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Giornata di Studio dedicata agli isolatori passanti: progettazione, costruzione, utilizzo, manutenzione e diagnostica.
Il prossimo 12 marzo, a Milano, presso la sede del CNR, si terrà la Giornata di Studio“Gli isolatori passanti nei trasformatori di potenza: progettazione, costruzione, utilizzo, manutenzione e diagnostica”, promossa dai CT 10 (Fluidi isolanti) e SC36A (Isolatori passanti) del CEI.
Le Norme CEI EN 60137 “Isolatori passanti per tensioni alternate superiori a 1 kV” danno la seguente definizione di isolatore passante:
“Dispositivo che permette ad uno o più conduttori di attraversare una parete, quali un muro o una cassa, isolando i conduttori da quest’ultima. Gli attacchi (flangia o dispositivo di fissaggio) sulla parete fanno parte dell’isolatore passante”.
I trasformatori di grande potenza presentano la necessità di estrarre i terminali degli avvolgimenti in alta tensione all’esterno della cassa, posta al potenziale di terra, al fine di connettere i medesimi avvolgimenti alle linee della rete AAT, AT e MT.
Figura 1 – Esempio di passanti 230 kV installati su un trasformatore di potenza
Questo implica il passaggio fisico di conduttori, che presentano livelli di potenziale elevati, attraverso la cassa del trasformatore o attraverso il coperchio.
Tali conduttori si trovano nella parte interna immersi nel fluido (olio, estere, etc.) del trasformatore, mentre per quanto riguarda la parte esterna sono generalmente in un’atmosfera diversa (aria nella maggior parte dei casi) ma anche olio o altro fluido (per esempio gas SF6 in pressione).
Le strutture di collegamento che consentono di realizzare questo passaggio fisico sono note come “isolatori passanti” (o bushings) e richiedono la soluzione di diversi problemi di carattere chimico, fisico, elettrotecnico, di meccanica statica e dinamica, in funzione delle tensioni in gioco, delle correnti e delle situazioni ambientali che si possono presentare nel luogo d’installazione del trasformatore.
Nel progetto del passante devono essere correttamente valutati aspetti “propri” – ovvero legati agli stress elettrici cui il componente è sottoposto – e aspetti legati alla compatibilità riguardo l’ambiente in cui devono essere installati: quindi, per la parte all’interno della cassa, il fluido e la temperatura di esercizio; per l’esterno, l’aria, l’SF6 (collegamento con stazioni blindate) o l’olio (nel caso di collegamento con cavi ad olio fluido), come pure dell’inquinamento atmosferico e a volte la rarefazione dell’aria in quota.
Nella loro qualità di componenti, i passanti sono tenuti a rispettare requisiti d’interfaccia sia meccanici sia elettrici, e ad avere un livello di qualità superiore in modo da non ridurre l’affidabilità complessiva della macchina sulla quale sono montati.
Le soluzioni costruttive adottate sono le più disparate: in passato si usava la soluzione senza gradiente, e i passanti non erano nient’altro che un corpo cavo di porcellana attraverso cui passava il conduttore, eventualmente riempito di resina. Tale soluzione fu presto abbandonata anche perché non consentiva di superare certi livelli di tensione, a favore dei passanti a capacità graduata, nei quali il gradiente di tensione desiderata è ottenuto mediante strati alternati di conduttore e di semiconduttore incorporati nel materiale isolante (Figura 2). All’interno di questa classe esistono poi molte altre sottoclassi costruttive di passanti: carta spalmata di resina, carta impregnata d’olio (OIP), carta impregnata di resina (RIP), fibra di vetro impregnata di resina (RIF®), fibra sintetica impregnata di resina (RIS) e infine in gas.
