Scarica parziale: parlano gli esperti
Jill Duplessis, redattrice di Electrical Tester, parla con il dottor Detlev Gross e Markus Söller delle scariche parziali e dei vantaggi offerti dalla loro analisi. Il dottor Detlev Gross e Markus Söller sono interlocutori unici per rispondere alle sue domande in quanto rispettivamente fondatore e managing director di Power Diagnostix, società di Megger e una delle aziende di sviluppo e produzione di apparecchiature di verifica per le indagini sulle scariche parziali con più esperienza al mondo.
Jill Duplessis: In un recente webinar introduttivo sui test della scarica parziale (PD), Charles Nybeck di Megger ha spiegato che, affinché si verifichi una scarica parziale, devono essere soddisfatte due condizioni: la disponibilità di un elettrone libero ad avviare una scarica a valanga e un campo elettrico locale che abbia superato il campo di innesco critico. Considerato quanto appena detto, potreste commentare la distribuzione della tensione in un dielettrico e cosa causa la non omogeneità, per cui una quota di tensione sproporzionata si concentra su una piccola parte localizzata dell'intero isolamento?
Detlev Gross e Markus Söller: Sono delle ottime domande e rispondere in breve è difficile. Come ha accennato, la comparsa di una scarica parziale dipende da queste due condizioni principali. Le sue domande evidenziano inoltre la necessità di comprendere correttamente la distribuzione locale dei campi elettrici da un punto di vista fisico. Il campo elettrico all'origine degli impulsi della scarica parziale influisce in modo significativo sulla distribuzione degli impulsi del modello PD e, di conseguenza, aiuta a determinare la posizione del problema in una risorsa ad alta tensione. Ciò è particolarmente vero nei sistemi trifase in cui il campo elettrico locale può essere influenzato da una, due o persino da tutte e tre le fasi, a seconda dell'area interessata. Le disomogeneità possono essere causate dalla distorsione della forma della tensione dovuta a una saturazione del nucleo, alle armoniche, agli impulsi atmosferici o agli impulsi di commutazione dell'inverter, per citare solo alcuni esempi. Inoltre, il campo elettrico è influenzato dall'uso di materiali con proprietà dielettriche diverse e dal design geometrico.
Jill Duplessis: La contaminazione da umidità può essere un fattore scatenante delle scariche parziali, soprattutto perché l'umidità riduce la resistenza dielettrica dell'isolamento. La tensione di innesco della scarica parziale diminuisce con un maggiore contenuto di umidità, pertanto è possibile che la scarica parziale si verifichi alle normali tensioni di esercizio. Pensando in particolare ai trasformatori, la scarica parziale rappresenta un rischio quando l'olio presenta un elevato contenuto di umidità, poiché la temperatura di innesco dell'ebollizione diminuisce con l'aumento del contenuto di umidità. Pertanto, in alcuni casi, in un trasformatore bagnato a temperatura di esercizio possono formarsi bolle (ovvero dei vacuoli) che introducono una o più aree, potenzialmente in movimento, con una notevole riduzione della resistenza dielettrica. È possibile dare un'idea della quantità tipica di contaminazione da umidità in corrispondenza della quale una scarica parziale diventa un problema reale? Esiste un'approssimazione generale su quanto deve essere umida una risorsa prima che sia suscettibile a scariche parziali a causa dell'umidità?
Detlev Gross e Markus Söller: Per quanto ne sappia, non esiste una formula generale che correli il contenuto di umidità nell'olio con l'attività delle scariche parziali. Tuttavia, più le proprietà isolanti dell'olio del trasformatore si deteriorano a causa dell'aumento dell'umidità, maggiore sarà il rischio che si verifichi una scarica parziale e vengano generati ulteriori gas.
Jill Duplessis: Una scarica parziale si verifica in condizioni specifiche (un campo sufficientemente intenso e un elettrone libero) e, nei sistemi CA, non si tratta di episodi isolati ma di eventi ripetuti. Vi è un periodo di recupero e poi un altro guasto, recupero, guasto e così via. Una volta che in condizioni di esercizio normali si verifica una scarica parziale, quali condizioni reali potrebbero estinguerla in una risorsa alimentata?
