Invecchiamento elettrico

Quando si parla di invecchiamento si intende l’alterazione irreversibile nel tempo delle proprietà del materiale causata dalle sollecitazioni ad esso applicate.

Il materiale dielettrico è la parte del sistema elettrico che più è soggetta al fenomeno dell’invecchiamento, per questo motivo sono gli isolanti stessi a definire l’invecchiamento dell’intero apparato.

Lo studio dell’invecchiamento elettrico consiste nel valutare gli effetti sull’isolante di una sollecitazione elettrica mantenuta costante nel tempo. La vita dell’isolante risulta tanto più breve quanto più alto è il campo elettrico applicato. Questo effetto non è caratterizzato da una dipendenza lineare, bensì un piccolo aumento percentuale del gradiente elettrico può portare anche ad un dimezzamento della vita del materiale. Inoltre vi è una forte sinergia fra sollecitazione termica ed elettrica, quindi la riduzione della vita può essere intollerabile.

L’invecchiamento del materiale dovuto alla tensione applicata si presenta con un progressivo peggioramento delle sue proprietà fino al momento in cui avviene il cedimento, e quindi la scarica.

L’arco elettrico ha come fenomeno scatenante quello delle scariche parziali che avvengono nei piccoli vuoti o nelle microscopiche fessure che si hanno all’interno dell’isolante o fra isolante e conduttore; queste scariche creano un canale ramificato di prescarica detto arborescenza elettrica,

55 universalmente noto con il termine inglese treeing. Quando questa arborescenza arriva ha collegare i due elettrodi si ha il fenomeno della scarica.

In AC si ha una scarica ogni volta che il campo elettrico supera il valore di soglia di innesco delle scariche parziali. Anche se ogni singola scarica ha un piccolo contenuto energetico si ha che l’elevata frequenza di ripetizione del fenomeno porta ad una lenta e costante erosione e decomposizione chimica del materiale, questo porta alla formazione di un microscopico canale ramificato che si sviluppa nella direzione dell’altro elettrodo. Si possono quindi distinguere due periodi nella generazione dell’arco: il periodo di formazione del canale ramificato in cui si creano le condizioni per il suo sviluppo (treeing formation), il periodo in cui il canale cresce (treeing growth).

Il comportamento dei materiali isolanti sottoposti ad uno stress elettrico può essere illustrato con la curva di vita elettrica, mostrata per un caso generale in Figura 3.16.

Figura 3.17

Curva di vita elettrica in un caso generale. L’area punteggiata corrisponde allo sviluppo di scariche parziali (crescita del treeing)

Nel grafico possono essere individuate tre aree.

La prima parte (in blu) in cui vi sono forti scariche parziali fin dall’inizio dell’applicazione della tensione, poiché la sollecitazione elettrica è maggiore del livello di innesco delle scariche parziali (Ei).

Ciò significa che l’isolante avrà una vita molto breve dato che si avrà uno sviluppo del canale di scarico in un tempo ridotto, quindi il periodo di formazione del canale di scarica è pressoché nullo.

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La seconda parte (in rosso) riguarda le sollecitazioni minori di Ei (ma maggiori di Et) ed è

praticamente rettilinea. In questa parte si possono distinguere i due periodi di invecchiamento a cui si è accennato sopra, cioè un primo periodo (formazione del treeing) ove non sono rilevabili scariche parziali ma l’invecchiamento procede ugualmente anche se con grande lentezza ed un secondo periodo (crescita del treeing) in cui sono invece evidenti le scariche parziali che danno luogo ad una struttura arborescente (il canale di scarica o treeing, appunto) che si espande fino alla scarica completa dell’isolante.

Infine la terza parte (in giallo) è caratterizzata da una linea che tende a diventare orizzontale, questo perché il campo di funzionamento si avvicina al valore del gradiente elettrico di soglia Et. al di sotto del

valore Et non si ha né la formazione del canale di prescarica né, tantomeno, lo sviluppo di tale canale. Et

è quindi la soglia di invecchiamento al di sotto della quale non si hanno gli effetti dell’invecchiamento elettrico.

Il modello sopra illustrato è di validità totalmente generale, la lunghezza di ogni parte descritta varia da materiale a materiale, oltre che ad avere una forte dipendenza da fattori ambientali come umidità e temperatura.

Nella realtà le curve relative al XLPE tendono al valore di soglia già dopo poche migliaia di ore; al contrario per il polietilene (PE) e la gomma etilpropilenica (EPR) per le quali la caratteristica di vita inizia a curvare in direzione del valore di soglia solo dopo diecimila ore. Per il secondo tipo di materiali la curva presenta un leggero andamento verso il basso che però diventa evidente solo a temperature superiori di quella ambiente.

L’espressione per la legge di vita più utilizzata è il cosiddetto Modello dell’Inversa Potenza (Inverse Power Model, IPM):

𝐿 = 𝐶 ∙ 𝐸−𝑛 (3.37)

Dove L è la vita elettrica, E il campo elettrico, C una costante dipendente dalle condizioni ambientali e n il coefficiente di resistenza alla tensione (voltage endurance coefficient: VEC).

In un diagramma bilogaritmico (logE vs. logL) l’equazione 3.37 rappresenta una retta di pendenza -1/n; pertanto n è il parametro che si assume per caratterizzare il materiale dal punto di vista della sollecitazione elettrica. Nello specifico, n di valore elevato daranno una caratteristica poco pendente che si traduce in un miglior materiale isolante. A parità di rigidità dielettrica iniziale e fissato un certo valore di campo elettrico, si ha che maggiore è n (cioè più è orizzontale la retta) maggiore è la vita corrispondente a quel valore di campo.

57 Per confrontare i materiali tramite prove di breve durata assume una particolare importanza la rigidità dielettrica a breve termine, ES0, che indica il valore di gradiente elettrico che, mantenuto

costante, provoca la scarica dell’isolante dopo un tempo relativamente breve t0.

Si può quindi utilizzare una forma più immediata rispetto al Modello dell’Inversa Potenza 3.37; una volta noto n è possibile prevedere la vita L del materiale per un dato valore della sollecitazione E:

𝐿 = 𝑡₀ ∙ ( 𝐸 𝐸𝑆₀)

MISURA DELLA

CARICA DI

SPAZIO: IL

METODO PEA

Capitolo 4

delle cariche di spazio. Particolare attenzione verrà prestata alla fisica del metodo PEA e al significato dei dati ottenuti

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4. MISURA DELLA CARICA DI SPAZIO: IL