Uno dei guasti più costosi e destabilizzanti che si verificano negli impianti elettrici è il guasto dell'isolamento. Indipendentemente dall'applicazione e dai trasformatori di servizio, dai quadri elettrici, dai motori rotanti, dai quadri GIS, dagli scaricatori di sovratensione o dai relè di distribuzione, e indipendentemente dal fatto che i sistemi dielettrici siano guasti, questo si traduce direttamente in interruzioni prolungate, rischi di incendio, danni alle apparecchiature e mancato rispetto delle normative. Tester di tensione a impulsi è ancora fondamentale nei test di prequalificazione, nei test sul campo e nei test di affidabilità in linea di produzione. Permette agli ingegneri di conoscere la risposta dei dielettrici a eventi improvvisi di alta tensione anziché a sollecitazioni in stato stazionario. Questa differenza è essenziale poiché l'isolamento normalmente si rompe a vari livelli, per cui l'energia viene indotta tramite rapidi transitori.
Le sovratensioni non sono paragonabili alle sovratensioni continue in corrente alternata o continua. Sovratensioni di commutazione, impulsi di fulmini, sequenze di avviamento di motori, disconnessioni di carichi induttivi o picchi di risonanza ad alta frequenza sono spesso cause di guasti reali.

Scopo della valutazione degli impulsi

L'iniezione di impulsi controllati non mira semplicemente a causare un guasto, ma a monitorare la propagazione dell'onda, il comportamento di invecchiamento degli isolamenti, la tempistica di accumulo della carica e il ritardo tra l'inizio della scarica e il guasto. Numerosi sistemi di isolamento si comportano in modo diverso quando la tensione aumenta rapidamente nell'ordine dei microsecondi. La concentrazione di stress elettrico si verifica nei punti deboli degli strati dielettrici, cosa che non viene rilevata durante il test di rampa lenta.
Gli avvolgimenti dei trasformatori riempiti con resina epossidica, le strutture in carta oleata e i sistemi polimerici reticolati subiscono un accumulo di distorsione del campo elettrico in caso di sovratensioni dovute a compositi isolanti ad alta tensione. Questa distorsione si propaga su strati e interfacce. In caso di errori di fabbricazione, ad esempio vuoti, umidità, microfessure, mancanza di legame con la resina o spessore irregolare, i punti deboli possono essere rilevati istantaneamente misurando il transitorio impulsivo.

Caratteristiche della forma d'onda nei test di sovratensione

Un normale segnale di tensione impulsiva è un segnale di decadimento esponenziale con tempo di salita breve. Le specifiche di settore utilizzano terminologie come 1.2/50 µs o 8/20 µs per specificare le forme d'onda in termini di tempo di anticipo e tempo di coda. Nel caso di un tester di tensione impulsiva, lo stress di isolamento è caratterizzato dalla pendenza della forma d'onda quando viene influenzata dal tester di tensione impulsiva.
I fronti di salita ripidi rappresentano sovratensioni causate da fulmini che attraversano i sistemi di trasmissione. Le pendenze moderate sono trasferimenti di sovratensioni di commutazione tra l'energizzazione di banchi di condensatori, i trasferimenti di carico delle sottostazioni o le richiusure di linea. La replica delle caratteristiche della forma d'onda nella realtà viene utilizzata per garantire la riproducibilità degli eventi elettrici nel generatore di sovratensioni.

Ruolo dei circuiti di scarica controllata

La sezione di un sistema a impulsi che rilascia è estremamente ingegnerizzata, poiché l'energia deve essere fornita regolarmente e senza distorsioni. Il generatore di sovratensione fa sì che la carica di accumulo venga emessa da resistori in serie, calibrati e dotati di elementi di modellazione per garantire l'integrità della forma d'onda. Piccole variazioni di resistenza modificano i tempi di salita e le costanti di decadimento, variando il comportamento dello stress di isolamento.
I test di isolamento delle apparecchiature elettriche vengono eseguiti con una serie di impulsi anziché con un singolo impulso. L'invecchiamento si osserva quando si osserva un deterioramento negli impulsi ripetitivi. Esistono apparecchiature che possono resistere agli impulsi primari ma che in seguito sviluppano una fatica dielettrica. I modelli di resistenza alla tensione, rumore di scarica e valori di inizio di scarica parziale vengono registrati dagli ingegneri e indicano la probabilità di guasto a lungo termine.