Detlev Gross e Markus Söller: Vediamo un esempio tipico. Una particella metallica che oscilla verso l'alto e verso il basso nell'involucro di un quadro elettrico isolato in gas (GIS) continuerà a farlo finché il campo elettrico è sufficientemente forte da sollevarla. Un impulso di scarica parziale si verifica ogni volta che la particella si avvicina al conduttore interno e lo spazio tra la particella e l'involucro in metallo con messa a terra è sufficiente per una piccola scarica. Se la particella metallica rimane all'interno dell'involucro e del campo elettrico, questo processo continuerà all'infinito. Tuttavia, può essere bloccato da trappole per particelle posizionate nella parte inferiore del GIS. Quando la particella cade in una trappola, smetterà di rimbalzare, poiché in quest'area il campo elettrico è pari a zero. In generale, si può dire che la scarica parziale si arresta se non ci sono ulteriori elettroni liberi disponibili o se l'intensità del campo elettrico locale scende al di sotto dell'intensità del campo di innesco.
Jill Duplessis: Ora vorrei passare alla visualizzazione dell'attività delle scariche parziali. Ogni evento di scarica parziale produce un impulso di corrente, un campo magnetico associato, gas, luce e suono. Il rilevamento di questi sintomi può indicare che sta avendo luogo un'attività di scarica parziale. La registrazione delle occorrenze degli impulsi di scarica parziale (ovvero, il momento in cui si verificano e la loro ampiezza) e la correlazione di questi dati con la tensione di prova (e/o del sistema) applicata per tracciare la posizione di fase degli impulsi di scarica parziale fornisce ulteriori informazioni sulla natura dell'attività di scarica parziale. Spero di aver tracciato un quadro adeguato dei modelli di scarica parziale risolta in fase (PRPD). Ma cosa determina l'aspetto del modello PRPD? Ad esempio, perché a volte la scarica parziale appare subito dopo che la tensione applicata ha superato lo zero, mentre in altri casi è concentrata intorno al picco?
Detlev Gross e Markus Söller: Sì, era una buona descrizione del modello PRPD, che è il modo migliore per caratterizzare i fenomeni di scarica parziale nei sistemi CA. Ci sono centinaia di modelli di scarica parziale diversi e le variazioni grafiche tra loro sono il risultato di molti fattori. Abbiamo già menzionato l'importanza della distribuzione del campo elettrico all'origine del difetto di isolamento come uno dei criteri che rende necessario sincronizzare il sistema di misurazione con la tensione applicata. In caso contrario, è difficile o addirittura impossibile interpretare il modello di scarica parziale. Inoltre, l'attività della scarica parziale dipende fortemente dai materiali coinvolti e dai potenziali a cui sono tenuti, poiché i materiali conduttivi, semi-conduttivi e non conduttivi forniscono diverse quantità di elettroni liberi. Nella maggior parte dei casi, bisogna considerare la fisica delle scariche elettriche nei gas, perché, a meno che non siano pressurizzati, i gas hanno una resistenza alla rottura elettrica molto inferiore rispetto ai materiali isolanti solidi o liquidi. La ionizzazione stocastica delle molecole di gas come punto di partenza per la produzione di elettroni liberi influenza l'aspetto di un modello PRPD. Pertanto, non esiste una risposta generale alla sua domanda sul perché gli impulsi di scarica parziale nel modello PRPD appaiano talvolta subito dopo lo zero e talvolta vicini al picco. Con una semplice configurazione in laboratorio, possiamo creare una scarica a corona che mostra tutti gli impulsi al picco. In questo caso, gli elettroni di scarica sono forniti da materiali conduttivi ad alta tensione o potenziale di massa. Al contrario, se la scarica parziale inizia in un'area senza collegamento diretto al potenziale ad alta tensione, come ad esempio una scarica superficiale in un'inclusione di gas all'interno di uno strato di isolamento, la maggior parte degli impulsi apparirà subito dopo lo zero a causa dell'accoppiamento capacitivo e della conseguente variazione di fase.
