Cause di scarica parziale nei quadri di alta tensione

La scarica parziale è uno dei più importanti segnali di allarme precoce del deterioramento dell'isolamento nei quadri ad alta tensione. Anche se una scarica parziale non collega completamente l'isolamento tra i conduttori, un'attività di scarica ripetuta può danneggiare gradualmente il sistema di isolamento e aumentare il rischio di guasto dell'isolamento, scariche elettriche e arresto imprevisto delle apparecchiature.

Comprendere le cause delle scariche parziali aiuta gli ingegneri elettrici a identificare i difetti in una fase iniziale e a migliorare l'affidabilità dei quadri per tutta la loro vita utile.

Cos'è lo scarico parziale?

La scarica parziale è una scarica elettrica localizzata che si verifica solo in una parte di un sistema di isolamento. Può svilupparsi all'interno di un vuoto pieno di gas, lungo una superficie isolante, attorno a un bordo affilato del conduttore o vicino a un difetto in un dielettrico solido o composito.

Il fenomeno è solitamente associato ad una concentrazione locale di stress elettrico. Quando il campo elettrico locale supera la resistenza di un'area debole, avviene una breve scarica. La scarica può essere breve e piccola, ma un'attività ripetuta può indebolire progressivamente l'isolamento circostante.

La norma IEC 60270 definisce metodi basati sulla carica per misurare le scariche parziali in apparecchi, componenti e sistemi elettrici testati con tensione CA o CC. Lo standard riguarda anche i circuiti di misurazione, la calibrazione, la misurazione digitale e la separazione dei segnali di scarica parziale dalle interferenze esterne.CEI 60270:2025

Come le scariche parziali danneggiano l'isolamento

1. Danni chimici causati da particelle cariche

Durante una scarica parziale, gli elettroni e gli ioni si muovono attraverso la regione debole dell'isolante. Queste particelle cariche ad alta energia entrano in collisione con le molecole isolanti e possono rompere i legami chimici.

Il bombardamento ripetuto può causare:

1、Decomposizione delle catene polimeriche

2、Erosione superficiale

3、Formazione di percorsi carbonizzati conduttivi

4、Degradazione chimica della resina epossidica e di altri materiali isolanti

5、Una riduzione graduale della rigidità dielettrica

Nell'isolamento solido, questo processo può allargare una cavità interna o creare un canale alberato. Una volta che il difetto diventa sufficientemente grande, l'isolamento potrebbe non sopportare più la normale tensione operativa o una sovratensione temporanea.

2. Danno termico e ossidativo

Lo scarico parziale produce anche calore localizzato. Sebbene l'energia media di una singola scarica possa essere bassa, impulsi ripetuti concentrati nella stessa area possono aumentare la temperatura dell'isolamento circostante.

Lo stress termico risultante può portare a:

1、Surriscaldamento locale

2、Cracking ossidativo

3、Fusione o carbonizzazione di materiali polimerici

4、Perdita di resistenza meccanica

5、Espansione di crepe e vuoti interni

Il danno termico e il danno chimico spesso si rafforzano a vicenda. Quando la superficie isolante diventa più ruvida o più conduttiva, il campo elettrico locale diventa meno uniforme, il che può accelerare un'ulteriore attività di scarica.

Quadri ad alta tensione e relativo sistema di isolamento

Il quadro ad alta tensione è un assieme complesso che combina conduttori, dispositivi di commutazione, sbarre collettrici, componenti di isolamento, involucri di messa a terra e sistemi di controllo.

A seconda del design, i materiali tipici possono includere:

1, resina epossidica

2、Silicone o altri materiali plastici tecnici

3、Aria o gas isolante

4、Esafluoruro di zolfo nelle apparecchiature applicabili isolate con gas

5、Isolamento ceramico o composito

6、Rame, alluminio e altri materiali conduttivi

La combinazione di diversi materiali e geometrie crea molteplici punti in cui possono verificarsi scariche parziali. La qualità della produzione, la precisione dell'assemblaggio, la tensione operativa, la temperatura, l'umidità, la contaminazione e l'invecchiamento dell'isolamento possono influenzare il comportamento del PD.

Per le applicazioni nei quadri, i requisiti rilevanti dipendono dal design dell'apparecchiatura e dalla classe di tensione. La serie IEC 62271 copre le apparecchiature di manovra e controllo ad alta tensione, comprese le apparecchiature che utilizzano isolamento solido e gas isolanti.Serie IEC 62271

Principali cause di scariche parziali nei quadri di alta tensione

1. Difetti nel processo di produzione degli isolanti

I difetti di fabbricazione sono tra le fonti più comuni di scariche parziali nei quadri con isolamento solido.

Vuoti interni e bolle d'aria

Durante la fusione, lo stampaggio o l'incapsulamento della resina epossidica, possono rimanere bolle d'aria all'interno dell'isolamento. Questi vuoti hanno una rigidità dielettrica inferiore rispetto all'isolamento solido circostante.

