Materiali isolanti

Materiali isolanti
I materiali isolanti o dielettrici, hanno la funzione di separare parti a potenziale diverso e di
obbligare la corrente a seguire determinati percorsi.
Si definisce dielettrico un materiale isolante elettrico perfetto (idealmente) o debolmente conduttore
(dielettrico con perdite) con resistività superiore a 109 - 1010 Ωm.
L corrente
La
t I che
h attraversa
tt
un dielettrico
di l tt i reale,
l non è in
i quadratura
d t
con la
l tensione
t
i
V ma forma
V,
f
un
angolo minore di π/2, tanto più piccolo quanto maggiori sono le perdite, di cui si tiene conto con
una resistenza R.
_
_
_
_
I = Ic + IG = (jωC + 1/R) V
R
Le perdite negli isolanti risultano trascurabili rispetto alle perdite globali di una macchina elettrica.
Materiali isolanti
Scarica in un materiale isolante
Aumentando progressivamente il valore della tensione V e del
campo elettrico E si ha un aumento della corrente. Superato un
valore di soglia (Vs, Es) si produce però una scarica disruptiva cioè
un improvvisa trasformazione del materiale isolante in conduttore.
Per un dielettrico di spessore "d" in condizioni di campo uniforme
si ha alla scarica:
ES = VS/d
Es è detto rigidità dielettrica. La tensione di scarica, a parità di distanza elettrodica, diminuisce
tanto p
più quanto
q
più
p aumenta la disuniformità del campo
p elettrico.
parziali,, che interessano cioè solo una
Possono verificarsi scariche p
parte dello spessore dell’isolamento e che non provocano
necessariamente scarica totale, pur danneggiando in generale
l isolamento.
l’isolamento.
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Invecchiamento degli isolanti
L’invecchiamento di un materiale è il peggioramento irreversibile di una o più proprietà del
materiale stesso causata da una o più sollecitazioni esterne,
In tensione alternata è possibile che dopo alcune migliaia di ore di lavoro si verifichi la perforazione
dell’isolamento in corrispondenza di valori di tensione molto inferiori al valore che causa la scarica
istantanea.
Vita degli isolanti
La vita è il periodo di tempo atteso prima che la proprietà di un materiale o di un apparato,
sottoposto a determinate sollecitazioni, raggiunga un valore minimo prefissato. La vita dipende dal
ti
tipo
di sollecitazioni
ll it i i applicate
li t e dal
d l loro
l
valore.
l
Sollecitazioni sugli isolanti:
• termiche
• dielettriche
• meccaniche
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Classi di temperatura
I materiali isolanti vengono raggruppati secondo varie classi di temperatura. L’appartenenza del
materiale ad una data classe determina la temperatura di servizio del sistema di isolamento.
CLASSE TERMICA TEMPERATURA °C
MATERIALE DI RIFERIMENTO
Y
90
Carta, cartone, seta,fibre poliammidiche.
A
105
Acetato di cellulosa, carta impregnata con olio
minerale.
E
120
Resine
R
i poliestere,
li t
smalti
lti poliuretanici
li
t i i ed
d
epossidici.
B
130
Isolamenti micati con impregnante asfaltino.
F
155
Isolamenti micati con impregnante
termoindurente.
H
180
Isolamenti siliconici.
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Dall’equazione di vita dei materiali isolanti si ricavano le rette di vita, che riportano la durata della
vita utile degli isolanti in funzione della temperatura.
La scala dei tempi è logaritmica,
logaritmica e il valore di 105 rappresenta,
rappresenta ad esempio
esempio, la durata di 34 anni
anni.
Basandosi su queste curve si fa in modo che la vita media probabile di una macchina sia di circa 30
anni.
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Effetti delle scariche par
parziali
iali sull’invecchiamento
s ll’in ecchiamento
In presenza di inclusioni gassose
nell’isolamento possono verificarsi scariche parziali, che
interessano cioè solo una parte dello spessore dell
dell’isolamento
isolamento e che non provocano scarica totale,
ma producono invecchiamento (erosione) del materiale isolante.
In corrente alternata il numero delle scariche parziali nell’unità di tempo e quindi l’entità del danno
prodotto, dipende dalla frequenza di alimentazione.
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Prove d’invecchiamento accelerato
Per simulare in modo accelerato l’invecchiamento
l invecchiamento e quindi per stimare la vita di un isolante si utilizza il
principio delle sollecitazioni equivalenti, sfruttando il modello d’invecchiamento.
Aumentando la tensione applicata si possono ottenere in tempi ridotti sollecitazioni equivalenti a quelle
generate da tensioni inferiori per tempi molto più lunghi.
Una tecnica analoga può essere adottata anche per gli stress termici
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Prove d’isolamento
Scopo delle prove d’isolamento sulle macchine elettriche è quello di verificare mediante prove di
breve durata se la macchina è in grado di sostenere le sollecitazioni elettriche cui sarà sottoposta
durante il funzionamento.
Sollecitazioni elettriche durante il servizio:
• a tensione e frequenza nominali.
nominali
• a frequenza superiore alla nominale.
• sovratensioni impulsive dovute a manovre di apertura e chiusura di interruttori (2÷4 volte la
t
tensione
i
nominale
i l con tempi
t
i di salita
lit di centinaia
ti i di μs e tempi
t
i all’emivalore
ll’ i l
di migliaia
i li i di μs).
)
• sovratensioni di origine atmosferica (3÷5 volte la tensione nominale con tempi di salita di
qualche μs e tempi all’emivalore di decine di μs).
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Prova all’impulso
p
Consiste nel simulare una fulminazione atmosferica per tre volte di seguito con un gradino di
tensione, che si ottiene con la carica e scarica di un condensatore.
Forma d’onda della sollecitazione impulsiva (Vmax corrisponde a 4 Vn).
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Isolamento dei lamierini ferromagnetici
Coefficiente di stipamento kST =
Sezione netta del nucleo (ferro)
Sezione lorda del nucleo (ferro + isolante)
Materiale
kST
Utilizzo
Carta
.85÷.9
Macchine rotanti
Vernici
T
Trattamenti
i chimici
hi i i (fosfatazione)
(f f
i
)
.88÷.93 Macchine rotanti e trasformatori
.9÷.96
9 96
trasformatori
f
i