INTRODUZIONE
L’ alta tensione in corrente continua (HVDC), è la scelta
preferita per la trasmissione di energia a lunga distanza o sottomarina. Le
linee HVDC trasportano una potenza specifica maggiore della tensione
alternata (HVAC), inoltre il costo delle stazioni di conversione si è ridotto
notevolmente negli ultimi anni. Come risultato, la distanza in cui la
tecnologia HVDC diventa più conveniente delle HVAC. In corrente alternata
la distanza massima è diminuita a circa 800 km utilizzando linee aeree e a
poche decine di km (> 50 km), se si considerano i collegamenti sottomarini.
Inoltre, i sistemi back-to-back HVDC consentono di collegare sistemi di
potenza HVAC con frequenze diverse, con livelli di affidabilità migliori,
politiche di regolazione più efficaci, ecc.
L'efficacia dell’industria elettrica nello sviluppare i sistemi HVDC ha
diffuso notevoli aspettative. Fino al 2005, sono stati installati 55 GW di
capacità di trasmissione in tutto il mondo, ma nel 2025 la Cina da sola
prevede di aggiungere ulteriori 48 GW. Questa richiesta di elevate capacità
di trasmissione aumenta ancor più i livelli di tensione di trasmissione: da
quella standard, 500 kV di pochi anni fa, l'industria è passata a 800 kV, con
la prospettiva di ampliare ulteriormente a 1 o anche 1,2 MV.
Questi numeri sono sempre maggior fonte di preoccupazione per
quanto concerne l'affidabilità dei collegamenti HVDC. Poiché, spesso,
queste linee interconnettono impianti di generazione di grande taglia
(generalmente idroelettrica) con aree densamente popolate, e sono
progettate senza l’n-1 ridondanza tipica dei sistemi HVAC, un guasto
potrebbe compromettere la stabilità della rete, provocando il load sheddly e
l'effetto domino. Inoltre, il raddoppio (o più) delle tensioni di progettazione,
sta portando una tecnologia matura ad affrontare problemi relativamente
nuovi. Per fare un esempio, la progettazione di trasformatori per questi
livelli di tensione, se si considera l'effetto corrosivo dell’elettrificazione di
zolfo, sta diventando la maggiore fonte di preoccupazione nella
progettazione di sistemi HVDC.
Alla luce di questi cambiamenti, si stanno studiando nuove tecniche
volte a migliorare l'affidabilità dei sistemi HVDC. Per esempio, un grande
sforzo è stato dedicato all’analisi e misura della carica spaziale. Al
contrario, solo pochi articoli trattano scariche parziali (PD) nei sistemi
HVDC. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che (a) le PD (Partial
Discharges) sono più un sintomo che una causa di degrado, (b) le misure di
PD in HVDC sono abbastanza complesse a causa del rumore e/o
interferenze. Per quanto riguarda (a), occorre essere in grado di rilevare la
presenza di difetti, come, ad esempio, alberi elettrici (a causa di inversione
di polarità, di elettrodi cortocircuitati o sovratensioni impulsive) o isolatori
contaminati in modo critico. Queste informazioni permettono di promuovere
azioni di manutenzione in grado di ripristinare l'affidabilità del sistema.
Dunque anche per i sistemi HVDC ( così come per i sistemi HVAC)
l’analisi PD può essere considerata uno strumento per prevenire guasti,
migliorando l'affidabilità del sistema.
In questa tesi, è presentata una tecnica che è in grado di migliorare il
rapporto segnale-rumore per le misure di PD in HVDC. Questa tecnica è
stata proposta di recente e sfrutta le informazioni contenute in forma di
impulsi PD per raggruppare gli impulsi misurati in gruppi omogenei in
termini di forma d'onda. Dopo questa fase preliminare, sono applicate
tecniche volte a eliminare il rumore, separare gli effetti dovuti alle varie
sorgenti e identificare le stesse al fine di ottenere una diagnosi significativa
dello stato del sistema isolante.
Saranno quindi presentate in dettaglio le tecniche per eliminare il
rumore e per l'identificazione.
CAPITOLO 1
SCARICHE PARZIALI
IN CORRENTE CONTINUA:
MECCANISMO, RILEVAMENTO E ANALISI
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1.1. Generalità
Al fine di innescare una PD, devono essere soddisfatte due condizioni.
In primo luogo, l'ampiezza e la distribuzione del campo elettrico nella cavità
devono essere in grado di sviluppare una scarica che si auto-sostiene. Questa
condizione è generalmente tradotta in un minimo di tensione di breakdown
(tensione di rottura) V
min
. In secondo luogo, un elettrone libero deve essere
presente in una posizione adeguata nella cavità per avviare il processo di
ionizzazione. Questo elettrone di “partenza” può essere fornito da fonti
esterne (radiazione),da emissione di campo o dalla liberazione di elettroni
depositati sulle pareti della cavità per attività PD precedenti. La comparsa di
un elettrone di partenza è un processo aleatorio ed è governato da un
intervallo di tempo stocastico t
L
(time lag = tempo di ritardo). Durante
questo lasso di tempo la tensione in tutta la cavità può superare V
min
di una
sovratensione ΔV e la PD s’innesca a una tensione V
i
=V
min
+ΔV. Questo
processo è schematicamente rappresentato in Figura 1.1.
