Tecniche a ultrasuoni per la valutazione delle scariche parziali nelle apparecchiature elettriche.
Le scariche parziali sono piccole scintille elettriche che si producono nell’isolamento elettrico di connessioni, conduttori, trasformatori e avvolgimenti di grandi motori e generatori elettrici. L’analisi delle scariche parziali è un approccio diagnostico proattivo che utilizza le misure di scarica parziale (PD) per valutare l’integrità di queste apparecchiature. Questo articolo descrive come gli strumenti a ultrasuoni nell’aria possano essere impiegati per rilevare e valutare le scariche parziali nelle apparecchiature elettriche.
Scariche parziali
Le scariche parziali sono piccole scintille elettriche che si producono nell’isolamento elettrico di connessioni, cavi, trasformatori e avvolgimenti di grandi motori e generatori elettrici. L’analisi delle scariche parziali è un approccio diagnostico proattivo che utilizza le misure di scarica parziale (PD) per valutare l’integrità di queste apparecchiature. Ogni scarica parziale è il risultato di una scarica elettrica che ha origine in una cavità d’aria presente nell’isolamento. Le misure di PD possono essere eseguite in modo continuo o intermittente e vengono rilevate online oppure offline. I risultati consentono di prevedere in modo attendibile che l’apparecchiatura elettrica richiede manutenzione.
Come ogni materiale possiede un limite caratteristico di resistenza alla trazione, così ogni materiale presenta anche una soglia di scarica elettrica (dielettrica), che rappresenta l’intensità di campo elettrico necessaria perché la corrente inizi a fluire e si produca una scarica. I materiali isolanti comuni, come le resine epossidiche, il poliestere e il polietilene, hanno una rigidità dielettrica molto elevata. L’aria, al contrario, ha una rigidità dielettrica relativamente bassa. La scarica elettrica in aria provoca un flusso di corrente molto breve attraverso la cavità d’aria, della durata di frazioni di nanosecondo. La misura delle scariche parziali è, di fatto, la misura di queste correnti di scarica.
Le apparecchiature elettriche possono presentare difetti di fabbricazione o problemi di esercizio di vario tipo che ne compromettono l’affidabilità. L’isolamento elettrico di motori e generatori è soggetto a:
Variazioni termiche Attacco chimico Abrasione dovuta a movimenti eccessivi degli avvolgimenti. In tutti i casi queste sollecitazioni indeboliscono le proprietà adesive delle resine poliestere o epossidiche che proteggono e isolano gli avvolgimenti. Di conseguenza, all’interno degli avvolgimenti si forma una cavità d’aria.
I livelli di scarica parziale non solo forniscono un preavviso di un guasto imminente dell’apparecchiatura, ma accelerano anche il processo di degrado.
Emissione ultrasonica e acustica
Tutte le apparecchiature elettriche in funzione producono un’ampia gamma di suoni. Le componenti ultrasoniche ad alta frequenza di questi suoni sono onde molto corte e i segnali a onda corta tendono a essere fortemente direzionali. È quindi relativamente semplice isolarli dal rumore di fondo e individuarne l’esatta posizione. Inoltre, quando nelle apparecchiature elettriche e meccaniche iniziano a manifestarsi variazioni minime, gli ultrasuoni permettono di scoprire questi segnali di pericolo molto precocemente, prima che si verifichi la scarica.
Gli strumenti a ultrasuoni nell’aria, spesso indicati come «traduttori di ultrasuoni», forniscono informazioni in due modi: qualitativamente, grazie alla possibilità di «ascoltare» gli ultrasuoni isolandoli dal rumore, e quantitativamente, mediante letture incrementali della misura. Nella maggior parte di questi strumenti il risultato si ottiene con un processo elettronico chiamato «eterodina», che converte con precisione gli ultrasuoni captati dallo strumento in suoni nella gamma udibile, riconoscibili e identificabili in cuffia dall’operatore.
Se la capacità di misurare l’intensità sonora e di osservarne l’andamento è importante, altrettanto importante è poter «ascoltare» gli ultrasuoni prodotti dalle diverse apparecchiature. È proprio questo che rende utili tali strumenti: consentono all’analista di confermare una diagnosi sul campo, distinguendo fra i suoni provenienti da apparecchiature differenti.
La possibilità di determinare con precisione la posizione di un segnale ultrasonico su una macchina deriva dalla sua alta frequenza, e quindi dalla lunghezza d’onda ridotta. La maggior parte dei suoni percepiti dall’uomo è compresa fra 20 Hz e 20 kHz, ossia fra 20 e 20.000 cicli al secondo. I suoni a bassa frequenza nella gamma udibile hanno una lunghezza d’onda compresa fra circa 1,9 cm e 17 metri, mentre gli ultrasuoni rilevati da questi strumenti misurano soltanto fra 0,3 e 1,6 cm. Poiché le lunghezze d’onda degli ultrasuoni sono di ordine di grandezza inferiore, la gamma ultrasonica è l’ambito più adatto per localizzare e isolare le sorgenti di guasto in ambienti con elevato rumore di fondo.
L’impiego degli ultrasuoni nell’analisi delle scariche parziali
Le prove a ultrasuoni sono spesso impiegate per la valutazione di tensioni superiori a 1000 V, in particolare in ambienti chiusi. Risultano utili soprattutto per individuare i problemi di tracking. Negli ambienti chiusi la frequenza dei fenomeni di tracking è molto più elevata di quella dei guasti gravi, che possono essere individuati con tecniche come la termografia.
Quando la corrente si disperde nelle linee elettriche o supera un traferro in una connessione elettrica, perturba le molecole d’aria circostanti e genera ultrasuoni. Spesso questi suoni vengono percepiti come un friggere o un crepitio; in altre situazioni si sentono come un ronzio.
Con gli ultrasuoni è possibile rilevare alcuni problemi fondamentali:
Effetto corona: quando la tensione su un conduttore elettrico, come un’antenna in alta tensione o una linea di trasmissione, supera un valore di soglia, l’aria circostante inizia a ionizzarsi formando un bagliore blu o violetto. Ulteriori informazioni sull’effetto corona e sulle telecamere a effetto corona Tracking: spesso definito «arco in formazione», segue il percorso dell’isolamento danneggiato. Archi: un arco si produce quando la corrente elettrica fluisce nello spazio. Il fulmine è un buon esempio. Le applicazioni in alta tensione comprendono isolatori, cavi, interruttori, sbarre, relè, contattori e cassette di derivazione. Nelle sottostazioni il rilevamento è possibile anche su componenti come isolatori, trasformatori e isolatori passanti.
Il metodo per rilevare archi ed effetto corona è simile alla procedura impiegata per rilevare le emissioni acustiche di origine meccanica. Invece di un cinguettio, l’operatore percepisce un crepitio o un ronzio. In alcuni casi, per esempio quando si cerca di localizzare interferenze provenienti da sorgenti radio e televisive o da sottostazioni, l’area del disturbo può essere individuata con una radio a transistor o con un localizzatore di interferenze a banda larga.
Stabilire se esiste o no un problema è relativamente semplice. Confrontando la qualità e il livello sonoro fra apparecchiature simili, la differenza risulta in genere molto marcata. In alternativa, l’andamento delle ampiezze del segnale su un periodo prolungato può indicare la presenza di difetti.