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CORSO DI
MATERIALI E
TECNOLOGIE ELETTRICHE
MATERIALI ISOLANTI
Prof. Giovanni LupòProf. Giovanni LupòDipartimento di Ingegneria ElettricaDipartimento di Ingegneria ElettricaUniversità di Napoli Federico IIUniversità di Napoli Federico II
Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica ––
III anno III anno ––
II semestreII semestrea.a. 2009/10 a.a. 2009/10
––VIVI‐‐
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MATERIALI PER ISOLAMENTO ELETTRICO.
ISOLAMENTI GASSOSIISOLAMENTI GASSOSI••ariaaria••
SFSF66•• azotoazoto•• miscelemiscele‐‐ VUOTOVUOTO‐‐
ISOLAMENTI LIQUIDIISOLAMENTI LIQUIDI••
oli mineralioli minerali••
oli di sintesi oli di sintesi
–– oli siliconicioli siliconici––
esteri organici esteri organici
••
gas liquidi (es. azoto)gas liquidi (es. azoto)‐‐
ISOLAMENTI SOLIDIISOLAMENTI SOLIDI
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ISOLAMENTI SOLIDI
•• POLIMERI TERMOPLASTICIPOLIMERI TERMOPLASTICI••
POLIMERI TERMOINDURENTIPOLIMERI TERMOINDURENTI••
CARTA NATURALE E DI SINTESICARTA NATURALE E DI SINTESI••
ISOLAMENTI INORGANICIISOLAMENTI INORGANICI••
MATERIALI COMPOSITIMATERIALI COMPOSITI
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SOLLECITAZIONI NEI MATERIALI ISOLANTI
campi elettrici relativamente elevati
sollecitazioni termiche
sollecitazioni meccaniche cicliche dovute:
• dilatazione del rame e del ferro
•
vibrazioni dovute alla corrente periodiche o al moto delle parti in movimento
•
sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti
deterioramento chimico esaltato dai valori relativamente elevati della temperatura
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• Requisiti dielettrici:
elevato campo critico, basse perdite dielettriche
• Requisiti termici:
buona conducibilità termica, buona resistenza al calore
• Requisiti meccanici: resistenza agli
sforzi, sufficiente elasticità,
resistenza all’abrasione, adesione al rame ed ai metalli in genere
• Requisiti chimici: elevata stabilità
chimica, inattaccabilità dai prodotti
della ionizzazione
• durata di vita elevata
• fabbricabilità : i materiali impiegati
debbono permettere la
realizzazione dell’isolamento senza
eccessive difficoltà o lunghi tempi
di lavorazione e
senza generazione di difetti
• costi relativamente contenuti
REQUISITI DEI MATERIALI ISOLANTI
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PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE
•• σσ, , γγ
conducibilità intrinseca/estrinsecaconducibilità intrinseca/estrinseca
•• εεrr==εε//εεoo permettivitàpermettività
•• tg tg δδ fattorefattore
di perdita di perdita
•• EEcrcr campo critici (campo critici (↔↔
rigidità dielettrica)rigidità dielettrica)
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CONDUCIBILITÀ INTRINSECA NEI MATERIALI ISOLANTI
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−
= kTaEWo
eTE 0),( σσ
(Wo energia di legame)
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PERMETTIVITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI
Modello “macroscopico” Momento elettrico di dipolo
μ=qd (q carica del dipolo; d distanza tra i baricentri +/‐) Vettore polarizzazione
P(=dμ/dτ)
momento risultante di dipolo riferito al volume Suscettività dielettrica χ
P=χE
(E campo elettrico “macroscopico”; χ costante per i mezzi lineari)
Vettore spostamento D nel vuoto
definizione integrale ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==⋅ ∫∫∫∫∫ ∑
Σ vi dvqdS ρnD
Definizione locale D=εo E (εo costante
dielettrica del vuoto; D corrisponde
alladensità di carica superficiale sull’elettrodo “prolungata” nel vuoto secondo
i tubi di flusso di D)
Vettore spostam. D nella materia
D =εo E+P=( εo+χ )E= εo εr E
(εr permettività ovvero costante diel. relativa del mezzo materiale) Le sorgenti di E sono tutte le cariche (libere e vincolate); le sorgenti di D