Figura: tester di tensione impulsiva

Importanza della commutazione della polarità degli impulsi

È necessario considerare gli impulsi di polarità positiva e negativa. La maggior parte degli impulsi di polarità positiva tende a sollecitare le interfacce di isolamento sulle superfici, mentre quelli di polarità negativa concentrano il campo elettrico sulla periferia dei conduttori. L'utilizzo di moderne piattaforme a impulsi consente di commutare facilmente la polarità dell'uscita senza dover ricorrere a un nuovo cablaggio fisico, garantendo sicurezza e precisione. LISUN fornisce il miglior tester di tensione impulsiva.

Analisi della resistenza al picco nell'esposizione multilivello

Nella valutazione, gli ingegneri utilizzano incrementi graduali dell'intensità delle tensioni. Una sequenza viene normalmente avviata a livelli inferiori e procede verso l'alto. Gli incrementi di più livelli non mirano a confermare la resistenza, ma a una semplice conferma.
Alcune apparecchiature sono parzialmente scariche internamente al di sotto del punto di rottura completo. Nel caso in cui la tensione di innesco della scarica parziale sia molto inferiore ai valori di progetto, è probabile che si verifichi un affaticamento dell'isolamento sotto sforzo. L'effetto positivo dell'aumento controllato dell'impulso è che gli effetti temporanei manifestano questo fenomeno prima rispetto all'uso lento della corrente alternata.

Distinzione tra valutazione distruttiva e non distruttiva

Il test a impulsi non compromette necessariamente l'isolamento. I valori nominali rientrano in intervalli di sicurezza, mentre quelli normali, anziché causare danni apparenti, dimostrano semplicemente l'invecchiamento interno. I test non distruttivi consentono ai produttori di beni di approvare i campioni di produzione prima della spedizione.
L'obiettivo durante la valutazione distruttiva si trasforma in ricerca di innovazione nei materiali. Le informazioni sul punto di rottura aiutano gli ingegneri a confrontare le loro formulazioni o a prevedere l'invecchiamento accelerato.
Il processo di guasto controllato consente agli ingegneri di determinare la posizione dei meccanismi di guasto: scarica del bordo, perforazione del dielettrico di massa, guasto dell'isolamento da spira a spira o tracciamento della superficie lungo gli strati di contaminazione.

Supporto alla diagnostica durante l'applicazione dell'impulso

Nei sistemi moderni, contatori di trasferimento di carica, unità di monitoraggio del punto di pareggio e misurazioni tramite oscilloscopio sono integrati nel sistema. La valutazione dell'assistenza non si basa più sulla soglia di tensione. Gli ingegneri analizzano la distorsione temporanea delle forme d'onda, i residui delle forme d'onda, il pattern di oscillazione e il tempo di guasto.
Grazie agli isolamenti avanzati, si verifica una scarica parziale interna in pochi microsecondi prima del guasto completo. Un rilevamento tempestivo in questo momento fornisce informazioni prospettiche. Un generatore di sovratensione ad alta frequenza ha il potenziale di rivelare l'accuratezza della scarica ripetuta, consentendo quindi la classificazione dei difetti.

Effetti del controllo ambientale integrato

Una valutazione approfondita dell'isolamento tiene conto dell'effetto della temperatura e dell'umidità. Gli isolanti polimerici, se sottoposti ad alte temperature, presentano una rigidità dielettrica inferiore. Nei sistemi a base di olio, la variazione dell'umidità disciolta, dipendente dalla tensione, è drastica a causa della variazione della velocità di propagazione della degradazione dovuta all'acqua.
Quando il tester di tensione a impulsi viene utilizzato insieme a camere di condizionamento ambientale o cicli di disidratazione dell'olio, lo stress operativo viene simulato meglio. Quando gli ingegneri sottopongono un motore a test di carico con impulsi a temperature degli avvolgimenti più elevate, il risultato è equivalente a un servizio a carico continuo.

