TENSIONE CONTINUA
4. Misuratori di scariche parziali
4.1 RILEVAZIONE DIRETTA
Il circuito di rilevazione di base, come discusso nei capitoli precedenti, può essere usato in due differenti modi:
rilevazione diretta
rilevazione bilanciata o a ponte.
4.1.1 CIRCUITO DI RILEVAZIONE DIRETTA
Figura 4.1.1(1): Circuito per la rilevazione diretta delle scariche parziali Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989
Il circuito di rilevazione mostrato in figura è composto di varie parti:
1. Un filtro nell’alimentazione è necessario per sopprimere le interferenze provenienti dalla rete; i segnali di disturbo nel range di frequenza da 10 a 250 kHz dovrebbero essere soggetti ad un’attenuazione di 80 dB. Siccome la corrente richiesta per il trasformatore ad alta tensione è leggermente elevata, così il filtro dell’alimentazione è una parte costosa dell’equipaggiamento. Lo stesso può essere detto degli altri elementi di soppressione dell’interferenza cosicché i costi totali dell’equipaggiamento aumentano ulteriormente.
3. Il filtro di alta tensione oltre che sopprimere le interferenze deve anche sopprimere possibili piccole scariche parziali provenienti dal trasformatore stesso.
4. La sbarra di connessione tra la sorgente di alimentazione in alta tensione e l’oggetto in prova deve essere priva di scariche parziali per effetto Corona. 5. L’oggetto in prova (a) nella figura 4.1.1(1) di solito viene connesso tra l’alta
tensione e la terra.
6. La capacità d’accoppiamento (k) deve assolutamente essere priva di scariche parziali; essa di solito è collegata all’impedenza di misura come mostrato in figura 4.1.1(1) oppure se in configurazione diretta, può essere posta ai capi della serie tra (a) e l’impedenza di misura.
7. L’impedenza di misura
Z è connessa in parallelo ad uno scaricatore per
prevenire le sovratensioni che si possono presentare ai suoi capi; può essere provvista inoltre di un trasformatore elevatore 1:N o di un misuratore di alta tensione; l’impedenza può essere resistiva o un circuito risonante attenuato o anche un filtro passa - basso, in ogni caso con una banda passante elevata. Una larghezza di banda da 50 a 100 kHz è sufficiente per avere una risoluzione decente, tuttavia può anche andare oltre i 500 kHz.
8. Il trasformatore elevatore 1:N separa il rumore del circuito da quello dell’amplificatore.
9. L’amplificatore A ha una larghezza di banda molto più elevata di quella dell’impedenza di misura; qualche volta la larghezza di banda può essere scelta in modo tale da poter scegliere le ampiezze di banda adeguate.
10. Gli impulsi possono essere visualizzati tramite un oscilloscopio nella modalità preferita; il valore di picco della più elevata scarica parziale ripetitiva è indicato dal voltmetro di picco, il quale viene preventivamente calibrato in picocoulomb. Solitamente il misuratore di picocoulomb è costruito in scala logaritmica cosicché si possono visualizzare meglio 3 decadi di ampiezza di scarica in una misura. Un registratore x-y è connesso all’uscita logaritmica di quest’ultimo misuratore di picocoulomb e produce un segnale proporzionale alla alta tensione di prova.
11. Il circuito di prova o lo stesso laboratorio di prova è inserito in una gabbia di Faraday ed entrambi hanno un medesimo collettore di terra. L’alimentazione del rilevatore può essere filtrata tanto quanto l’equipaggiamento supplementare.
4.1.2 CARATTERISTICHE
Le caratteristiche che determinano le abilità della rilevazione diretta ( non bilanciata ) delle scariche parziali sono riassumibili in tre idee:
La risposta alla scarica q è determinata tramite l’ampiezza e la forma degli impulsi dall’impedenza di rilevazione. La risposta è data dai circuiti riportati nel capitolo 3 alle figure 3.2.1.2(1) e 3.2.1.3(1), dove l’ampiezza della risposta per entrambe è:
k a n C n a q v ' 1 ˆ (4.1)dove vˆ varia da pochi millivolts al microvolt.