sono le cariche libere, le sorgenti di P sono le cariche vincolate)
vv divdivdivdiv ρρ
εερρ
−==⇒−
=+
= PDPDE ;00
ll
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MECCANISMI DI POLARIZZAZIONE
Polarizzazione elettronica Nell’atomo,
in assenza di campo elettrico
esterno, si può ritenere che il
baricentro dellecariche negative (elettroni) coincida con il baricentro delle cariche positive (nucleo); quindia
riposo il momento di dipolo è
nullo; in presenza di campo elettrico
si ha unadeformazione “elastica
istantanea” dell’atomo stesso che
assume
un momento di dipolodipendente dal
campo, ma non dalla
temperatura nè dalla frequenza della
sollecitazioneapplicata (a meno di non considerare frequenze all’ultravioletto)
Polarizzazione atomica
In una molecola a struttura
simmetrica (es CCl4),
in assenza di
campo elettrico esterno,
sipuò ritenere che il baricentro degli ioni negativi coincida con il baricentro degli ioni negativi (molecola
non polare); quindi a riposo
il momento di dipolo è nullo;
in presenza di campoelettrico si
ha una deformazione “elastica istantanea”
della molecola, che assume unmomento
di dipolo dipendente dal
campo, ma non dalla temperatura
nè dalla
frequenzadella sollecitazione applicata (a meno di non considerare frequenze all’ultrarosso)
Polarizzazione dipolare
In una molecola a struttura dissimmetrica (es H2O), in assenza di campo elettrico esterno, si può
ritenere che il baricentro degli
ioni negativi non coincida con
il baricentro degli
ioni negativi ( molecola polare); quindi a riposo il momento del singolo dipolo non è nullo, ma èstatisticamente compensato
il momento risultante
; in presenza di campo elettrico si ha un orientamento della molecola,
che assume un momento
di dipolo dipendente dal
campo, dalla temperatura nonchè dalla frequenza della sollecitazione applicata . Nel caso in cui, al cessare
della sollecitazione elettrica, il
materiale continuasse a presentare
un momento dipolare significativo, esso viene compreso tra gli elettreti.
Polarizzazione interfacciale accumulo di
ioni sulle superfici di separazione
tra materiali diversi nel
caso di dielettrici non omogenei. Movimenti lenti rilevanti solo in casi statici o a bassissima frequenza
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POLARIZZABILITA’ DELLE MOLECOLE
campo microscopico EL
agisce sulla singola molecola:
si suppone che la molecola
in campo uniforme occupiun volume
sferico, rimuovendo il quale nasce
una distribuzione superficiale
prima“compensata” dalla molecola stessa,
dθsinθπr2cosθPdσ 2 ⋅⋅=
calcolando il campo dovuta a
questa distribuzione si deduce che
il campo della
molecola dipolare vale 03
*εPE −=
e quindi il campo microscopico locale
va valutato
come 03
*εPEEEE +=−=L
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FATTORE DI POLARIZZAZIONE α
Campo locale dipoliL EEE += geom
Polarizzabilità (fattore di polarizzazione) α
μ=α EL
Componenti della polarizzabilità
α=αe+αa+αd Vettore polarizzazione
P=N μ=Nα EL=(ε‐ε0) E
Il fattore di polarizzazione è legato al reale comportamento del materiale nel tempo, dipende da grandezze fisiche quali la temperatura, può avere carattere tensoriale. Polarizzazione elettronica : il fattore di polarizzazione dipende solo dalla dimensione dell’atomo e non dal
numero atomico.34 Roel πεα =
Polarizzazione ionica: il fattore di polarizzazione dipende dalla energia di legame W (
)Wne
io
2
=α
Polarizzazione per orientamento: molecole con proprio momento di dipolo; nell’allineamento dei dipoli occorre tener conto dell’agitazione termica che contrasta gli effetti del campo locale
kTpm
or 3=α
Polarizzazione di diversi tipi ‐ Equazione di Clausius‐ Mossotti i
ii
or
r
Lii
i
N
ENP
∑
∑
=+−
=
αεε
ε
α
31
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COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA
Sollecitazione sinusoidale
( )
∞∞→
→
→
===
==
+=−==
