensione blindosbarre

33 Stazione blindata a 145 kV con isolamento in SF6

34 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.

35 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.

36 Applicazioni e relative caratteristiche da prendere in considerazione
resistenza al fuoco, caratteristiche dielettriche e termiche apparati elettronici formazione di carbone, resistenza all’arco interruttori caratteristiche dielettriche, stabilità termica, gassing, alta permettività condensatori caratteristiche dielettriche, gassing, bassa permettività, bassa viscosità cavi caratteristiche dielettriche, gassing, bassa permettività passanti stabilità chimica, calore specifico, resistenza al fuoco trasformatori Caratteristiche importanti Applicazione

37 Campi di impiego dei principali liquidi isolanti
trasformatori condensatori Esteri organici Oli siliconici cavi - condensatori Idrocarburi di sintesi ------ tutti i componenti Oli minerali Uso sperimentale Uso normale Materiale Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB (Policlorobifenile) il cui uso è vietato (direttiva 96/59/CE) per il loro impatto ambientale.

38 Punto di rammollimento
Oli minerali Derivano dalla distillazione frazionata del petrolio; le Norme IEC li suddividono in tre classi, adatte per diverse temperature ambientali Olio Densità a 20°C (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 10 102 103 104 1 -50 50 100 Viscosità (cSt) Temperatura (°C)

39 Caratteristiche dielettriche di un olio minerale
2,1  2,5 permettività ( a 90 °C) 20  2000 resistività ( 90 °C) (GWm) 1  5·10-3 tand ( a 90°C) 140  160 tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm 60  70 tensione di scarica (kV), sfere IEC D = 2,5 mm Valori tipici Proprietà D d

40 Tensione di scarica di un olio minerale per trasformatori
100 600 800 400 1000 200 300 500 700 900 1 2 3 4 5 d (cm) Vc (kV) 1/60 ms 1/2100 ms 50 Hz  d  = 50 mm Tensione discarica (valori di cresta) tra sfere in olio la rigidità dielettrica dell’olio dipende dalla forma d’onda della tensione applicata la rigidità dielettrica diminuisce all’aumentare della distanza fra gli elettrodi

41 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 Olefine Alchil-benzeni tensione di scarica (kV), sfere IEC D = 2,5 mm >80 tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm --- 90 (+) ; 312 (-) tand (a 90°C) 6·10-3  3·10-5 4·10-4 resistività (a 90 °C) (TWm) 1 permettività (a 90 °C) 2,1 2,3 2,15

42 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). 2,7 permettività ( a 90 °C) 0,5  1 resistività ( 90 °C) (TWm) 1·10-4 tand ( a 90°C) 80 (+) – 270 (-) tensione di scarica ad impulso (kV), punta-piano d = 25 mm 35  60 tensione di scarica (kV) (prime scariche), sfere IEC D = 2,5 mm Valori tipici Proprietà dielettriche

43 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 20 100 80 60 40 70 30 50 10 Er (%) Acqua nell’olio (p.p.m.) valori massimi valori minimi Rigidità dielettrica di un olio minerale in funzione del contenuto di acqua

44 Umidità contenuta in un olio minerale in funzione dell’umidità dell’aria con cui è a contatto
320 280 240 200 160 120 80 20 30 40 50 60 70 Umidità relativa dell’aria (%) a 25°C Contenuto d’acqua (p.p.m.) 80 °C 60 °C 40 °C 25 °C temperatura dell’olio È quindi evidente che: bisogna evitare che l’olio isolante venga a contatto con l’aria occorre effettuare un accurato procedimento di degasificazione ed essiccazione dell’olio prima della messa in servizio della macchina

45 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.

46 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

47

48 Isolanti solidi Materiale Applicazioni
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, pressofusioni, materiali estrusi, resine, vernici, smalti) Macchine rotanti, trasformatori, cavi, apparecchiature elettroniche, accessori 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.)

49 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) 30 120  4,5 Vetro 20  38 4,5  6 Porcellana 50  100 3  4 Smalti 10  40 Resine sintetiche 120  140 2,2  2,5 Materiali polimerici 15  25 3  4,5 Gomme (naturali e sintetiche) 20  25 2  2,5 Carta aramidica secca 7 30 1,6  2 Carta di cellulosa secca Er (kV/mm) er materiale Valori tipici di alcuni materiali isolanti solidi

50 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.

51 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. Tm t tp T questa definizione implica un ciclo termico in cui la temperatura è costante per tutta la durata della vita operativa:

52 Curva di vita termica 1 6 4 8 2 3 t v p (h) T m q (°C) La determinazione della massima temperatura di servizio viene fatta sulla base della curva di vita termica determinata sperimentalmente con prove di vita accelerate. Viene di solito seguito il modello di Arrhenius che fornisce l’equazione

53 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 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 t tp T Tmax ti teff Ti i-esimo ciclo

54 Temperatura massima ammissibile in regime permanente Tm
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 250 220 200 180 155 130 120 105 90 Tm (°C) H F B E A Y Classe IEC 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 .

55 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.

56 Sovratemperatura ammessa (°C)
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 55 -60 Olio nella parte superiore della macchina 65 – 70 Avvolgimenti (classa A) Sovratemperatura ammessa (°C) Parte della macchina Ad esempio le Norme CEI prescrivono per un trasformatore immerso in olio

57 Isolamenti in porcellana
Porcellane per l’isolamento esterno di apparecchiature in alta tensione Apparecchiature con isolamento esterno in porcellana (TA, TV, passanti, interruttori)

58 Linea aerea 220 kV con isolatori di sospensione in vetro

59 Isolatori in vetro temprato
Isolatore di sospensione tipo “cappa e perno” Isolatore portante

60 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.

61 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

62 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.

63 termoindurente (reticolato)
Sigle ISO e caratteristiche termiche per alcuni materiali isolanti polimerici Polimero sigla ISO Tg (°C) Tf (°C) Resina epossidica EP termoindurente Poliammide PA Poliesametileneadipammide (nylon 66) PA66 50 280 termoplastico Policaprammide (nylon 6) PA6 40 215 Polietilene PE  130 ÷  80 137 Polietilene teraftalato PET 74 265 Polietilene a bassa densità XLPE - 40 Polipropilene PP - 17 174 Politetrafluoroetilene PTFE - 73 335 Polimetilmetacrilato PMMA 120 amorfo Polivinilcloruro PVC  84 90% amorfo Policarbonato PC 150 termoindurente (reticolato) Polistirene (polistirolo) PS Poliuretano PUR

64 Avvolgimenti di trasformatori isolati in resina epossidica - EP
film in poliammide (PA) alluminio

65 Avvolgimenti isolati in poliammidi - PA
film di carta poliammidica

66 Caratteristiche di un filo di rame smaltato
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 390 °C Avvolgimento di rotore in filo di rame samltato di un motore asincrono di piccola potenza

67 Cavi isolati in polietilene
Cavo sottomarino per 400 kV isolato in XLPE Cavo isolato in PE per 245 kV PE XLPE conduttore in alluminio

68 Politetrafluoroetilene - PTFE
Connettori BNC Supporti per circuiti stampati Politetrafluoroetilene - PTFE C F Isolatore portante per esterno con alette in PTFE (utilizzati ad es. nelle FS) PTFE