MATERIALI E TECNOLOGIE ELETTRICHE MATERIALI ISOLANTI · 2010. 4. 28. · CdL Ing. Elettrica ‐Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 8 PERMETTIVITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI

CORSO DI

MATERIALI E

TECNOLOGIE ELETTRICHE

MATERIALI ISOLANTI

Prof. Giovanni LupòProf. Giovanni LupòDipartimento di Ingegneria ElettricaDipartimento di Ingegneria ElettricaUniversità di Napoli Federico IIUniversità di Napoli Federico II

Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica –– III anno III anno –– II semestreII semestrea.a. 2009/10 a.a. 2009/10

––VIVI‐‐

CdL Ing. Elettrica ‐Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐VI‐ 2

MATERIALI PER ISOLAMENTO ELETTRICO.

ISOLAMENTI GASSOSIISOLAMENTI GASSOSI••ariaaria•• SFSF66•• azotoazoto•• miscelemiscele‐‐ VUOTOVUOTO‐‐ ISOLAMENTI LIQUIDIISOLAMENTI LIQUIDI•• oli mineralioli minerali•• oli di sintesi oli di sintesi

–– oli siliconicioli siliconici–– esteri organici esteri organici

•• gas liquidi (es. azoto)gas liquidi (es. azoto)‐‐ ISOLAMENTI SOLIDIISOLAMENTI SOLIDI


ISOLAMENTI SOLIDI

•• POLIMERI TERMOPLASTICIPOLIMERI TERMOPLASTICI•• POLIMERI TERMOINDURENTIPOLIMERI TERMOINDURENTI•• CARTA NATURALE E DI SINTESICARTA NATURALE E DI SINTESI•• ISOLAMENTI INORGANICIISOLAMENTI INORGANICI•• MATERIALI COMPOSITIMATERIALI COMPOSITI


SOLLECITAZIONI NEI MATERIALI ISOLANTI

campi elettrici relativamente elevati

sollecitazioni termiche

sollecitazioni meccaniche cicliche dovute:

• dilatazione del rame e del ferro

• vibrazioni dovute alla corrente periodiche o al moto delle parti in movimento

• sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti

deterioramento chimico esaltato dai valori relativamente elevati della temperatura


• Requisiti dielettrici: elevato campo critico, basse perdite dielettriche

• Requisiti termici: buona conducibilità termica, buona resistenza al calore

• Requisiti meccanici: resistenza agli sforzi, sufficiente elasticità, resistenza all’abrasione, adesione al rame ed ai metalli in genere

• Requisiti chimici: elevata stabilità chimica, inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione

• durata di vita elevata

• fabbricabilità : i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento senza eccessive difficoltà o lunghi tempi di lavorazione e senza generazione di difetti

• costi relativamente contenuti

REQUISITI DEI MATERIALI ISOLANTI


PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE

•• σσ, , γγ conducibilità intrinseca/estrinsecaconducibilità intrinseca/estrinseca

•• εεrr==εε//εεoo permettivitàpermettività

•• tg tg δδ fattorefattore di perdita di perdita

•• EEcrcr campo critici (campo critici (↔↔ rigidità dielettrica)rigidità dielettrica)


CONDUCIBILITÀ INTRINSECA NEI MATERIALI ISOLANTI

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

= kTaEWo

eTE 0),( σσ

(Wo energia di legame)


PERMETTIVITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI

Modello “macroscopico” Momento elettrico di dipolo μ=qd (q carica del dipolo; d distanza tra i baricentri +/‐) Vettore polarizzazione P(=dμ/dτ) momento risultante di dipolo riferito al volume Suscettività dielettrica χ P=χE (E campo elettrico “macroscopico”; χ costante per i mezzi lineari)

Vettore spostamento D nel vuoto definizione integrale ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==⋅ ∫∫∫∫∫ ∑

Σ vi dvqdS ρnD

Definizione locale D=εo E (εo costante dielettrica del vuoto; D corrisponde alladensità di carica superficiale sull’elettrodo “prolungata” nel vuoto secondo i tubi di flusso di D)

Vettore spostam. D nella materia D =εo E+P=( εo+χ )E= εo εr E (εr permettività ovvero costante diel. relativa del mezzo materiale) Le sorgenti di E sono tutte le cariche (libere e vincolate); le sorgenti di D sono le cariche libere, le sorgenti di P sono le cariche vincolate)

vv divdivdivdiv ρρ

εερρ

−==⇒−

=+

= PDPDE ;00

ll


MECCANISMI DI POLARIZZAZIONE

Polarizzazione elettronica Nell’atomo, in assenza di campo elettrico esterno, si può ritenere che il baricentro dellecariche negative (elettroni) coincida con il baricentro delle cariche positive (nucleo); quindia riposo il momento di dipolo è nullo; in presenza di campo elettrico si ha unadeformazione “elastica istantanea” dell’atomo stesso che assume un momento di dipolodipendente dal campo, ma non dalla temperatura nè dalla frequenza della sollecitazioneapplicata (a meno di non considerare frequenze all’ultravioletto)