εωεεωε
ωεεε
ωωϕωω
ω
ω
ω
)('lim)('lim
0)("lim"'
sincoscos)(cos)(
0
0
2
1
21
s
o
o
o
o
EDED
tDtDtDtDtEtE
Sfasamento tra P(t) e D(t)
( )EEPED &&&&&& "ε0 jεε' −==+= ε
Costante dielettrica complessa "j' εεε −=&
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Potenza specifica( )
tgδε'ε"Eωε"tgδEωε'Sd
tgδEddSωε'
τtgδωCV
τQtgδ
τPp 22
22
=⇔======
Perdita in presenza di conduzione
2p
22222 ωεε"ωσωEEωε"σEtgδωεEσEp E=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +=+=+=
Fattore di perdita (globale)
ε'
ε"ωσ
'tgδ
+==
εε p
FATTORE DI PERDITA NEI MATERIALI ISOLANTI
Perdite per isteresi dielettrica
P= Q cotg ϕ = Q tgδ
(es. per un condensatore)
p* jεε'ε −=Costante dielettrica complessiva
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DIPENDENZA DELLA COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA E
DEL FATTORE DI PERDITA DALLA FREQUENZA
Ad alta frequenza scompare il meccanismo di polarizzazione dipolare; pertanto
( )EPPPP eaω 0εε −=+== ∞∞→∞
Indicando con Psd il vettore polarizzazione legato al meccanismo di orientamento per bassissime frequenze, abbiamo
( )EPPPP ω 0sd0 εε −=+== ∞→ ss
Ad una frequenza generica avremo
( )( )EPPP
EPPP
ωd
ω d
∞∞
∞
−=−=
−=+=
εε
εε 0
In condizioni dinamiche generali, il meccanismo di polarizzazione può essere descritto da una relazione del tipo (ipotesi di Debye)
( ) ( ) dsddsdd εεjωdt(t)τ1d PEPPPP &&& −−=⇒−= ∞τ
da cui
EPd && τjω1
εεs+
−= ∞
τεε
jω1εε s
+−
+= ∞∞&
22s
τω1εε
εε'+
−+= ∞∞
ωττω1
εεε" 22
s
+−
= ∞
(equazioni di Debye)
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La ε” ha un massimo per ωτ=1 . Anche il fattore di perdita può essere valutato in questo modo:
( )22
s
s
τωεεωτεε
ε"ε'tgδ
∞
∞
+−
==
esso presenta un massimo per ∞
=εε
ωτ s
Circuiti equivalenti
: RC parallelo per le perdite per conduzione; RC serie per tener conto
dell’isteresi dielettrica; più paralleli
RC in serie per tener conto
dellapolarizzazione interfacciale
DIPENDENZA DELLA COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA E
DEL FATTORE DI PERDITA DALLA FREQUENZA
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Il “livello d’isolamento” indica
di solito le tensioni di prova
da
applicare all’isolamento del componente, senza il verificarsi di danni.
•
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‐
occorre fissare una ragionevole soglia di tensione minima
LIVELLO D’ISOLAMENTO
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LIVELLO D’ISOLAMENTO (ESEMPI)
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SOVRATENSIONI TRANSITORIE
•
Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosfericafulminazione direttafulminazione prossima o indiretta
(sovratensioni indotte in linea)
sono caratterizzate da livelli
energetici e di tensione non
correlati
alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui
incidono,
la durata dei fenomeni è dell’ordine delle decine di μs (lightning surges)
•
Sovratensioni di origine interna al sistema o per manovra (switching surges):–
messa in tensione di linee o trasformatori–
ferrorisonanza– guasti a terra–
interruzione di carichi induttivi o capacitivi;–
variazioni di carico;–
interruttori non perfettamente messi a punto;–
funzionamento tipico o anomalo di alcuni componenti
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SOVRATENSIONI STANDARD DI PROVA (APERIODICHE)
Vc
Vc / 2
tc t½t
V( )tt eeVtv βα −− −= 0)(
Vc : valore di cresta
tc : tempo alla cresta
t½ : tempo di dimezzamento
La
forma d’onda viene caratterizzata riportando
il rapporto tc / t ½ e
la polarità;ad esempio: onda 250/2500
[μs/ μs] , pol. pos., standard
per switching surge (impulso lungo).
Per sovratensioni atmosferiche (lightning surge
‐
impulso breve 1,2/50 [μs/ μs]), in genere disturbate da oscillazione sia intorno all’origine che sulla cresta, le Norme stabiliscono un modo convenzionale per valutare il tempo alla cresta (di fronte).