La sensibilità, iniziando dalla più piccola scarica rilevabile, è data da:
a n C
n qsens 1 1 10 4 4 (4.2)dove è la risposta dell’amplificatore e (a) e (C) sono dati in picofarad.
Un tipico esempio di sensibilità nella rilevazione delle scariche parziali può essere dato dalla tabella riportata qui sotto.
capacità in prova grado di elevazione sensibilità
100 pF 2 0.01 pC
10 nF 5 0.1 pC
1 µF 45 1 pC
Figura 4.1.2(1): Tabella esempio della relazione tra capacità dell’oggetto in prova e sensibilità della misura di scariche parziali
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989
La risoluzione è il numero di scariche parziali che possono essere risolte in un quadrante. Essa è determinata dall’oscilloscopio, dall’impedenza di accoppiamento e dall’amplificatore. Un diagramma ragionevole dovrebbe avere 250 impulsi rappresentati per quadrante, corrispondenti a 20 µs tra due impulsi consecutivi.
4.1.3 CALIBRAZIONE
La calibrazione dell’oggetto in prova è semplice, infatti si tratta di immettere nel medesimo una carica come taratura per il rilevatore di scariche parziali e quindi come riscontro.
La carica trasferita può essere generata da un generatore di onde quadre, che genera una tensione di diversi volts picco-picco in serie ad una capacità di alcuni picofarads.
Il calibratore deve essere connesso ai terminali dell’oggetto in prova direttamente, senza tensione applicata e avendo già connesso tutte le terre insieme.
Si può calibrare pure con un calibratore flottante, cioè con nessun terminale connesso a terra, in questo caso la relazione tra le scariche parziali misurate in picocoulombs e l’uscita del rilevatore è stabilita, indipendentemente dall’impedenza di accoppiamento, dal grado di trasformazione e dall’ampiezza di banda.
L’attenuazione dell’amplificatore e la sensibilità dell’oscilloscopio sono aggiustate in modo tale che ci sia una numero fissato di picocoulombs per millimetro sullo schermo dell’oscilloscopio. In questa via, il misuratore di picocoulombs e l’asse delle ordinate del registratore sono calibrati.
4.1.4 CALIBRAZIONE NON RACCOMANDABILE
Figura 4.1.4(1): Modalità di calibrazione errata
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989
La figura 4.1.4(1) rappresenta un metodo di calibrazione usato in molto rilevatori commerciali di scariche parziali.
La carica conosciuta come:
V b
q (4.3)
è iniettata nell’impedenza di rilevazione. Se ora il rilevatore è calibrato con il calibratore interno, la lettura dello strumento è erronea.
Si può calcolare la relazione tra la carica reale q letta e la carica iniettata qcal , cioè: cal q k a q 1 (4.4)
se entrambe danno la stessa lettura sullo strumento.
La reale scarica è così sempre maggiore di quella indicata. L’errore è piccolo, se l’oggetto in prova è piccolo, ma se la capacità dell’oggetto in prova è uguale a quella del condensatore d’accoppiamento allora l’errore è del 100 %, mentre per grandi oggetti in prova, l’errore può diventare diverse volte la lettura dello strumento.
Questo errore può essere prevenuto tramite l’applicazione dell’appena menzionata correzione, ma in molti casi la capacità dell’oggetto in prova o anche quella d’accoppiamento non si conoscono, quindi sono da determinare separatamente.
In ogni caso l’oggetto in prova non è una capacità pura, ma è un’impedenza anche complicata, ad esempio i trasformatori e i lunghi cavi per l’energia, dove giocano un ruolo determinante la capacità parassite verso terra.
In questi casi la correzione di cui alla formula 4.4 non è sempre applicabile.