Polarizzazione atomica In una molecola a struttura simmetrica (es CCl4), in assenza di campo elettrico esterno, sipuò ritenere che il baricentro degli ioni negativi coincida con il baricentro degli ioni negativi (molecola non polare); quindi a riposo il momento di dipolo è nullo; in presenza di campoelettrico si ha una deformazione “elastica istantanea” della molecola, che assume unmomento di dipolo dipendente dal campo, ma non dalla temperatura nè dalla frequenzadella sollecitazione applicata (a meno di non considerare frequenze all’ultrarosso)

Polarizzazione dipolare In una molecola a struttura dissimmetrica (es H2O), in assenza di campo elettrico esterno, si può ritenere che il baricentro degli ioni negativi non coincida con il baricentro degli ioni negativi ( molecola polare); quindi a riposo il momento del singolo dipolo non è nullo, ma èstatisticamente compensato il momento risultante ; in presenza di campo elettrico si ha un orientamento della molecola, che assume un momento di dipolo dipendente dal campo, dalla temperatura nonchè dalla frequenza della sollecitazione applicata . Nel caso in cui, al cessare della sollecitazione elettrica, il materiale continuasse a presentare un momento dipolare significativo, esso viene compreso tra gli elettreti.

Polarizzazione interfacciale accumulo di ioni sulle superfici di separazione tra materiali diversi nel caso di dielettrici non omogenei. Movimenti lenti rilevanti solo in casi statici o a bassissima frequenza


POLARIZZABILITA’ DELLE MOLECOLE

campo microscopico EL agisce sulla singola molecola: si suppone che la molecola in campo uniforme occupiun volume sferico, rimuovendo il quale nasce una distribuzione superficiale prima“compensata” dalla molecola stessa,

dθsinθπr2cosθPdσ 2 ⋅⋅=

calcolando il campo dovuta a questa distribuzione si deduce che il campo della

molecola dipolare vale 03

*εPE −= e quindi il campo microscopico locale va valutato

come 03

*εPEEEE +=−=L


FATTORE DI POLARIZZAZIONE α

Campo locale dipoliL EEE += geom Polarizzabilità (fattore di polarizzazione) α μ=α EL Componenti della polarizzabilità α=αe+αa+αd Vettore polarizzazione P=N μ=Nα EL=(ε‐ε0) E

Il fattore di polarizzazione è legato al reale comportamento del materiale nel tempo, dipende da grandezze fisiche quali la temperatura, può avere carattere tensoriale. Polarizzazione elettronica : il fattore di polarizzazione dipende solo dalla dimensione dell’atomo e non dal

numero atomico.34 Roel πεα =

Polarizzazione ionica: il fattore di polarizzazione dipende dalla energia di legame W ( )Wne

io

2

=α

Polarizzazione per orientamento: molecole con proprio momento di dipolo; nell’allineamento dei dipoli occorre tener conto dell’agitazione termica che contrasta gli effetti del campo locale

kTpm

or 3=α

Polarizzazione di diversi tipi ‐ Equazione di Clausius‐ Mossotti i

ii

or

r

Lii

i

N

ENP

∑

∑

=+−

=

αεε

ε

α

31

21


COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA

Sollecitazione sinusoidale

( )

∞∞→

→

→

===

==

+=−==

εωεεωε

ωεεε

ωωϕωω

ω

ω

ω

)('lim)('lim

0)("lim"'

sincoscos)(cos)(

0

0

2

1

21

s

o

o

o

o

EDED

tDtDtDtDtEtE

Sfasamento tra P(t) e D(t)

( )EEPED &&&&&& "ε0 jεε' −==+= ε

Costante dielettrica complessa "j' εεε −=&


Potenza specifica( )

tgδε'ε"Eωε"tgδEωε'Sd

tgδEddSωε'

τtgδωCV

τQtgδ

τPp 22

22

=⇔======

Perdita in presenza di conduzione

2p

22222 ωεε"ωσωEEωε"σEtgδωεEσEp E=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=+=+=

Fattore di perdita (globale)

ε'

ε"ωσ

'tgδ

+==

εε p

FATTORE DI PERDITA NEI MATERIALI ISOLANTI

Perdite per isteresi dielettrica P= Q cotg ϕ = Q tgδ (es. per un condensatore)

p* jεε'ε −=Costante dielettrica complessiva


DIPENDENZA DELLA COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA E

DEL FATTORE DI PERDITA DALLA FREQUENZA

Ad alta frequenza scompare il meccanismo di polarizzazione dipolare; pertanto

( )EPPPP eaω 0εε −=+== ∞∞→∞ Indicando con Psd il vettore polarizzazione legato al meccanismo di orientamento per bassissime frequenze, abbiamo