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Categoria I
: sistemi in cui la tensione più elevata Vm
per i componenti è compresa fra 1 kV e 245 kV
LIVELLO D’ISOLAMENTOCLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
360 – 395 – 460 850 – 950 –
1050 245275 – 325 650 – 750 170230 –
275 550 – 650 145
230450 – 550 12314032572,5952505270145 –
170365095 – 125243875 – 9517,52860 – 75 –
95122040 – 60 7,21020 ‐ 403,6
Tensione di tenuta a frequenza industriale
(kV)
Tensione di tenuta a impulsobreve (kVc )
Vm (kV)
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LIVELLO D’ISOLAMENTOCLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
Categoria II
: sistemi in cui la tensione più elevata per i componenti è compresa fra 300 kV e 765 kV
1675 – 1800 – 1950 – 2100 1300 –
1425 – 1550 765
1175 – 1300 – 1425 – 1550 950 –
1050 – 1175 525
1050 – 1175 – 1300 – 1425 850 –
950 – 1050 420
950 – 1050 850‐ 950 362
850 – 950 750 – 850 300
Tensione di tenuta fase‐terra a impulso
atmosferico (kVc )
Tensione di tenuta fase‐terra a impulso di manovra (kVc )
Vm (kV)
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• Campo critico (strength)•
Tensione di scarica ‐ Collasso•
Tipo di danno: parziale/totale•
Ripristino, tempi di ripristino•
Caratterizzazione in funzione del tipo di sollecitazione•
Caratterizzazione in funzione della durata della sollecitazione•
Caratterizzazione in funzione della distribuzione di campo•
Caratterizzazione in funzione delle condizioni di lavoro
(temperatura, pressione, contaminazione)
RIGIDITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI
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ISOLANTI GASSOSI
Isolamenti interni di
isolatori passanti, interruttori,
TV capacitivi, blindosbarre
Gas elettronegativi (esafluoruro di zolfo SF6)
Linee aeree, isolamenti esterni
di isolatori passanti, interruttori,
TV e TA
Aria
ApplicazioniGas
Gli isolamenti gassosi in grandi volumi sono da considerarsi autoripristinanti (es. aria libera)
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PROPRIETÀ DELL’ARIA
VALORI MEDI DEI PARAMETRI DI CONDUZIONE
( ) ASJImAEJ
mSqnqn
mVhEE
earthearth 17603.6445.3
1045.3
103.2
150)0(
20
212
00
14
0
=⋅⋅⋅==
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡⋅==
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=+=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡===
−
−−−−+++
π
σ
μμσ
PERMETTIVITÀ DELL’ARIA ε=1,00059
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CARATTERISTICA DI SCARICA
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:
∫∞−
=V
dVVVp )()( ϕ
250
21
21)(
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−
= σπσ
ϕVV
eV
V50
: tensione di scarica 50% ; s
: dispersione
quasi sempre è: σ =2 – 3 % per gli impulsi atmosferici
5 – 6 % per gli impulsi di manovra
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26
2
98
6,5
15
30,5
50
69,5
85
93,5
1
99
p (%)
VV50Vt
pt : probabilità di scarica accettata
Vt = f(pt) :tensione di tenuta
V50 : tensione di scarica 50%
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DIPENDENZA DAL TIPO DI TENSIONE APPLICATA
0
1
2
3
0 5 10 15d (m)
V50(MV)
d
V50 in funzione della distanza con pol. positiva nella
configurazione asta-piano
imp. atmosferici
imp. di manovra
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DIPENDENZA DAL TIPO DI TENSIONE APPLICATA
Tensione di scarica (1‐4) e campo medio di scarica (5) in configurazione punta piano (punta positiva) in funzione della distanza interelettrodica e delle caratteristiche della tensione applicata: tensioni impulsive a fronte breve (1), tensioni continue (2), tensioni alternate a frequenza industriale (3), tensioni minime di scarica per impulsi a fronte lungo(4).
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DIPENDENZA DALLA PRESSIONE –
Legge di PASCHEN
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LEGGE DI PASCHEN : MINIME TENSIONI DI SCARICA
1554,0Elio
2454,0Neon
4200,57Anidride carbonica
5070,26Esafluoruro di zolfo
4500,7Ossigeno
2301,05Idrogeno
2400,65Azoto
3520,55Aria
Tensione min di scarica VSmin [V]
(pd)min [Torr cm]Gas
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Tensione di scarica in aria STPStandard Internazionali
Tensione di scarica in funzione del prodotto pressione‐distanza per l’aria come riportato negli standard internazionali – I pallini pieni rappresentano la legge di Schumann
[ ] [ ] [ ] pddpV cmbarkVS 4,2472,6 +=
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ESAFLUORURO DI ZOLFO SF6
F
F
F
F
F
F
S
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 Ecr
= 3 kV/mm ; SF6 Ecr
= 9 kV/mm
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Metallo
Funzione di lavoro (eV) Ag
4.74 Al 2.98‐4.43 Cu 4.07‐4.7 Fe
3.91‐4.6 W 4.35‐4.6
Valori della barriera di potenziale per l’estrazione di elettroni dai metalli
Emissone per effetto di campo
ISOLAMENTI IN ALTO VUOTO ‐1
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– Tensione di scarica in condizioni di alto vuoto
(p
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--
• Fine MTE_06