Quando viene applicata la tensione, il campo elettrico all'interno del vuoto diventa superiore al campo medio del materiale solido. Ciò è legato alla differenza tra la costante dielettrica del gas all'interno del vuoto e quella dell'isolante circostante.

Di conseguenza, il gas nella cavità potrebbe rompersi prima dell'isolamento principale. Ogni scarica può allargare il vuoto, danneggiarne la superficie e infine ridurre la resistenza complessiva dell'isolamento.

Particelle estranee e contaminazione dei materiali

Particelle metalliche, polvere, umidità e altre impurità introdotte durante la produzione possono creare punti deboli locali. La contaminazione conduttiva può distorcere il campo elettrico o formare un percorso di scarica tra diverse regioni dell'isolamento.

Le cause tipiche includono:

1、Condizioni di lancio scarsamente controllate

2、Pulizia inadeguata prima del montaggio

3、Conservazione non corretta dei componenti isolanti

4、Indurimento insufficiente della resina epossidica

5、Contaminazione durante il trasporto o l'installazione

Un singolo difetto interno potrebbe non causare un guasto immediato, ma può diventare più attivo man mano che l'apparecchiatura invecchia o funziona in condizioni di maggiore stress elettrico.

2. Distribuzione non uniforme del campo elettrico

Un campo elettrico uniforme è essenziale per prestazioni di isolamento affidabili. Qualsiasi punta acuminata, superficie irregolare o oggetto conduttivo fluttuante può aumentare il campo elettrico locale e avviare una scarica parziale.

Sbavature e spigoli vivi sui conduttori

Bavature delle sbarre collettrici, spigoli vivi, bordi dei conduttori non finiti ed elettrodi di forma inadeguata possono produrre una forte concentrazione di campo elettrico.

Questo effetto è particolarmente significativo intorno a:

1、Giunti per sbarre collettrici

2、Terminali dei cavi

3、Spostamento dei contatti

4、Connessioni bullonate

5、Componenti di schermatura

6, inserti conduttivi all'interno dell'isolamento stampato

Anche quando la tensione operativa media rientra nei valori nominali dell'apparecchiatura, il campo locale vicino a un bordo tagliente potrebbe superare il livello di inizio scarica.

Particelle metalliche sciolte o galleggianti

Le particelle metalliche all'interno dell'involucro del quadro possono caricarsi elettricamente o muoversi sotto l'influenza del campo elettrico. La loro posizione e potenziale possono cambiare durante il funzionamento, creando condizioni di campo instabili.

Tali particelle possono causare:

1、Miglioramento del campo locale

2、Scarico superficiale

3、Impulsi di scarica intermittenti

4、Tracciamento dell'isolamento nelle vicinanze

5、Modelli PD instabili

Questo è uno dei motivi per cui la pulizia e le rigorose procedure di assemblaggio sono importanti durante la produzione e la manutenzione dei quadri.

Superfici isolanti contaminate o ruvide

Polvere, umidità, olio e altri contaminanti possono ridurre la distanza di dispersione effettiva su una superficie isolante. Una superficie ruvida o danneggiata crea anche piccole concentrazioni di campo dove può iniziare la scarica superficiale.

La contaminazione superficiale è particolarmente importante nelle apparecchiature esposte a:

1、Alta umidità

2、Polvere conduttiva

3、Spruzzo salino

4、Inquinamento industriale

5、Condensa

6、Scarsa ventilazione

La sola pulizia potrebbe non risolvere in modo permanente il problema se la superficie isolante ha già sviluppato tracce, crepe o erosione.

Difetti nell'involucro messo a terra

L'involucro metallico normalmente fornisce schermatura e un potenziale di riferimento controllato. Tuttavia, saldature grossolane, pori, inclusioni di scorie e altri difetti di fabbricazione possono creare condizioni di campo elettrico irregolari vicino all'involucro messo a terra.

Questi difetti possono interagire con l'isolamento o le parti conduttrici vicine e aumentare il rischio di scariche. La qualità della saldatura, la geometria dell'involucro, la continuità della messa a terra e gli spazi interni dovrebbero pertanto essere controllati durante la produzione e l'ispezione.

3. Mezzi dielettrici non uniformi

I moderni quadri utilizzano spesso sistemi di isolamento compositi in cui diversi materiali lavorano insieme. Ad esempio, la resina epossidica può essere combinata con tecnopolimeri, gas isolante, inserti conduttivi e traferri.

Ogni materiale ha proprietà elettriche e termiche diverse. Se le interfacce sono progettate o realizzate in modo inadeguato, il campo dielettrico potrebbe non essere distribuito uniformemente.

I potenziali problemi includono:

1、Scarso legame tra diversi materiali isolanti

2、Costanti dielettriche irregolari

3、Lacune nelle interfacce dei materiali

4、Delaminazione interna

5、Umidità intrappolata tra gli strati

6、Vui attorno ai conduttori incorporati

Bolle interne e impurità possono aumentare ulteriormente la non uniformità del mezzo dielettrico. Sotto la tensione operativa, queste regioni potrebbero subire uno stress elettrico maggiore rispetto all'isolamento circostante e diventare il punto di partenza di scariche parziali.

