Tesi di Elettrotecnica

CEI

1) Valore di cresta

Per valore di cresta si intende il valore massimo che l’impulso

raggiunge, di solito espresso in chilovolt.

2) Fronte d’onda

Per fronte d'onda si intende il tratto di curva compreso tra

l'inizio dell'impulso e il suo valore di cresta. La durata

, espressa in microsecondi,

convenzionale del fronte d'onda 1

viene calcolata moltiplicando per 1,67 l'intervallo di tempo T

necessario perché la curva passi dai punti corrispondenti allo 0,3

e 0,9 volte la tensione di cresta. La retta che passa fra i due valori

di tensione indicati, taglia l'asse delle ascisse nel punto 0, che è

considerato l'inizio convenzionale dell'onda di tensione

impulsiva.

Protezione di apparecchiature elettriche o elettroniche: la norma CEI 81-10/4 (EN 62305-4)

10 29

3) Coda dell’onda

Per coda d'onda s'intende il tratto di curva che segue la cresta.

La durata convenzionale T, viene definita dall'intervallo di

tempo espresso in microsecondi, intercorrente fra l'origine

)

( e l'istante in cui la tensione nella

convenzionale dell'onda 1

fase decrescente raggiunge la metà del valore di cresta

(emivalore).

Sui valori di cresta e di durata del fronte e della coda sono

ammesse delle tolleranze:

±

- sul valore di cresta 3%; ±

- sulla durata convenzionale del fronte 30%;

±

- sulla durata convenzionale fino all'emivalore 20%.

In qualche caso, all'onda impulsiva di tensione risultano sovrapposte

delle oscillazioni ad alta frequenza che insorgono nel circuito di prova

e che sono tollerate se la loro ampiezza sulla cresta dell'onda risulta

inferiore al 5% del valore di cresta stesso. In corrispondenza della prima

metà del fronte tali oscillazioni possono essere più ampie, ma non

superiori al 10%. La frequenza delle oscillazioni non è solitamente

inferiore a 0,5 Mp/s ed in tal caso il valore convenzionale della

30

ampiezza dell'impulso viene determinato tracciando una curva media

11 .

come messo in evidenza della figura sottostante (Fig. 2.2)

Fig. 2.2

Si deve ricordare che per particolari tipi di macchine o materiali,

come i condensatori e i cavi, può risultare difficile realizzare le

condizioni prescritte per la durata del fronte. Quando risulta verificato

che le durate del fronte non incide in modo notevole sulle sollecitazioni

dei dielettrici (come si verifica appunto per i materiali citati) le Norme

particolari possono ammettere delle durate più lunghe (anche sino a 5

μs).

Durante le prove sui trasformatori di grande potenza risulta a volte

praticamente impossibile mantenere l’onda di tipo unidirezionale. Se si

verificano delle oscillazioni di polarità opposta, queste devono essere

contenute nel 30%.

Vedi [18] pp.18

11 31

2.1.3 Livello d’isolamento

Il livello d'isolamento di un materiale è definito dalla combinazione dei

valori delle tensioni di tenuta a frequenza industriale ed a

impulso che caratterizzano l'isolamento di questo materiale, in

relazione alla sua attitudine a sopportare le sollecitazioni dielettriche.

Per tensioni di tenuta si intendono quelle che il materiale può sopportare

in sede di prova con le modalità prescritte a questo proposito dalle

Norme CEI. Il livello di tenuta ad impulsi è sempre da verificare a secco

mentre quello a frequenza industriale viene verificato, in sede di

collaudo, a secco o sotto pioggia normalizzata, a seconda che

l'apparecchio sia destinato ad installazione all'interno o all'esterno.

Nella definizione dei livelli di isolamento si deve tenere conto che le

sovratensioni che si possono verificare sulle reti elettriche possono

essere di origine interna o atmosferica come abbiamo ampiamente

mostrato nei paragrafi precedenti. Le sovratensioni di origine

atmosferica possono, come è noto assumere valori molto elevati, ma la

loro ampiezza può essere ridotta impiegando dispositivi di protezione

appropriati (aste spinterometriche, scaricatori, ecc.). Le sovratensioni

32

di origine interna sono invece di ampiezza inferiore, ma la loro

pericolosità è aumentata dalla durata della sollecitazione. Per limitarle

si può agire sulle caratteristiche delle struttura della rete, oppure

utilizzare dispositivi di protezione appropriati. Per fornire una idea più

precisa dei concetti esposti, forniamo alcuni grafici che rappresentano i

risultati di alcuni rilievi sperimentali. Per isolanti diversi la tensione di

perforazione è fornita in funzione della durata della sollecitazione.

( 12

Nella figura sottostante Fig. 2.3)

Fig. 2.3

le prove si riferiscono ad una distanza isolante in olio minerale definita

da due elettrodi di cui uno cilindrico e l'altro piano; le tensioni di scarica

Vedi [18] pp.24

12 33

sono riportare in funzione del tempo di applicazione (per i tempi più

lunghi la tensione applicata era di tipo alternativo a frequenza

industriale). Con le stesse modalità è stata determinata la curva della

13 ,

seguente figura (Fig. 2.4) Fig. 2.4

ma in questo caso il materiale in prova era costituito da uno

strato di carta impregnata con olio minerale.