A causa dello spostamento di carica dovuto a PD la tensione in
tutta la cavità scende ad un valore residuo V
R
. Contrariamente a quanto
spesso si suppone questo valore non è zero, in realtà può anche essere vicino
a V
i
. Per sviluppare una nuova scarica, la tensione in tutta la cavità deve
nuovamente superare il V
min
in un tempo di ''recupero'' t
R
.
Figura 1.1. Andamento della tensione in una cavità di un dielettrico solido
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1.2. Meccanismo fisico delle scariche parziali (PD)
Le scariche parziali in cavità gassose all'interno di un dielettrico
solitamente sono considerate le più pericolose. In questa trattazione viene
descritto il processo di scariche interne ad una cavità soggetta a una tensione
continua, come descritto da Fromm per la prima volta[1-5]. Il processo di
scarica è fortemente influenzato dalle sovratensioni ΔV. A tensione DC, ΔV
è in genere notevolmente inferiore rispetto ai livelli tipici in tensione
alternata. Si considera un esempio di una cavità in un dielettrico. Spesso è
conveniente fare uso di un circuito equivalente per fare alcuni calcoli. A
questo scopo si schematizza il circuito equivalente capacitivo con alcuni
elementi resistivi usato di solito per spiegare i processi di conduzione. In
figura 1.2 viene mostrato un circuito in cui C
a
e R
a
rappresentano le
proprietà di tutto il dielettrico (capacità C e resistenza R), C
b
e R
b
rappresentano le proprietà della parte del dielettrico ''in serie'' con la cavità,
C
c
è la capacità della cavità ed R
c
è la resistenza superficiale della cavità.
Il processo di PD è fortemente semplificato e preso in considerazione
dall’innesco di una scarica. Così, la costante di tempo per la ricarica della
cavità è calcolato (trascurando C
a
e R
a
)
come segue:
(1.1)
Figura 1.2. Modello equivalente per una scarica parziale in una cavità energizzata con tensione DC
5
La tensione in tutta la cavità V
c
(t) è data da:
(1.2)
con V
c,∞
valore limite della tensione in tutta la cavità senza la quale la PD
non si verificherebbe. La tensione V
c,∞
può essere espressa come:
(1.3)
Devins[6] ha studiato l’influenza della sovratensione sul meccanismo
di scarica e ha introdotto due meccanismi di PD nominati ‘Tipo Townsend’
e ‘Tipo streamer’ in analogia con i meccanismi di rottura di gap gassosi
Townsend e streamer. In figura 1.3 è mostrato un impulso di corrente tipico
che è stato ottenuto in un provino 0,3 millimetri di spessore di polietilene,
con una cavità di 0,1 millimetri di spessore a basse sovratensioni.
Figura 1.3. Impulso di scarica tipo-Townsend in una cavità di 0,1mm
Questa scarica tipo Townsend è caratterizzata da un’ampiezza
d’impulso relativamente piccola e una durata dell’impulso relativamente
lunga che aumenta con lo spessore della cavità. Altri ricercatori hanno
trovato per le PD a tensione alternata una certa dipendenza tra lo spessore
della cavità e la durata dell’impulso.
6
Figura 1.4. Impulso di scarica tipo-Streamer in una cavità di 0,1mm
A sovratensioni più alte è stato trovato un altro tipo di impulso di
scarica, si veda la Figura 1.4. Il meccanismo è denominato streamer ed è
caratterizzato da un rapido tempo di salita dell'impulso e una coda corta, che
riflettono la forte ionizzazione e le corrispondenti forti componenti
elettroniche nella corrente di scarica.
1.3. Tassi di ripetizione
La ripetizione delle PD a tensione alternata è facilmente spiegata con
la polarità della tensione che cambia ogni 10 ms (per la 50 Hz), si veda la
Figura 1.5. A tensione continua, la PD può ripetersi a causa della resistività
finita del dielettrico. A seguito di una PD, l’evento successivo di PD può
verificarsi dopo un intervallo di tempo Δt che è la somma del tempo di
recupero e il tempo di ritardo. Il tasso di ripetizione di scarica n (discharge
repetition rate) è il valore reciproco del Δt medio,
(1.4)
per ottenere il valore massimo del tasso di ripetizione, si deve trascurare il
tempo di ritardo, t
L
=0. Allora (ipotizzando implicitamente l’infinita
disponibilità di elettroni) si può ricavare la seguente relazione:
(1.5)
7
Questa è riscritta come:
(1.6)
Assumendo
(che in generale è vero)
(1.7)
Utilizzando l’espansione di Taylor per il primo ordine si ottiene così:
(1.8)
il tasso di ripetizione di PD è uguale a:
(1.9)
Il tasso di ripetizione PD è direttamente proporzionale a
che a
sua volta è proporzionale alla tensione esterna. Questa dipendenza ha
conseguenze importanti per la tensione d’innesco di scarica come viene
rilevato in pratica. A tensione continua, la tensione d’innesco di scarica
rilevata dipende dal valore minimo del tasso di ripetizione PD che può essere
misurato. In teoria, il tasso di ripetizione solo all’istante d’innesco è quasi
pari a zero. Quindi, in pratica la tensione d’innesco di PD viene solitamente
definita come la tensione alla quale il tasso di ripetizione PD è superiore a 1
scarica per minuto.
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