Procedure da seguire e procedure da evitare nei test del fattore di potenza dell'isolamento - Parte 1

Autore: Jill Duplessis, Global technical marketing manager and Editor

I test del fattore di potenza (PF) (o del fattore di dissipazione (DF)) e della capacità sono ampiamente utilizzati per valutare le condizioni dell'isolamento nei trasformatori e in altri impianti elettrici. Questa breve serie di articoli fornisce una pratica guida ai motivi e alle modalità di esecuzione dei test PF/DF. Oltre a questo articolo introduttivo, il materiale verrà presentato sotto forma di procedure da fare e da evitare, sperando che possa facilitare l'accesso e la comprensione.

Introduzione

In termini semplici, i test PF/DF e della capacità sono strumenti per la valutazione dell'integrità dell'isolamento elettrico, ma è giusto sottolineare che sono lontani dall'essere i soli strumenti utilizzabili a tale scopo. Altre opzioni includono, ad esempio, misurazioni della resistenza di isolamento, analisi dei gas disciolti e test di risposta alla frequenza dielettrica (DFR). Questi test, eseguiti in combinazione tra loro, forniscono un quadro molto preciso dello stato e delle prestazioni dell'isolamento ma, per motivi tecnici o finanziari, potrebbe non essere possibile eseguire tali test completi. In questi casi, i test PF/DF da soli possono comunque produrre informazioni preziose.

I test PF/DF e di capacità sono test "2 in 1": i due parametri di test, ovvero (1) fattore di potenza (o fattore di dissipazione) e (2) capacità, sono correlati tra loro e vengono misurati contemporaneamente per comodità, ma c'è un certo grado di separazione che deve essere applicato sia per comprenderli che per analizzarli.

Test di capacità

Per fornire una solida base per la nostra esplorazione dei test PF/DF, dobbiamo prima considerare i test di capacità. Una delle principali funzioni dell'isolamento elettrico consiste nell'immagazzinare energia elettrica quando è soggetta a un campo elettrostatico, che è esattamente ciò che fa un condensatore. Pertanto, è possibile modellare una risorsa come un condensatore. Prendendo come esempio un trasformatore, gli avvolgimenti e il nucleo corrispondono alle due piastre del condensatore e l'isolamento tra le parti sotto tensione univoca del trasformatore corrisponde al dielettrico del condensatore.

Tenendo presente questo aspetto, un modo per valutare il livello di isolamento di una risorsa è quello di definire la variazione della capacità della risorsa come condensatore nel tempo. Esaminiamo alcuni principi teorici di base per capire perché sono utili.

Per un condensatore a piastra parallela con due piastre simili, la capacità è proporzionale all'area delle piastre e inversamente proporzionale alla distanza tra di esse. In altre parole, se la geometria del condensatore cambia, anche la sua capacità cambierà. Nel nostro esempio di trasformatore-come-condensatore, è molto chiaro che non stiamo parlando di un condensatore a piastra parallela. La geometria è molto più complessa ma, per i nostri scopi, non è importante. Si applica la stessa regola: se la geometria del trasformatore cambia, anche la capacità misurata cambierà.

La capacità di un condensatore dipende, tuttavia, non solo dalla sua geometria, ma anche dalla permettività del dielettrico. Se il dielettrico è un vuoto, come avviene solitamente negli esempi da manuale, la permettività dello spazio vuoto sarà Σ0. Solitamente non è necessario conoscere il valore assoluto di Σ0 quando si effettuano i test delle risorse elettriche, ma nel caso siate curiosi, si tratta di circa 8,854 x 10-12 farad al metro.

Quello che dobbiamo sapere è che il dielettrico nelle risorse sottoposte a test raramente è un vuoto. In un trasformatore, ad esempio, spesso è carta impregnata con un liquido isolante. Questo avrà quindi una permettività diversa da quella dello spazio libero. La carta impregnata di olio per trasformatori ha in genere una permeabilità compresa tra 3,2 e 3,5 volte quella dello spazio libero, e ciò è solitamente espresso dicendo che ha una permettività relativa, Σr, tra 3,2 e 3,5.

Riassumendo, possiamo affermare che la capacità di un condensatore dipende dalla geometria e dalla permettività relativa del dielettrico. Se questi fattori non cambiano, la capacità rimarrà la stessa. Pertanto, quando valutiamo le misurazioni della capacità eseguite su un trasformatore per un determinato periodo di tempo, ci auguriamo di non vedere alcun cambiamento significativo.

In caso di variazione, tuttavia, sappiamo che può significare una delle due cose: la geometria del trasformatore è cambiata, probabilmente a causa di una corrente di guasto elevata che causa una grave deformazione dell'avvolgimento, oppure la permettività del dielettrico è cambiata in modo significativo. In ogni caso, tuttavia, una variazione significativa della capacità quasi sicuramente indica un problema che richiede urgentemente ulteriori indagini.