Figura 2 – Distribuzione del campo elettrico in passanti non a gradiente (sx) e a gradiente (dx) Fonte: Power Transformers – Vol.2 – Areva
L’involucro esterno del passante è stato per molti decenni realizzato quasi esclusivamente in porcellana, un materiale che oltre ad essere un isolante quasi ideale vanta anche un’impermeabilità praticamente assoluta, impendendo i non voluti ingressi di umidità, a discapito però di notevole fragilità; per cui, in caso di scoppio del passante, i frammenti di porcellana vengono proiettati con violenza (shattering) anche a grandi distanze potendo procurare danni a cose e persone.
Soprattutto per quest’ultima ragione, i moderni passanti vengono realizzati con l’involucro esterno in materiale polimerico, usualmente silicone, che in caso di arco elettrico si lacera senza frantumarsi e quindi senza shattering.
Ovviamente il massimo punto di criticità durante la fabbricazione è la presenza non voluta di bolle d’aria specialmente tra gli strati di carta, con conseguente innesco di scariche parziali che possono erodere i materiali e accorciare la vita del passante evolvendo nei casi più gravi in scariche elettriche. E, come si evince dalla Figura 3, tale fenomeno è molto più critico nei passanti a isolamento solido.
Figura 3 – Invecchiamento dei passanti in funzione del tipo di isolamento
All’atto del processo fabbricativo i passanti devono superare svariati test tra i quali vanno ricordati quelli della misura delle scariche parziali, della capacità e del tan delta.
Gli stessi test elettrici sono poi usualmente ripetuti di tanto in tanto durante il servizio ordinario. A questi si aggiungono, per i soli OIP, ma che sono peraltro ancora il tipo preponderante per numero, le misure chimiche dei gas disciolti in olio (DGA) che consentono di diagnosticare con sufficiente precisone ed anticipo guasti incipienti di origine elettrica e/o termica.
Ben due norme CEI EN disciplinano tali misure. Una generalista, la CEI EN 60599 “Apparecchiature elettriche in servizio riempite d’olio – Linea guida per l’interpretazione dell’analisi dei gas liberi e disciolti in olio” con una specifica appendice per gli isolatori passanti. Ed una dedicata solo ad essi, la CEI EN 61468 “Guida per l’interpretazione delle misure dei gas disciolti in olio in isolatori passanti”.
Inoltre, all’interno della Norma CEI EN 60422 “Oli minerali isolanti in apparecchiature elettriche – Linee guida per il controllo e la manutenzione” sono riportate molte altre informazioni utili a comprendere lo stato di salute dei passanti OIP grazie a misure chimiche quali tan δ, rigidità dielettrica, acidità, particelle, etc.
Gli isolatori passanti sono per loro natura oggetti particolarmente complessi e continuamenti sottoposti a stress di varia natura, ne deriva quindi una loro intrinseca delicatezza.
La Brochure Tecnica 642 del CIGRE “Transformer Reliability Survey”, ad opera del WG A2.47, riporta che i passanti nel loro complesso (alta, media e bassa tensione) contribuiscono notevolmente alle cause di guasto dei trasformatori.
Figura 4 – Localizzazione dei guasti (Fonte Cigre TB642) nei trasformatori di potenza superiore ai 100 MVA.
È fra l’altro sorprendente notare come il tasso di guasto sia aumentato, anche se non di molto, in epoche più recenti passando dal 16 al 18%.
È infine un dovere storico e un vanto ricordare come l’Italia sia stata pioniere sin dai primi anni ’60 nell’uso del dodecil-benzene (DDB) quale fluido di riempimento dei passanti (OIP), a partire da simili esperienze condotte sui cavi a olio fluido da parte dell’ing. L. Emanueli della Pirelli.
Il DDB è stato impiegato con enorme successo in cavi e passanti per merito delle seguenti qualità:
eccellenti proprietà dielettriche, quale ad esempio l’elevata permettività;
assorbimento dei gas formati dal campo elettrico;
bassissima viscosità che semplifica e migliora il processo di impregnazione;
buon punto di infiammabilità e di fuoco che riduce i rischi d’incendio;
basso punto di congelamento che ne consente l’uso anche con climi estremamente rigidi senza che gelifichi;
