Sistema digitale per il rilievo delle scariche parziali in banda ultra larga in trasformatori isolati in resina epossidica

1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
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Chiaramente nella pratica quotidiana il confine tra monitoraggio e diagnostica non è ben 
marcato in quanto possono esserci dei monitoraggi limitati nel tempo che però danno 
informazioni sufficienti a prendere delle decisioni sul da farsi, mentre possono esserci 
diagnostiche prolungate nel tempo ad intervalli regolari per speciali macchine elettriche. 
Bisogna tuttavia mettere in evidenza il fatto che monitoraggio e diagnostica non sono 
misure nel senso proprio del termine, poiché il misurando varia nel tempo e le serie di 
misure ricavate da queste procedure non sono dei valori numerici indipendenti 
dall’oggetto in prova, ma il più delle volte sono delle stime numeriche su dei parametri. 
I parametri utilizzati nell’analisi dell’apparecchiatura non fanno parte di un processo 
univoco, poiché comunque questo procedimento di monitoraggio e diagnostica sulla 
macchina elettrica in questione deve tenere conto dell’esperienza conseguita su tale 
tipologia di apparecchiatura e sulla conoscenza del suo progetto e della sua 
realizzazione costruttiva. 
Se si considerano le pubblicazioni scientifiche in materia di diagnostica edite negli 
ultimi anni si osserva un fiorire di tecniche diagnostiche, ottimizzate per l’una o l’altra 
apparecchiatura elettrica, che si basano su principi diversi oppure su valutazioni diverse 
del medesimo fenomeno e a queste pubblicazioni spesso si associano produzioni di 
strumentazione di varia natura, non sempre conformate ad hoc sulle esigenze del cliente, 
ma piuttosto atte a soddisfare le esigenze commerciali di chi le vende. 
L’attività di ricerca sulle scariche parziali è un settore ancora aperto, nel quale i prodotti 
hardware e software sviluppati non sempre risultano affidabili oppure risultano 
attendibili per una determinata categoria di apparecchiature elettriche, mentre per altre 
categorie non risultano addestrati a riconoscere scariche parziali di diversa natura ( 
come ad esempio il sistema che valuteremo in questo lavoro ). 
In ogni caso, allo stato attuale della ricerca, non esistono tecniche diagnostiche che 
riescano ad avere valenza generale di rilevazione delle scariche parziali per ogni 
tipologia d’apparecchiatura elettrica. 
In questo lavoro si sono dapprima analizzate le tecniche di rilevazione di scariche 
parziali già affermate in passato e si è poi analizzato un sistema digitale di rilevazione 
delle scariche parziali in banda ultra larga su trasformatori monofase e trifase isolati in 
resina epossidica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
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1.2 LE DEFINIZIONI PRINCIPALI 
 
Il significato dei vari termini usati nelle misure diagnostiche è elencato in alcune 
definizioni principali. 
 
Il malfunzionamento di un sistema elettrico o di un’apparecchiatura elettrica è un difetto 
nel normale funzionamento del medesimo, tale da non impedirne comunque l’utilizzo. 
 
Il guasto di un sistema elettrico o di un’apparecchiatura elettrica è la condizione di 
inibizione al normale funzionamento degli stessi. 
Esso può essere di tre tipi: 
 
 catastrofico 
 improvviso 
 latente . 
 
La degradazione di un sistema elettrico o di un’apparecchiatura elettrica è una 
deviazione di una o più proprietà degli stessi che non preclude il normale utilizzo del 
sistema o apparecchiatura, ma che a lungo termine potrebbe sfociare in un guasto 
improvviso. 
 
Il componente guasto è la parte del sistema elettrico o apparecchiatura elettrica che è 
interessata da un guasto e quindi deve essere riparata o sostituita al fine di poter 
utilizzare il sistema o l’apparecchiatura in cui è inserito. 
 
La rilevazione o identificazione del malfunzionamento/degrado è il processo attraverso 
il quale si determina la natura degli stessi; la rilevazione inoltre può essere eseguita 
anche con mezzi non diagnostici, poiché può risultare casuale o evidente ai sensi umani. 
 
La localizzazione del malfunzionamento/degrado è l’identificazione spaziale del sito 
causa dei medesimi. 
 
La quantificazione del malfunzionamento/degrado è la determinazione di un parametro 
numerico o letterale che renda conto della pericolosità del fenomeno all’interno del 
sistema elettrico o apparecchiatura elettrica in esame. 
 
La stima della vita utile dell’apparecchiatura elettrica è il risultato di un processo 
diagnostico basato su una serie di valutazioni in merito a malfunzionamenti/degradi 
delle parti costituenti la stessa. 
 