Dall'esame delle due curve è facile rilevare che sulla tensione

di scarica influisce notevolmente la durata di applicazione della

tensione. Per il caso della figura sopra riportata il rapporto tra la

tensione di scarica ad impulsi di forma normale (che orientativamente

sulla curva in corrispondenza di 10 μs) e quella di

può essere letta

Vedi [18] pp.24

13 34

scarica a frequenza industriale applicata per 1 minuto è di 3,5. Questo

rapporto viene solitamente chiamato rapporto ad impulso.

2.1.4 Livello d’isolamento normali

I valori normali dei livelli di isolamento, in funzione del valore

più elevato della tensione del sistema, sono riportati nelle tabelle

14 .

sottostanti

Vedi [18] pp.26

14 35

La scelta di un determinato livello di isolamento è funzione

della tensione nominale del sistema e di particolari condizioni speciali

che si possono verificare in esercizio, come ad esempio installazioni

più o meno esposte alle sovratensioni di origine atmosferica,

all'inquinamento superficiale degli isolanti in aria, o più o meno

efficacemente protette. I valori delle tensioni di tenuta a frequenza

industriale e ad impulsi forniti a coppie dalle tabelle successive possono

anche differenziarsi nel senso che è ammesso scegliere livelli di

isolamento ad impulsi non corrispondenti a quelli a frequenza

industriale. È però consigliabile che i livelli scelti siano sempre

compresi tra quelli normali. 36

Nella prima tabella sono riportati i valori dei livelli di isolamento

per tensioni fino a 72,5 kV. Per la tensione di prova a frequenza

industriale sono forniti due colonne la seconda delle quali presenta in

generale valori un po' più elevati. La scelta dei valori della seconda

colonna è da farsi nel caso di installazioni all'esterno che possono essere

soggette ad inquinamenti superficiali. È da notare però che tale

soluzione non è certamente l'ideale ed è quindi opportuno che

parallelamente possano essere presi altri provvedimenti particolari

(trattamenti speciali delle superfici inquinabili, allungamento del

percorso della scarica, ecc.). Nella seconda tabella sono invece riportati

i valori dei livelli di isolamento per tensioni da 100 kV in su.

Sia per le tensioni a frequenza industriale che ad impulsi sono date due

colonne che si riferiscono a livelli a pieno isolamento e ad isolamento

ridotto. La scelta tra i due tipi d'isolamento deve essere fatta

essenzialmente in funzione delle condizioni del neutro del sistema.

Distinguiamo i diversi tipi di neutro nelle reti che stiamo considerando:

- Rete a neutro isolato. È una rete il cui neutro non ha alcun

collegamento voluto alla terra se non attraverso degli apparecchi

di segnalazione, di misura e protezione, di grandissima

impedenza. 37

- Rete con neutro a terra attraverso bobina d'estinzione

E' una rete il cui neutro è collegato a terra attraverso una bobina

la cui reattanza è di valore tale che nel caso di guasto a terra di

una fase della rete, la corrente induttiva a frequenza industriale

che circola tra il guasto e la bobina compensi la componente

capacitiva a frequenza fondamentale della corrente di guasto.

In una rete compensata con bobina di estinzione, la corrente

di guasto risultante è limitata in modo tale che l'arco del guasto

in aria si estingua spontaneamente.

- Rete con neutro a terra. È una rete il cui neutro è collegato a terra

direttamente o attraverso una resistenza (o reattanza) di valore

sufficientemente basso per ridurre le oscillazioni transitorie e

lasciare passare la corrente per la protezione selettiva di terra. Un

punto della rete considerata può essere ritenuto efficacemente a

terra se con riferimento a quel punto il coefficiente di messa a

terra non supera l'80%. Questa condizione è

approssimativamente realizzata quando il rapporto tra la

reattanza alle correnti di sequenza zero e la reattanza alle correnti

di sequenza positiva è inferiore a 3, mentre il rapporto tra la

resistenza di sequenza zero e la resistenza di sequenza positiva è

inferiore a 1 per tutte le condizioni possibili di collegamento della

38

rete. Un punto della rete considerata deve essere ritenuto non

efficacemente a terra se con riferimento a quel punto il

coefficiente di messa a terra supera l'80%.

- Coefficiente di messa a terra.

Con riferimento ad un determinato punto della rete (general-

mente nel punto di installazione di una data apparecchiatura) e

per una configurazione data dalla rete stessa, è il rapporto,

espresso in percento, della tensione più elevata della rete tra una

fase sana e la terra durante un guasto a terra, e la tensione efficace

tra le fasi in assenza di guasto. Questo coefficiente è un semplice

rapporto numerico che caratterizza in modo del tutto generale le

condizioni di messa a terra della rete, indipendentemente dal

valore particolare della tensione di servizio.

Tra le possibili condizioni di funzionamento del neutro dei sistemi,

quelle che richiedono livelli l'isolamento pieno sono:

- i sistemi funzionanti a neutro isolato;

- sistemi funzionanti con neutro a terra attraverso bobina di estinzione;

39

- sistemi funzionanti con neutro a terra attraverso resistenze di valore

relativamente elevato.

Come è già stato precisato queste condizioni influiscono sul valore del

coefficiente di messa a terra e come conseguenza sul valore della