Jill Duplessis: Grazie. Passiamo ai modelli 3D. Quali informazioni aggiuntive forniscono rispetto ai modelli PRPD?
Detlev Gross e Markus Söller: I modelli PRPD sono una rappresentazione di un set di dati tridimensionali (x, y, z), con la posizione della fase di scarica parziale (x), l'ampiezza della scarica parziale (y) e la quantità di impulsi (z) nella posizione dell'ampiezza di fase in un determinato periodo di tempo. Per facilitare l'interpretazione del modello, lo rappresentiamo in modo bidimensionale sulle assi x-y e codifichiamo il numero di impulsi (z) utilizzando colori diversi. Utilizziamo questo approccio dal 1993 e, all'epoca, Power Diagnostix fu la prima azienda al mondo a offrire uno strumento disponibile in commercio con questa visualizzazione delle misurazioni delle scariche parziali. I diversi colori sono molto utili per identificare i punti critici in un modello e aiutano anche a separare i diversi tipi di difetti che possono contribuire a un modello. Con i sistemi trifase è inoltre possibile vedere la diafonia fase per fase in un modello.
Jill Duplessis: Potreste spiegarci cos'è l'accoppiamento incrociato e il metodo, o metodi, utilizzati per gestirlo?
Detlev Gross e Markus Söller: Con il termine accoppiamento incrociato indichiamo che un impulso di scarica parziale ad alta frequenza che ha origine vicino al potenziale monofase diventa rilevabile su tutte e tre le fasi di un sistema trifase, come un trasformatore o un generatore, a patto che sia disponibile un percorso di accoppiamento incrociato (rete RLC) e che l'ampiezza del segnale sia sufficientemente ampia. I segnali ad accoppiamento incrociato sono generalmente sfasati di 120° o 240° e l'ampiezza è spesso diversa rispetto alle altre fasi. I segnali ad accoppiamento incrociato sono molto utili quando ci si occupa di analisi e individuazione dei guasti. Con i test di scarica parziale offline o in condizioni di laboratorio, l'ampiezza della scarica parziale può essere confrontata in diversi regimi di eccitazione (indotto, applicato, neutro, ecc.). In particolare, con i trasformatori, questo metodo viene spesso utilizzato per individuare difetti all'interno degli avvolgimenti.
Jill Duplessis: Vorrei saperne di più sui falsi negativi (ovvero i problemi non rilevati) nei test di scarica parziale. Ad esempio, capisco che si tratta di un potenziale problema con gli isolamenti stampati in resina epossidica se la durata del test non è adeguata. Quanto devono durare i test per essere certi che l'isolamento stampato in resina epossidica sia realmente privo di scariche parziali? È più probabile che alcuni difetti vengano trascurati rispetto ad altri a causa della sensibilità della misurazione?
Detlev Gross e Markus Söller: Per rispondere a questa domanda, devo tornare alla fisica delle scariche nei gas. Immaginiamo di avere una bolla di gas in un materiale solido, come un distanziale stampato in resina epossidica. Fintanto che non vi è alcuna ionizzazione delle molecole di gas mediante radiazione naturale (fotoni), non ci saranno elettroni liberi. La ionizzazione è un processo statistico, a meno che non venga attivata artificialmente, ad esempio dall'esposizione ai raggi X. Sulla base dei dati della letteratura scientifica su questo argomento, un vacuolo sferico di 1 mm di diametro senza elettroni liberi, in media, dovrà attendere 103 secondi prima di essere colpito da un fotone. Ciò implica che sono necessari in media circa 16 minuti prima che l'attività della scarica parziale abbia inizio in un vacuolo di 1 mm, il che ci fornisce un'interessante prospettiva sui tempi di test standard di 1 minuto.
La sensibilità richiesta dipende fortemente dal tipo di risorsa oggetto del test. I componenti stampati in resina epossidica sono testati in una gamma che va da < 2 a 10 pC. Con questi componenti, la sensibilità è più importante di quanto si verifichi con altre risorse, in cui i livelli di accettazione si trovano solitamente nell'intervallo di diverse centinaia di pC.