( )EPPPP ω 0sd0 εε −=+== ∞→ ss Ad una frequenza generica avremo

( )( )EPPP

EPPP

ωd

ω d

∞∞

∞

−=−=

−=+=

εε

εε 0

In condizioni dinamiche generali, il meccanismo di polarizzazione può essere descritto da una relazione del tipo (ipotesi di Debye)

( ) ( ) dsddsdd εεjωdt(t)τ1d PEPPPP &&& −−=⇒−= ∞τ

da cui

EPd && τjω1

εεs+

−= ∞

τεε

jω1εε s

+−

+= ∞∞& 22s

τω1εε

εε'+

−+= ∞∞ ωττω1

εεε" 22

s

+−

= ∞

(equazioni di Debye)


La ε” ha un massimo per ωτ=1 . Anche il fattore di perdita può essere valutato in questo modo:

( )22

s

s

τωεεωτεε

ε"ε'tgδ

∞

∞

+−

==

esso presenta un massimo per ∞

=εε

ωτ s

Circuiti equivalenti : RC parallelo per le perdite per conduzione; RC serie per tener conto dell’isteresi dielettrica; più paralleli RC in serie per tener conto dellapolarizzazione interfacciale

DIPENDENZA DELLA COSTANTE DIELETTRICA COMPLESSA E

DEL FATTORE DI PERDITA DALLA FREQUENZA


Il “livello d’isolamento” indica di solito le tensioni di prova da applicare all’isolamento del componente, senza il verificarsi di danni.

• Il livello d’isolamento di solito è superiore (spesso molto superiore) al valore della tensione nominale, e questo perché:‐ il dimensionamento dell’isolante deve tener conto delle sovratensioni, di lunga durata o transitorie, che possono sollecitare la macchina in particolari condizioni d’esercizio o per effetto di anomalie.‐ è in relazione con l’affidabilità che si intende dare all’apparecchiatura:‐ maggiore sicurezza → livello d’isolamento più alto‐ occorre fissare una ragionevole soglia di tensione minima

LIVELLO D’ISOLAMENTO


LIVELLO D’ISOLAMENTO (ESEMPI)


SOVRATENSIONI TRANSITORIE

• Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosfericafulminazione direttafulminazione prossima o indiretta (sovratensioni indotte in linea)

sono caratterizzate da livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono, la durata dei fenomeni è dell’ordine delle decine di μs (lightning surges)

• Sovratensioni di origine interna al sistema o per manovra (switching surges):– messa in tensione di linee o trasformatori– ferrorisonanza– guasti a terra– interruzione di carichi induttivi o capacitivi;– variazioni di carico;– interruttori non perfettamente messi a punto;– funzionamento tipico o anomalo di alcuni componenti


SOVRATENSIONI STANDARD DI PROVA (APERIODICHE)

Vc

Vc / 2

tc t½t

V( )tt eeVtv βα −− −= 0)(

Vc : valore di cresta

tc : tempo alla cresta

t½ : tempo di dimezzamento

La forma d’onda viene caratterizzata riportando il rapporto tc / t ½ e la polarità;ad esempio: onda 250/2500 [μs/ μs] , pol. pos., standard per switching surge (impulso lungo).

Per sovratensioni atmosferiche (lightning surge ‐ impulso breve 1,2/50 [μs/ μs]), in genere disturbate da oscillazione sia intorno all’origine che sulla cresta, le Norme stabiliscono un modo convenzionale per valutare il tempo alla cresta (di fronte).


Categoria I : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 1 kV e 245 kV

LIVELLO D’ISOLAMENTOCLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE

360 – 395 – 460 850 – 950 – 1050 245275 – 325 650 – 750 170230 – 275 550 – 650 145

230450 – 550 12314032572,5952505270145 – 170365095 – 125243875 – 9517,52860 – 75 – 95122040 – 60 7,21020 ‐ 403,6

Tensione di tenuta a frequenza industriale (kV)

Tensione di tenuta a impulsobreve (kVc )

Vm (kV)


LIVELLO D’ISOLAMENTOCLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE

Categoria II : sistemi in cui la tensione più elevata per i componenti è compresa fra 300 kV e 765 kV

1675 – 1800 – 1950 – 2100 1300 – 1425 – 1550 765

1175 – 1300 – 1425 – 1550 950 – 1050 – 1175 525

1050 – 1175 – 1300 – 1425 850 – 950 – 1050 420

950 – 1050 850‐ 950 362

850 – 950 750 – 850 300

Tensione di tenuta fase‐terra a impulso

atmosferico (kVc )

Tensione di tenuta fase‐terra a impulso di manovra (kVc )

Vm (kV)