 
 
 
1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
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1.3 LO SCOPO DELLA DIAGNOSTICA 
 
Il fine ultimo della diagnostica su di una apparecchiatura elettrica può essere riassunto 
brevemente in 4 punti: 
 
 Identificazione dei malfunzionamenti del sistema; 
 Prevenzione dei guasti distruttivi; 
 Riduzione dei costi per fuori servizio dell’apparecchiatura; 
 Programmazione degli interventi di manutenzione e sostituzione delle 
apparecchiature. 
 
Allo scopo di scegliere la migliore tecnica diagnostica da adottare per l’apparecchiatura 
in esame con il fine ultimo di essere meno costosa possibile, è necessario seguire le 
seguenti regole: 
 
 Individuazione delle principali cause di malfunzionamento/degrado e delle 
principali cause di guasto; 
 Analisi accurata e minuziosa del progetto del sistema o apparecchiatura allo 
scopo di individuare i componenti maggiormente soggetti a 
malfunzionamenti/degrado e guasti; 
 Analisi statistica dei guasti e delle cause di guasto in relazione alla installazione 
ed al particolare impiego; 
 Individuazione degli effetti fisici conseguenti alla presenza di malfunzionamenti 
o degradi e della relazioni tra questi e l’intensità del fenomeno; 
 Individuazione dei metodi di rilievo dei fenomeni fisici correlati alla presenza 
dei malfunzionamenti/degradi; 
 Valutazione dell’affidabilità della misura e della incertezza derivante 
dall’influenza di sorgenti di segnale esterne all’oggetto in prova; 
 Individuazione di metodi alternativi per effettuare misure sull’oggetto in prova, 
allo scopo di ridurre l’incertezza legata alla singola prova; 
 Valutazione dei criteri attraverso i quali si andranno ad attribuire i vari 
malfunzionamenti/degradi a partire dai risultati delle misure e dall’affidabilità 
delle medesime; 
 Valutazione della possibilità d’estrapolazione di quantità non direttamente 
rilevabili ma correlate alla natura ed all’intensità del malfunzionamento o 
degrado, a partire da grandezze osservabili e misurabili; 
 Determinazione degli strumenti atti a ridurre il fattore umano nella stima dello 
stato di degrado dell’apparecchiatura elettrica analizzata; 
 Analisi statistica dell’affidabilità dei criteri adottati nel calcolo della relazione 
che intercorre tra stima di vita e guasti registrati. 
 
 
 
1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
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Una volta adottata la tecnica diagnostica che segue le direttive elencate, può allora 
essere deciso il tipo di misure diagnostiche da utilizzare, a seconda delle esigenze. 
Esistono due tipi di diagnostica: 
 
 ON-LINE 
 OFF-LINE. 
 
La diagnostica “ON-LINE” è il monitoraggio costante di alcune grandezze durante il 
funzionamento dell’oggetto in prova, mentre la diagnostica “OFF-LINE” è il 
monitoraggio di alcune grandezze caratteristiche dell’oggetto in prova ad intervalli di 
tempo prestabiliti e mettendo fuori servizio l’apparecchiatura in prova. 
Chiaramente non esiste una soluzione univoca e la scelta è dipendente oltre che da 
fattori legati alle esigenze di diagnostica anche da esigenze di natura economica. 
La diagnostica “ON-LINE” richiede una valutazione dei costi dell’apparecchiatura che 
deve rimanere collegata all’oggetto in prova per lungo tempo. 
La diagnostica “OFF-LINE” richiede una valutazione dei costi del fuori servizio 
dell’apparecchiatura che deve essere disconnessa per effettuare le misure. 
Come ultima osservazione nel caso di particolari misure diagnostiche che richiedano 
procedure invasive ( componenti del sistema di misura all’interno del sistema stesso ) 
l’installazione di tali sensori deve essere prevista sin dal momento dell’ordine 
dell’apparecchiatura ( per esempio i sensori di temperatura nei trasformatori ). 
 
