Il rilevamento dell'effetto corona viene utilizzato come strumento diagnostico per il controllo dei componenti critici di una rete elettrica. Con una telecamera per radiazione ultravioletta ad alta sensibilità come la CoroCAM di Amperis è possibile registrare l'effetto corona e la radiazione ultravioletta per valutare lo stato di un'apparecchiatura. I guasti sulle apparecchiature di alta tensione comportano un rischio molto elevato: la manutenzione preventiva evita costi rilevanti. Le scariche parziali possono presentarsi anche a causa di difetti strutturali o di problemi dell'isolamento.
Quando si verificano fenomeni di scarica parziale e di effetto corona, viene emessa una grande quantità di radiazione ultravioletta, che segnala le condizioni dell'isolamento dell'apparecchiatura in servizio e consente di individuare i difetti. Il metodo ottico è chiaramente il metodo diagnostico più adatto per le scariche ed è quello che offre la massima sensibilità e risoluzione in tutte le condizioni.
Con un ricevitore di radiazione ultravioletta ad alta sensibilità è possibile registrare l'effetto corona e la radiazione ultravioletta e valutare lo stato dell'apparecchiatura attraverso l'elaborazione e l'analisi dei dati ottenuti.
Fig. 1: linea di alta tensione – scarica parziale. Fig. 2: scarica provocata dalla fessurazione di un isolatore
Il principio di rilevamento delle scariche corona con una telecamera a immagini ultraviolette
Quando in un'apparecchiatura di alta tensione si verifica una scarica per ionizzazione, per effetto della differenza di intensità del campo elettrico possono comparire una corona, uno sfarfallio o un arco. Durante questo processo di ionizzazione degli elettroni (scarica) viene liberata energia e vengono emessi luce, suono, ozono, radiazione ultravioletta e altro. La tecnologia di imaging UV rileva i segnali ultravioletti prodotti durante il processo di scarica. Grazie a questa tecnologia è possibile individuare la posizione e l'intensità della corona dopo l'elaborazione dei dati e delle immagini e la sovrapposizione con le immagini nella luce visibile.
Fra tutte le frequenze della luce emessa, le onde UV si sono dimostrate l'unica via efficace per questo tipo di prove. L'intervallo di lunghezze d'onda dell'ultravioletto è normalmente 40–400 nm. L'ultravioletto solare che raggiunge la superficie terrestre ha lunghezze d'onda superiori a 300 nm (per effetto dello strato di ozono, che assorbe una parte dell'ultravioletto a onda lunga).
Le onde ultraviolette con lunghezza d'onda inferiore a 280 nm ricadono nella banda solar-blind. Se vengono rilevate, possono provenire soltanto da una sorgente al suolo.
Figura 3. Emissione luminosa della scarica corona. Si tenga presente che la maggior parte della luce emessa ricade nell'ultravioletto
Le telecamere CoroCAM sfruttano l'intervallo solar-blind grazie all'applicazione di filtri speciali: lo strumento può quindi lavorare fra 240 e 280 nm di lunghezza d'onda dell'ultravioletto durante il giorno (banda UV solar-blind), in modo che l'effetto corona sia osservabile anche in pieno giorno. Alcune telecamere a immagini ultraviolette possono essere impiegate soltanto in determinate ore del giorno o della notte, a causa dell'interferenza dei raggi ultravioletti provenienti dal Sole.
Nella fase iniziale della scarica l'effetto corona su un'apparecchiatura di alta tensione non è continuo, ma intermittente. Le telecamere a immagini ultraviolette CoroCAM consentono di osservare la corona con due modalità: monitoraggio in tempo reale e modalità integrata, che visualizza e mantiene sullo schermo il numero di fotoni ultravioletti rilevati in un determinato tempo e in una determinata area (la regione è regolabile), con aggiornamento in tempo reale.
La corona è dunque un effetto luminoso innescato da campi elettrici locali elevati che superano un certo valore critico, ionizzano l'aria e producono la scarica. In condizioni atmosferiche normali questo valore critico è compreso fra 20 e 30 kV/cm
Durante il processo di scarica parziale (PD) le molecole di azoto presenti nell'aria vengono eccitate ed emettono radiazione ultravioletta, generalmente nell'intervallo di lunghezze d'onda 200–405 nm.
I principali fattori che influiscono sul rilevamento UV
Con la telecamera a effetto corona si osserva il numero di fotoni e questo parametro viene utilizzato come indice di intensità della corona sull'oggetto osservato. Numerosi fattori hanno un effetto diretto sul conteggio dei fotoni: la distanza di rilevamento, l'umidità dell'atmosfera, la temperatura ambiente, la pressione, l'altitudine e l'impostazione del guadagno dello strumento.
- Distanza di rilevamento: la distanza di rilevamento ha un effetto rilevante sui risultati; maggiore è la distanza di rilevamento, minore è il campo visivo e minore la sensibilità.