• Campo critico (strength)• Tensione di scarica ‐ Collasso• Tipo di danno: parziale/totale• Ripristino, tempi di ripristino• Caratterizzazione in funzione del tipo di sollecitazione• Caratterizzazione in funzione della durata della sollecitazione• Caratterizzazione in funzione della distribuzione di campo• Caratterizzazione in funzione delle condizioni di lavoro

(temperatura, pressione, contaminazione)

RIGIDITÀ DEI MATERIALI ISOLANTI


ISOLANTI GASSOSI

Isolamenti interni di isolatori passanti, interruttori, TV capacitivi, blindosbarre

Gas elettronegativi (esafluoruro di zolfo SF6)

Linee aeree, isolamenti esterni di isolatori passanti, interruttori, TV e TA

Aria

ApplicazioniGas

Gli isolamenti gassosi in grandi volumi sono da considerarsi autoripristinanti (es. aria libera)


PROPRIETÀ DELL’ARIA

VALORI MEDI DEI PARAMETRI DI CONDUZIONE

( ) ASJImAEJ

mSqnqn

mVhEE

earthearth 17603.6445.3

1045.3

103.2

150)0(

20

212

00

14

0

=⋅⋅⋅==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=+=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡===

−

−−−−+++

π

σ

μμσ

PERMETTIVITÀ DELL’ARIA ε=1,00059


CARATTERISTICA DI SCARICA

la tensione di scarica (e quindi la rigidità dielettrica) è un parametro aleatorio e quindi necessita di un approccio statistico basato sulla determinazione della caratteristica di scarica che esprime la probabilità di scarica p(V) in funzione del valore di cresta della tensione applicata

la caratteristica di scarica degli isolamenti in aria è molto bene approssimata dalla distribuzione cumulata di Gauss:

∫∞−

=V

dVVVp )()( ϕ

250

21

21)(

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

= σπσ

ϕVV

eV

V50 : tensione di scarica 50% ; s : dispersione

quasi sempre è: σ =2 – 3 % per gli impulsi atmosferici

5 – 6 % per gli impulsi di manovra


2

98

6,5

15

30,5

50

69,5

85

93,5

1

99

p (%)

VV50Vt

pt : probabilità di scarica accettata

Vt = f(pt) :tensione di tenuta

V50 : tensione di scarica 50%


DIPENDENZA DAL TIPO DI TENSIONE APPLICATA

0

1

2

3

0 5 10 15d (m)

V50(MV)

d

V50 in funzione della distanza con pol. positiva nella configurazione asta-piano

imp. atmosferici

imp. di manovra


DIPENDENZA DAL TIPO DI TENSIONE APPLICATA

Tensione di scarica (1‐4) e campo medio di scarica (5) in configurazione punta piano (punta positiva) in funzione della distanza interelettrodica e delle caratteristiche della tensione applicata: tensioni impulsive a fronte breve (1), tensioni continue (2), tensioni alternate a frequenza industriale (3), tensioni minime di scarica per impulsi a fronte lungo(4).


DIPENDENZA DALLA PRESSIONE – Legge di PASCHEN


LEGGE DI PASCHEN : MINIME TENSIONI DI SCARICA

1554,0Elio

2454,0Neon

4200,57Anidride carbonica

5070,26Esafluoruro di zolfo

4500,7Ossigeno

2301,05Idrogeno

2400,65Azoto

3520,55Aria

Tensione min di scarica VSmin [V]

(pd)min [Torr cm]Gas


Tensione di scarica in aria STPStandard Internazionali

Tensione di scarica in funzione del prodotto pressione‐distanza per l’aria come riportato negli standard internazionali – I pallini pieni rappresentano la legge di Schumann

[ ] [ ] [ ] pddpV cmbarkVS 4,2472,6 +=


ESAFLUORURO DI ZOLFO SF6

F

F

F

F

F

F

S

La molecola dello SF6 è fortemente elettronegativa: cattura gli elettroni liberi, rallentando la formazione delle valanghe elettroniche che sono il primo stadio del processo di scarica; ha eccellenti proprietà dielettriche; la sua rigidità, in condizioni comparabili e 2,5 – 3 volte quella dell’aria.

Ad esempio con campo uniforme alla distanza d = 10 mm ed alla pressione di 1 bar si ha: aria Ecr = 3 kV/mm ; SF6 Ecr = 9 kV/mm


Metallo Funzione di lavoro (eV) Ag 4.74 Al 2.98‐4.43 Cu 4.07‐4.7 Fe 3.91‐4.6 W 4.35‐4.6

Valori della barriera di potenziale per l’estrazione di elettroni dai metalli

Emissone per effetto di campo

ISOLAMENTI IN ALTO VUOTO ‐1


– Tensione di scarica in condizioni di alto vuoto (p


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• Fine MTE_06

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