1.4 IL DEGRADO DELLE APPARECCHIATURE ELETTRICHE 
 
 
Figura 1.4(1): Probabilità di guasto di un’apparecchiatura elettrica in funzione del tempo in servizio 
Fonte: A. Kelly, M. J. Harris, “Management of Industrial Maintenance”, London 1978 
 
Osservando attentamente la curva a vasca da bagno riportata alla pagina precedente 
possiamo notare come la probabilità di scarica sia più elevata all’inizio ed alla fine della 
vita utile delle macchine elettriche. 
1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
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Ciò è dovuto al fatto che inizialmente possono influire, sulla probabilità di guasto, gli 
errori nella progettazione e nella costruzione della macchina elettrica, mentre alla fine 
della vita utile, il fattore che più influenza la probabilità di guasto, è il degrado 
dell’apparecchiatura stessa. Nella parte centrale della curva la probabilità di guasto 
dell’apparecchiatura è legata generalmente a fenomeni casuali come ad esempio 
l’intervento di fattori esterni anomali, come possono essere ad esempio sovraccarichi, 
cortocircuiti, ecc. Chiaramente per ogni macchina elettrica esisterà una propria curva di 
probabilità di guasto a seconda delle caratteristiche intrinseche della stessa, inoltre non è 
sempre ben definito il tempo in cui i difetti di progettazione e costruzione 
dell’apparecchiatura, cominciano a non influire più sulla sua vita utile. Tanto meno noti 
sono i tempi con cui la degradazione dei componenti della macchina in esame 
cominciano a far sentire il loro peso nella probabilità di guasto della medesima. In 
generale la parte più critica di un’apparecchiatura elettrica è l’isolamento dielettrico, 
non solo per problemi legati alla tensione applicatagli,. ma anche dal punto di vista 
termico ( si pensi a come influisce la temperatura sulle scariche parziali ). L’isolamento, 
infatti, in assenza di imperfezioni costruttive, peggiora le sue qualità di isolamento 
dielettrico e meccanico con legge esponenziale in funzione della temperatura. Il risultato 
che si ottiene è l’indebolimento meccanico della macchina elettrica e quindi una 
maggiore sensibilità alle sollecitazioni di natura elettrica, che in caso di eventi elettrici 
anomali, aumenta la probabilità di cedimento del dielettrico della stessa. 
L’apparecchiatura elettrica, qualora non sia affetta da zone di riscaldamento anomalo 
oppure non vi siano in corso fenomeni degradanti di altra natura, ha nel Grado di Carico 
o nel Fattore di Utilizzo dei buoni indici di previsione di guasto. In questo caso, dato un 
monitoraggio continuo dei parametri interessanti al fine di determinare il degrado 
dell’apparecchiatura e data l’esperienza fatta sulla medesima, cioè l’esperienza fatta 
sulle sue caratteristiche intrinseche, di progettazione e di realizzazione, è possibile 
stimare la vita residua dell’apparecchiatura anche in presenza di eventi elettrici anomali 
dei quali si può tenere conto. Un esempio concreto dell’applicazione di questo criterio è 
la misura di temperatura che viene fatta sui trasformatori in olio e a secco di grande 
potenza, nei quali viene effettuato un monitoraggio continuo attraverso apparecchiature 
dedicate che acquisiscono in modo continuo le temperature delle parti critiche 
dell’apparecchiatura in questione e che in conformità a modelli matematici 
standardizzati nelle normative internazionali stabiliscono la durata residua della 
apparecchiatura. In ogni caso, come anticipato, la temperatura è una causa di degrado 
degli isolamenti ma non è il solo fattore, infatti esistono cause legate alle sollecitazioni 
di tipo meccanico e di tipo elettrico. Queste ultime sollecitazioni sono più gravose per la 
macchina elettrica di quella termica e sono pure più difficili da rilevare. Bisognerebbe 
verificare periodicamente che non vi siano danni permanenti o non sull’apparecchiatura 
in esame dovuti alle sollecitazioni elettriche, meccaniche o termiche. Per quanto 
riguarda le misure di tipo diagnostico, queste dovrebbero essere svolte da metà vita utile 
dell’apparecchiatura in poi con frequenza variabile in funzione del 
risultato delle misure precedenti, della curva di carico e del grado di carico della 
macchina elettrica in questione. 
 
1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
pag. 27 
1.5 LE PRINCIPALI TECNICHE DIAGNOSTICHE 
 
L’importanza oggi della diagnostica sulle macchine elettriche è testimoniata 
dall’innumerevole business che si è sviluppato attorno ad essa, data la sua condizione 
strategica nella manutenzione delle macchine elettriche e nella loro sostituzione 
preventiva allo scopo di evitare fuori servizio e quindi esborsi di danaro. 
La diagnostica, infatti, non deve solo fornire informazioni su come stia funzionando la 
macchina elettrica in analisi, quindi un semplice monitoraggio, ma dovrà fornire pure 
una visione futura sul suo comportamento ed eventuale degrado. 
La necessità, infatti, per industrie e laboratori è quella di capire se si debbano sostituire 
oppure no delle apparecchiature elettriche prese in esame e quando farlo, in modo da 
poterle sfruttare al massimo ed evitare che vengano meno nel momento del bisogno. 
Ci sono tre tipi di approcci in questo senso e sono: 
 
 manutenzione su guasto 
 diagnostica “on condition” 
 diagnostica preventiva. 
 
