Sommario:
Riassunto:
La tensione di rottura dell'olio isolante diminuisce per effetto dell'umidità, dell'acidità, delle particelle e della pressione.
Introduzione:
La tensione di rottura di un olio minerale isolante è stata studiata sotto l'influenza di umidità, acidità, pressione e particelle. Le norme IEC156/95 (VDE0370/Part5/96 e ASTM D1816) definiscono le condizioni di prova che devono rispettare i tester per olio isolante. L'umidità apporta portatori di carica: una saturazione di umidità che passa da 0 a 20 % riduce la tensione di rottura da 72 a 61 kV.
Anche l'acido, in quanto prodotto di degradazione, riduce la rigidità dielettrica per la stessa ragione. Non è il numero di acidità totale TAN a essere determinante: quanto minore è l'effetto degli acidi molecolari, tanto maggiore è la diminuzione. Poiché il processo di rottura inizia con una bolla microscopica, un aumento della pressione fa crescere anche la tensione di rottura. L'andamento asintotico osservato sembra raggiungere un valore finale massimo della tensione di rottura intorno a 150 kV. Una pressione ridotta favorisce la formazione di bolle e diminuisce la rigidità dielettrica disponibile. Le particelle secche (fibra di cellulosa) riducono la tensione di rottura soltanto a bassa pressione; a pressione atmosferica non si è osservata praticamente alcuna influenza.
Olio minerale, rottura, particelle, acidità, umidità, pressione
Rottura nell'olio isolante
- Introduzione
L'olio isolante dei trasformatori di potenza svolge la funzione di mezzo per il trasferimento del calore e di isolante liquido: due motivi che hanno reso interessante lo studio delle sue proprietà isolanti. In primo luogo, i trasformatori di potenza funzionano di norma in condizioni di invecchiamento. Con l'aumento del contenuto di umidità nell'olio, i prodotti di invecchiamento o di degradazione si dissolvono e le particelle si disperdono. In secondo luogo, i trasformatori vengono impiegati in nuove condizioni ambientali, in cui si presentano pressioni sia basse sia elevate. Un esercizio e una manutenzione sicuri richiedono uno studio accurato di queste influenze.
Considerazioni teoriche
I liquidi isolanti traggono la propria rigidità dielettrica dalla densità più elevata rispetto ai gas. Il processo di rottura inizia con una bolla microscopica, una zona in cui le distanze tra i corpuscoli sono grandi e in cui ioni ed elettroni possono innescare valanghe. Queste bolle microscopiche sono provocate da impulsi di corrente su un elettrodo. L'impulso di corrente successivo inietta portatori di carica nella bolla, determinando l'amplificazione della corrente e infine la rottura [1]. Da queste considerazioni si attende quanto segue:
- L'umidità apporta portatori di carica e riduce quindi la rigidità dielettrica disponibile.
- Anche i prodotti di ossidazione, come gli acidi, apportano portatori di carica per dissociazione. Sono inoltre tensioattivi e abbassano la tensione superficiale: favoriscono così l'evoluzione della bolla, cui segue una diminuzione della rigidità dielettrica.
- Anche la pressione influisce sull'evoluzione della bolla. All'aumentare della pressione la tensione di rottura dovrebbe crescere. Per pressioni inferiori a quella atmosferica la tensione di rottura dovrebbe diminuire.
- Le particelle si spostano verso le zone a elevata sollecitazione di campo in funzione della loro permittività rispetto a quella dell'olio. Se sono molto conduttive o umide, è prevedibile una diminuzione della tensione di rottura.
- Influenza dell'umidità e dell'acidità
- Dispositivo di misura
La tensione di rottura ai diversi contenuti di umidità e acidità è stata misurata con un sistema di prova dielettrica convenzionale, il tester per olio isolante Portatest. Il sistema funziona in modo completamente automatico, condizione molto comoda per periodi di prova prolungati. Il vantaggio specifico consiste nel rilevamento rapido della rottura e nell'interruzione della corrente in meno di 1 ms che, insieme alla bassa energia del circuito di prova, impedisce la carbonizzazione dell'olio minerale: anche centinaia di prove sullo stesso campione di olio non hanno ridotto la tensione di rottura per effetto dei prodotti di combustione.
Figura 1: sistema di prova automatico Portatest per liquidi isolanti
Le prove sono state eseguite in conformità alla IEC156/95 Figura II (VDE0370/Teil5/96 e ASTM D1816), ossia con elettrodi sferici di raggio 25 mm. La Figura 1 mostra il sistema di prova automatico. L'acidità degli oli è stata misurata con un sistema automatico di titolazione potenziometrica "Titrino SM 702 con unità di scambio 806" prodotto da Metrohm (Figura 2). Il numero di acidità totale TAN è stato determinato mediante titolazione volumetrica con potassa, per neutralizzare gli acidi carbossilici.
Figura 2
L'umidità degli oli è stata determinata come contenuto di umidità relativo alla saturazione (RS in %) mediante sensori capacitivi Vaisala HMP 228. Per ottenere risultati attendibili, i sensori sono stati tarati con cura con soluzioni saline sature di cloruro di litio e cloruro di sodio. Il contenuto di umidità relativo alla saturazione (%) fornisce più informazioni sugli effetti determinanti dell'umidità sulla tensione di rottura rispetto al consueto contenuto di umidità relativo al peso in ppm. È stato quindi verificato misurando l'umidità in ppm. Tale valore può comunque essere calcolato mediante isoterme di assorbimento, come pubblicato in [2].