Applicazione nelle principali categorie di isolamento

Gli avvolgimenti del trasformatore devono essere esaminati mediante prova a impulsi per garantire la presenza di uno strato isolante tra le spire di rame e la struttura del nucleo. Analogamente, ripetute scariche di energia devono essere assorbite dagli scaricatori di sovratensione, senza interferire con la spaziatura dell'isolamento. La resistenza dielettrica nei contatti dell'interruttore sotto vuoto deve essere giustificata all'energia impulsiva.
La valutazione delle sovratensioni nelle grandi macchine rotanti viene effettuata fase per fase. Il ritardo di propagazione espone le tolleranze di fabbricazione (che includono asimmetria), soffusione delle bobine o mancanza di compressione dell'isolamento nelle cave.

Interpretazione avanzata della risposta alle sovratensioni

L'isolamento reagisce a un impulso che dimostra la sua integrità sia meccanica che chimica. Un isolamento sano arresta immediatamente la propagazione dell'effetto corona, ma un isolamento invecchiato rilascia impulsi corona ripetuti e successivamente si guasta.
Gli esperti valutano:
• Distorsione del fronte d'onda
• Cadute improvvise dell'ampiezza del passo
• Variazione pendenza-salita
• Decadimento dell'anello post-scarica
L'attenzione è ancora rivolta alla manutenzione predittiva e non alla manutenzione di emergenza. Quando si evidenziano i primi segni di decadimento dielettrico, l'apparecchiatura viene sottoposta a manutenzione o viene nuovamente resinata, oppure i componenti interni vengono trattati sotto vuoto.

Garanzia di qualità della produzione

Il generatore di sovratensione è integrato nei sistemi di controllo della qualità di fine linea negli impianti di produzione. I produttori eseguono test di resistenza agli impulsi a livelli ridotti anziché eseguirli casualmente su un campione di unità da sottoporre a test distruttivi. Questo garantisce l'uniformità dei componenti.
Con l'aumentare della quantità prodotta, i dati di riferimento delle forme d'onda vengono memorizzati dagli ingegneri. In futuro, quando si verificano guasti sul campo, le tracce storiche consentono di stabilire le priorità, ovvero se i problemi di isolamento sono iniziati in fase di progettazione o sul campo.

Integrazione con i framework di conformità alla sicurezza

La capacità di tenuta all'impulso delle apparecchiature è classificata come obbligatoria secondo le normative di sicurezza elettrica. Il test produce automaticamente una serie di report nei laboratori di certificazione. Tali report vengono poi allegati alle apparecchiature esportate. Molti mercati globali richiedono la certificazione prima dell'installazione nei sistemi a livello di rete.
Grazie al rispetto di questi standard di conformità, è garantito che questi prodotti trovino posto nei settori industriali in cui le sollecitazioni impulsive sono inevitabili.

Conclusione

Controllata tester di tensione impulsiva è ancora uno dei dispositivi più utili per garantire l'affidabilità dell'isolamento delle apparecchiature elettriche. Gli ingegneri estraggono informazioni utili sull'affidabilità modellando le condizioni reali della sovratensione, modellando accuratamente la forma d'onda, la commutazione di polarità, l'installazione ripetitiva nei tempi previsti e il rilevamento di un guasto controllato. Un generatore di sovratensione avanzato, abbinato al supporto della diagnostica ausiliaria e al controllo dell'influenza ambientale, garantisce una forma predittiva di superamento anziché una risoluzione dei problemi reattiva. Ciò garantisce il funzionamento affidabile di trasformatori, quadri elettrici, macchine rotanti, scaricatori e sistemi di cavi per l'intero ciclo di vita, evitando guasti disastrosi e riducendo al minimo i tempi di fermo e i costi di manutenzione.