Per quanto riguarda la manutenzione su guasto, possiamo dire che può non esserci la 
necessità di sostituire la macchina elettrica perché comunque da una sua fermata non 
avremmo dei disagi economici e quindi la lasciamo funzionare finché si guasta e poi la 
sostituiremo. 
Per quanto concerne invece la diagnostica “on condition” , pensiamo ad un 
monitoraggio continuo o a periodi prestabiliti di alcuni parametri significativi per il 
normale funzionamento dell’apparecchiatura in esame e delle valutazioni fatte sulla 
base di codesto monitoraggio. 
La diagnostica preventiva o predittiva come generalmente viene chiamata, ha lo scopo 
di prevedere il funzionamento di una macchina elettrica in analisi sulla base di una serie 
di misure diagnostiche condotte tramite tecniche diagnostiche di varia natura, che ora 
andremmo ad elencare brevemente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Introduzione alla diagnostica delle macchine elettriche 
 
 
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Le tecniche diagnostiche più in uso per la diagnostica predittiva sullo stato di degrado 
delle parti isolanti delle apparecchiature elettriche sono: 
 
 fattore di perdita o tan(δ) 
 
La misura del fattore di perdita è una misura finalizzata alla stima del contenuto di 
acqua all’interno di un dielettrico igroscopico e viene spesso richiesta nei trasformatori, 
cavi ad isolamento carta e olio e nelle macchine rotanti; 
 
 indice di polarizzazione/depolarizzazione 
 
Questa misura è volta alla stima del contenuto d’acqua all’interno di isolamenti in carta 
e olio. In base a codesto contenuto varia la resistività dei materiali in analisi e 
conseguentemente la costante di tempo di polarizzazione del dielettrico; 
 
 misura delle vibrazioni 
 
La misura delle vibrazioni è una misura meccanica che si utilizza per le macchine 
elettriche rotanti e serve all’identificazione di guasti meccanici ai cuscinetti, 
deformazione organi rotanti o sbilanciamento delle masse in rotazione oppure rottura di 
una o più sbarre rotoriche, ecc . 
 
 misura della risposta in frequenza ( FRA O SFRA ) 
 
La misura suddetta è una misura diagnostica utilizzata soprattutto nel campo dei 
trasformatori. Tale misura è di tipo comparativo e serve a verificare che, nel corso del 
tempo, non si siano formate, nella macchina, deformazioni permanenti degli 
avvolgimenti; 
 
 misura delle scariche parziali 
 
La misura delle scariche parziali, a differenza delle precedenti tecniche diagnostiche è 
volta alla identificazione, all’interno del dielettrico di intensità di campo elettrico tali da 
superare la rigidità dielettrica del materiale e portare conseguentemente a scariche 
localizzate. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
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2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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(Questa pagina è stata lasciata intenzionalmente bianca) 
 
2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
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2.1 LE SCARICHE PARZIALI 
 
2.1.1 LE SCARICHE PARZIALI 
 
Una scarica elettrica che non cortocircuiti completamente due elettrodi è chiamata 
scarica parziale. 
 
2.1.1.1 CLASSIFICAZIONE 
 
Esistono sostanzialmente quattro tipologie di scariche parziali: 
 
 scariche interne 
 
 
Figura 2.1.1.1(1): Scariche parziali interne 
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989 
 
 scariche superficiali 
 
 
Figura 2.1.1.1(2): Scariche parziali superficiali 
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989 
2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
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 scariche per effetto Corona 
 
 
Figura 2.1.1.1(3): Scariche parziali per effetto Corona 
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989 
 
 
 scariche ramificate ad albero 
 
 
Figura 2.1.1.1(4): Scariche parziali ramificate ad albero 
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989 
 
 
 
 
 
 
2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
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2.1.1.2 TERMINOLOGIA 
 
I termini che spesso vengono usati in letteratura per indicare queste scariche elettriche 
sono: 
 
 ionizzazione 
 livello di ionizzazione 
 punto di ionizzazione 
 effetto corona (applicato a scariche interne) 
 
non sono corretti e vanno evitati. 
 
2.1.2 SCARICHE PARZIALI INTERNE 
 
Esistono sostanzialmente due tipi di scariche parziali interne: 
 
 in cavità con gas 
 in cavità con liquidi. 
 