- Umidità e contaminazione: l'umidità svolge un ruolo importante e occorre individuare un modo per gestirla, in modo da rendere possibile l'analisi. All'aumentare dell'umidità migliora la conducibilità della superficie dell'isolatore, il che favorisce la scarica. Inoltre, quanto maggiore è l'umidità atmosferica, tanto più luce ultravioletta viene assorbita, con conseguente riduzione del rilevamento della radiazione ultravioletta.
Fig. 4: copertura isolante in acciaio. Fig. 5: scarica provocata da una connessione allentata
- Effetti della pressione dell'aria e della temperatura: se la pressione aumenta o la temperatura diminuisce, l'intensità del campo elettrico della corona aumenta, poiché aumenta la densità dell'aria; di conseguenza aumenta la distanza media fra le molecole d'aria, diminuisce il cammino libero degli elettroni e l'aria diventa più difficile da ionizzare, il che accresce l'intensità del campo elettrico della corona.
- Effetti dell'altitudine: all'aumentare della quota la pressione diminuisce, quindi diminuisce la tensione che innesca la corona iniziale. In altre parole, a quota maggiore corrisponde un effetto corona minore.
- Influenza del guadagno del rilevatore: il guadagno della telecamera è regolabile, in modo che lo strumento risulti sensibile alla corona riducendo al tempo stesso l'influenza delle interferenze di fondo.
Caratteristiche dell'ispezione a effetto corona
L'ispezione UV è concepita per rilevare i fenomeni esterni sulla superficie dell'apparecchiatura.
Come si è visto, l'umidità penalizza la misura, ma le ispezioni possono essere eseguite praticamente in qualsiasi condizione climatica (esclusa la pioggia). Queste ispezioni permettono di individuare i problemi potenziali nelle fasi iniziali, prima che evolvano in danni gravi e nella conseguente necessità di sostituire rapidamente il componente interessato. Essendo legata alla tensione e non alla corrente, la scarica corona si presenta in modo intermittente e periodico, secondo l'andamento sinusoidale della linea.
La corrosione e l'erosione dovute all'ozono e agli ossidi di azoto generati dalla corona sono processi che accompagnano la scarica corona. La corrosione si manifesta quindi sull'isolatore in porcellana (nella figura seguente sono visibili le 2 separazioni formatesi).
Effetto corona: aspetti ambientali e di sicurezza
Come indicato, la scarica parziale è una sorgente di rumore acustico (AN) e di interferenze radio o televisive (RI o TVI) e deve quindi essere eliminata, anche quando non ha effetti immediati sull'affidabilità della linea. La prima cosa da fare è localizzare con precisione la sorgente di PD, cercando la corona. Con la gamma di telecamere a effetto corona CoroCAM di Amperis, le sorgenti di scarica vengono localizzate e identificate con precisione in pochi minuti.
La corona come agente attivo di degrado
Le CoroCAM di Amperis rilevano attività di tipo corona anche sugli isolatori polimerici. Questi isolatori non ceramici sono soggetti a degrado per effetto corona, poiché l'acido nitrico che si forma dall'ossido di azoto generato e dal vapore d'acqua danneggia il rivestimento polimerico. Inoltre una fessura o una perforazione dell'involucro polimerico consente all'umidità di penetrare nel nucleo in fibra di vetro. La combinazione di umidità e materiale acido degrada il nucleo in fibra di vetro fino a provocarne la rottura.
Anche gli isolatori in porcellana subiscono gli effetti delle scariche parziali. In questi casi la telecamera a effetto corona segnala archi brevi o interni, cemento fessurato o eroso, giunti ossidati e simili.
La corona come indicatore
Come si è illustrato, l'effetto corona è un indicatore di progettazioni e installazioni difettose, oltre che di materiale di qualità insufficiente. La comparsa di una corona segnala processi di degrado in corso e funziona come allarme preventivo. Una delle applicazioni dell'ispezione della corona riguarda la fase di messa in servizio di un nuovo impianto elettrico. La CoroCAM è uno strumento che consente all'operatore del sistema elettrico di verificare che l'installazione sia stata eseguita correttamente. L'impiego delle telecamere a effetto corona durante la messa in servizio riduce il carico di manutenzione successivo.
Conclusione
Una telecamera a effetto corona che genera immagini UV svolge un ruolo importante nel rilevamento dei difetti nelle costruzioni elettriche di alta e media tensione. In questo modo si rileva e si identifica la posizione reale della scarica grazie all'elevata risoluzione della CoroCAM.
Le telecamere Amperis per il rilevamento della corona impiegano l'imaging ultravioletto, una tecnologia relativamente recente ma semplice da usare, efficiente e intuitiva; il monitoraggio dal vivo agevola il rilevamento e la manutenzione. Queste telecamere forniscono una risposta immediata su processi con anomalie che altrimenti resterebbero non rilevate e non trattate. L'ispezione UV sulle linee aeree di distribuzione e nelle sottostazioni fornisce informazioni sulle condizioni della linea (rilevamento precoce dei guasti) e sulla qualità della progettazione e della manodopera durante la fase di installazione.
Nel settore energetico esistono molte altre applicazioni che possono essere sfruttate con questa tecnologia. Il rilevamento delle scariche corona è soltanto una di esse.