Jill Duplessis: Di recente ho appreso che Power Diagnostix è uno dei pochissimi laboratori di calibrazione al mondo in grado di eseguire procedure di calibrazione conformi agli standard IEC. Qual è l'importanza della calibrazione in una misurazione della scarica parziale?
Detlev Gross e Markus Söller: Tutte le misurazioni della scarica parziale che fanno riferimento allo standard di test IEC60270 richiedono una procedura di calibrazione che produce un valore di carica apparente definito in pC. La calibrazione viene eseguita con l'oggetto di test collegato a un dispositivo di disaccoppiamento e a un sistema di misurazione. Il segnale di riferimento viene generato da un generatore di impulsi di scarica parziale calibrato che deve soddisfare le specifiche dello standard e che deve essere calibrato in un laboratorio accreditato, come quello di Power Diagnostix. Il nostro laboratorio ci consente di calibrare i nostri generatori di impulsi e di fornire il servizio di calibrazione a terze parti.
Jill Duplessis: Sono davvero contenta che Power Diagnostix stia entrando nella famiglia Megger. Ci spieghereste perché le soluzioni di misurazione di Power Diagnostix sono uniche sul mercato?
Detlev Gross e Markus Söller: Power Diagnostix sviluppa e produce strumenti di misurazione delle scariche parziali sin dai primi anni '90. Siamo orgogliosi di affermare che siamo una delle poche aziende in tutto il mondo i cui prodotti si occupano di tutte le applicazioni relative alle scariche parziali. L'esclusivo concetto modulare dei nostri prodotti li rende facili da associare a qualsiasi attività di misurazione. È possibile scegliere tra varie unità di disaccoppiamento e sensori PD, amplificatori e convertitori di segnale HF e UHF, strumenti portatili e di monitoraggio e software per assemblare un sistema che si adatta perfettamente alle proprie esigenze specifiche.
Jill Duplessis: Il test di scarica parziale può essere eseguito offline a intervalli determinati dall'utente o online con un monitoraggio continuo utilizzando metodi convenzionali o non convenzionali. Con così tante opzioni, in che modo un potenziale utente può scegliere la combinazione migliore per la propria applicazione specifica?
Detlev Gross e Markus Söller: Il nostro team di esperti composto da ingegneri applicativi e responsabili delle vendite aiuterà sempre gli utenti a trovare il pacchetto più adatto a ogni applicazione e cliente. Trovare la combinazione migliore può sembrare difficile all'inizio, ma ottenere la giusta soluzione ripaga davvero quando si effettuano misurazioni PD reali, indagini sui guasti e individuazione dei difetti.
Jill Duplessis: Quali risorse consigliereste a un principiante dei test e della diagnostica delle scariche parziali per aiutarlo a comprendere bene questi argomenti?
Detlev Gross e Markus Söller: Lo studio delle scariche parziali ha molta storia alle spalle e i ricercatori di tutto il mondo hanno pubblicato una grande quantità di materiali sull'argomento. Oggi è possibile trovare molte informazioni autorevoli sui test di scarica parziale in generale e anche su applicazioni specifiche nelle pubblicazioni IEC, IEEE e CIGRE. Inoltre, ci sono molte pubblicazioni commerciali su Internet, ma molte sono di qualità dubbia, quindi vanno lette con attenzione e una buona quantità di scetticismo. Infine, quest'anno, gli ingegneri di Power Diagnostix stanno tenendo dei webinar che trattano vari argomenti relativi ai test di scarica parziale su trasformatori, generatori, cavi e GIS. Se qualcuno è interessato all'argomento, basta consultare il sito Web di Megger per trovare le informazioni più recenti.
Jill Duplessis: Grazie, Detlev e Markus, per averci offerto le vostre conoscenze complete e la vostra ampia esperienza nel campo dei test di scarica parziale. Per alcuni, si tratta di un'area poco nota e talvolta confusa, ma le vostre risposte interessanti e chiare aiuteranno molto a chiarire questa confusione e rendere i concetti, le tecniche e i vantaggi dei test di scarica parziale più facili da comprendere e più accessibili.