2.1.2.1 SCARICHE PARZIALI INTERNE A CAVITA’ CON GAS 
 
 
Figura 2.1.2.1(1): Curva di Paschen – Tensione di scarica in aria in funzione del prodotto 
pressione per distanza tra gli elettrodi 
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989 
2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
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La tensione alla quale avvengono le scariche parziali all’interno di cavità con gas 
dipende dal campo elettrico nella cavità stessa e dalla tensione di scarica della 
medesima. 
E’ possibile calcolare il valore del campo per diverse configurazioni della cavità; se ad 
esempio la cavità è piana, esso sarà normale alle linee di campo elettrico E  varrà ε volte 
quello nel dielettrico sano, mentre se la cavità è sferica esso varrà all’incirca 




21
3
 
volte quello nel dielettrico. 
Se la cavità è lunga e parallela al campo elettrico, E  tende ad essere quello del 
dielettrico sano. 
La rigidità dielettrica della cavità dipende dalle sue dimensioni ed è governata dal tipo e 
dalla pressione del gas presente nella cavità. 
La tensione a cui avvengono le scariche parziali in una cavità delimitata da superfici 
isolanti è la stessa che si avrebbe con elettrodi metallici equidistanti e si può ricavare 
dalla curva di Paschen, che visualizza la tensione di scarica in funzione del prodotto 
pressione del gas per distanza tra gli elettrodi. 
Il tipo di gas e il valore iniziale della pressione nelle cavità non sono noti, tuttavia con il 
tempo si porteranno a coincidere con quelle dell’ambiente circostante. 
Pertanto per isolamenti in resina epossidica immersi in SF6, si trovano cavità contenenti 
esafluoruro di zolfo, mentre per isolamenti in polietilene si trovano cavità contenenti 
aria alla pressione atmosferica. 
Si ricorda che il polietilene ha una rigidità dielettrica pari a 3,5÷7 [kV/mm]. 
Diversi fattori possono portare ad avere una rigidità dielettrica molto più bassa di quella 
preventivata. 
Le pareti della cavità potrebbero essere ricoperte di cariche statiche, lì depositate al 
momento della formazione della cavità oppure in occasione di eventi di scarica parziale 
precedenti; queste cariche statiche depositate possono causare una variazione della 
rigidità dielettrica della cavità anche del 20 %. 
Un lieve strato semiconduttivo può apparire sulle pareti delle cavità, cortocircuitandole 
più o meno fortemente e questo può causare un considerevole aumento del campo 
elettrico necessario a produrre la scarica. 
 
2.1.2.2 INCLUSIONI 
 
Le inclusioni sono corpi estranei che vengono a trovarsi nel dielettrico al momento della 
sua formazione oppure in un secondo momento e possono essere  ad esempio carta, 
fibre tessili,ecc. 
Queste inclusioni possono dare luogo a scariche parziali ad una tensione molto più 
bassa che nel caso di gas o liquidi presenti in cavità interne al medesimo materiale. 
La rigidità dielettrica si abbassa sempre dopo la prima scarica parziale. 
 
 
 
2. Introduzione alle scariche parziali 
 
 
pag. 35 
2.1.2.3 SCARICHE PARZIALI INTERNE A CAVITA’ CON OLIO 
 
Le cavità con olio si trovano tipicamente negli avvolgimenti dei trasformatori in olio e 
nei cavi isolati in carta e olio oppure isolati in solo olio. 
Per cavità che hanno direzione normale a quella di E , il valore del campo sarà 
1
2
ε
ε
 volte 
quello nel dielettrico, dove  1ε  è la costante dielettrica dell’olio, mentre 2ε  è la costante 
dielettrica del dielettrico solido sano. 
Per cavità sferiche il rapporto vale 
21
2
2
3




 quella del dielettrico sano, mentre per 
cavità parallele alle linee di campo elettrico E , sarà la stessa del dielettrico. 
 
2.1.3 SCARICHE PARZIALI SUPERFICIALI 
 
2.1.3.1 SCARICHE PARZIALI SUPERFICIALI IN ARIA 
 
Le scariche parziali superficiali si verificano nel caso di presenza di componenti di 
campo parallele alla superficie del dielettrico e sono presenti in regioni con elevato 
campo elettrico E , come punte, curve ad angolo fortemente ottuso, saldature, sbavature 
metalliche, ecc. 
Se si trascura la in omogeneità del campo elettrico, la tensione d’innesco delle scariche 
parziali superficiali seguirebbe questa legge: 
 
  







i
ii
E
dEV         (2.1) 
 
dove   è la lunghezza del tratto in aria, 
i
E  è la rigidità dielettrica del tratto in aria, d  è 
lo spessore del dielettrico. 
 
Figura 2.1.3.1(1): Schema di principio per eventuale scarica parziale superficiale in aria 
Fonte: Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment – F.H. Kreuger 1989