Condensatori, isolamento e perdite

Sebbene la semplice misurazione della capacità di un trasformatore o di un'altra risorsa possa, come abbiamo visto, fornire informazioni utili, la valutazione delle caratteristiche di tale capacità spesso fornisce informazioni ancora più utili. Vediamo come. I condensatori immagazzinano energia e, quando sono soggetti a una tensione CA, un condensatore perfetto si carica durante il mezzo ciclo positivo dell'alimentazione e quindi, durante il mezzo ciclo negativo, restituisce al sistema di alimentazione tutta l'energia immagazzinata durante la carica. Con un condensatore perfetto, non si perde energia.

Nel mondo reale, ovviamente, si verificano sempre perdite. I motivi principali risiedono nei processi di polarizzazione, che si riferiscono al movimento di atomi e molecole nel dielettrico quando è soggetto a un campo elettrico variabile, e alla corrente di dispersione attraverso il dielettrico. In entrambi i casi, queste perdite significano che parte dell'energia immagazzinata dal condensatore viene persa sotto forma di calore. Se il "condensatore" in questione è in realtà un trasformatore o un'altra risorsa, le perdite si riferiscono all'isolamento della risorsa e l'esame delle perdite può rivelare molto sulla condizione dell'isolamento.

Il comportamento dell'isolamento della risorsa (il dielettrico nel "condensatore") è più facilmente comprensibile grazie a un semplice diagramma vettoriale.

Quando viene applicata una tensione CA a un sistema di isolamento, viene erogata una corrente. Nel diagramma, ciò è rappresentato dal vettore IT, corrente totale. La corrente totale è la somma vettoriale di due componenti, IC, la corrente capacitiva e IR, la corrente resistiva. La corrente resistiva rappresenta le perdite. Per l'isolamento in buone condizioni, la corrente capacitiva sarà molto superiore alla corrente resistiva. Elementi importanti sono i due angoli contrassegnati con δ e θ nel diagramma, e in particolare la tangente dell'angolo δ, che è il fattore di dissipazione (DF) dell'isolamento (sebbene sia spesso noto semplicemente come tan δ); e il coseno dell'angolo θ, che è il fattore di potenza di isolamento (PF).

Si può notare che quando la corrente resistiva si riduce, l'angolo δ si avvicina a 0, quindi anche DF si avvicina a 0. Con la diminuzione della corrente resistiva, l'angolo θ si avvicina a 90º, il che significa che anche PF si avvicina a 0. Infatti, per un isolamento perfetto, DF = PF = 0. Con l'invecchiamento dell'isolamento, la corrente resistiva (IR nel diagramma vettoriale) aumenta, quindi anche PF e DF aumentano. Per inciso, vale la pena notare che, a condizione che la IR sia di dimensioni ridotte rispetto a IC, PF e DF saranno quasi numericamente uguali.

Perché PF e DF?

Auspicabilmente sia DF che PF forniscono informazioni sulle condizioni dell'isolamento in una risorsa, poiché entrambi aumentano quando le perdite nell'isolamento aumentano. Se, tuttavia, DF e PF sono misure delle perdite nell'isolamento, perché non misurare semplicemente tali perdite direttamente?

La risposta è che i risultati ottenuti tramite misurazioni dirette delle perdite dipendono dalla dimensione della risorsa. Se il sistema di isolamento della risorsa A è due volte più grande di quello della risorsa B, ma si trova esattamente nella stessa condizione, l'isolamento della risorsa A avrà il doppio delle perdite dell'isolamento della risorsa B. In altre parole, non esiste un modo semplice per confrontare le perdite misurate direttamente tra sistemi di diverse dimensioni perché, in realtà, non esiste alcun modo di quantificare in modo preciso le dimensioni dei sistemi di isolamento all'interno delle risorse.

PF e DF, tuttavia, sono misurazioni relative che non sono influenzate dalle dimensioni dei sistemi di isolamento, il che significa che i risultati PF e DF per diverse risorse possono essere confrontati in modo significativo. Ma cosa significa esattamente relative? Per PF, le perdite relative indicano la quantità di energia persa in calore rispetto alla quantità totale di energia presente nel sistema, sia nell'energia immagazzinata che in quella persa. In altre parole, facendo riferimento al diagramma vettoriale, PF confronta l'IR con l'IT. Per DF, le perdite relative indicano la quantità di energia persa rispetto alla quantità di energia immagazzinata dall'isolamento. In altre parole, DF confronta IR con IC. Le misurazioni PF e DF sono ugualmente utili, sebbene alcune organizzazioni possano preferire una o l'altra.

Nel prossimo articolo della serie inizieremo a esplorare le procedure dei test PF e DF, utilizzando un formato cose da fare e da evitare, affrontando prima i problemi di sicurezza e il know-how generale sui test di isolamento.