Altri fattori che influenzano la scarica parziale

Lo scarico parziale non è causato solo da difetti di fabbricazione. Diverse condizioni operative e ambientali possono aumentare l’attività di scarico.

Tensione operativa

All’aumentare della tensione applicata, aumenta anche il campo elettrico nelle regioni deboli. Un difetto che rimane inattivo a tensione normale può produrre una scarica misurabile durante un evento di sovratensione, un test di resistenza o un aumento temporaneo della tensione del sistema.

Temperatura

La temperatura influisce sulle proprietà di isolamento, sulla pressione del gas, sull'espansione del materiale e sulle condizioni delle interfacce. L'espansione termica può allargare gli spazi esistenti o sottoporre a ulteriore stress i componenti isolanti incollati.

Umidità e Condensa

L'umidità può ridurre la resistenza dell'isolamento superficiale e favorire lo scarico superficiale. La condensa è particolarmente pericolosa quando l'aria calda e umida entra in uno scomparto più freddo del quadro.

Invecchiamento dell'isolamento

Lo stress elettrico, termico e meccanico a lungo termine può causare l’invecchiamento dell’isolamento. L'invecchiamento può produrre crepe, scolorimento, erosione, delaminazione e maggiore assorbimento di umidità, tutti fattori che possono rendere più probabile la scarica parziale.

Sollecitazioni meccaniche e vibrazioni

Collegamenti allentati, vibrazioni e ripetute dilatazioni termiche possono creare piccoli spazi tra i componenti isolanti. Questi spazi possono diventare punti di scarica, soprattutto vicino a sbarre collettrici, terminazioni di cavi e conduttori incorporati.

Rilevamento di scariche parziali nei quadri

Il test PD viene utilizzato per identificare l'attività di scarica prima che si trasformi in un grave guasto dell'isolamento. A seconda dell'attrezzatura e dell'obiettivo del test, gli ingegneri possono valutare la carica apparente, l'entità della scarica, i modelli risolti in fase, la ripetizione degli impulsi e i cambiamenti nel tempo.

Un test affidabile dovrebbe includere:

1、Uno strumento di misura e disposizione del sensore adeguati

2、Calibrazione corretta del sistema di misurazione

3, controllo efficace delle interferenze esterne

4、Messa a terra e schermatura corrette

5, tensione di prova stabile e condizioni ambientali

6、Confronto con limiti tecnici e record di test precedenti

Weshine Electric è un produttore professionale dedicato alla ricerca, allo sviluppo e alla produzione di apparecchiature di misura e test ad alta tensione. Dotata di officine di produzione standardizzate e laboratori di calibrazione indipendenti, la fabbrica segue rigorosamente gli standard IEC e i sistemi di gestione della qualità ISO per garantire che ogni strumento offra prestazioni di test stabili, ripetibili e resistenti alle interferenze per le applicazioni del settore energetico globale.

Il tester digitale per scariche parziali GDJF-2007 è sviluppato in modo indipendente e calibrato in fabbrica da Weshine Electric. Può essere utilizzato per la misurazione e l'analisi digitale delle scariche parziali in apparecchiature ad alta tensione.  Nelle applicazioni pratiche, lo strumento può supportare la valutazione dell'entità della PD, dei modelli di scarica e delle condizioni di isolamento. L'esatta configurazione del test e i criteri di accettazione dovrebbero essere selezionati in base al progetto del quadro, agli standard applicabili e alla documentazione tecnica del produttore.

Domande frequenti

Qual è la causa più comune di scariche parziali nei quadri?

Le cause più comuni includono vuoti interni, bolle d'aria, impurità, bordi taglienti del conduttore, contaminazione superficiale, interfacce di isolamento inadeguato e distribuzione irregolare del campo elettrico.

È possibile vedere direttamente le scariche parziali?

Di solito, la scarica parziale non è visibile durante il normale funzionamento. Viene comunemente rilevato tramite metodi di misurazione elettrici, ultrasonici o altri specializzati.

La scarica parziale comporta sempre un guasto immediato dell'apparecchiatura?

No. La dimissione parziale può svilupparsi gradualmente. Tuttavia, un'attività PD persistente o crescente indica un deterioramento dell'isolamento e richiede una valutazione professionale.

In che modo i bordi affilati delle sbarre provocano scariche parziali?

Gli spigoli vivi concentrano il campo elettrico. Il campo locale può diventare molto più intenso del campo medio, consentendo alla scarica di iniziare vicino al bordo.

Come si possono ridurre le scariche parziali nei quadri?

Le misure efficaci includono il miglioramento della produzione dell'isolamento, la rimozione delle sbavature, il controllo della pulizia, la prevenzione dell'umidità, l'ottimizzazione della classificazione del campo elettrico, il miglioramento della messa a terra dell'involucro e l'esecuzione di test PD regolari.

Conclusione

La scarica parziale nei quadri ad alta tensione è solitamente il risultato di una combinazione di difetti di isolamento, concentrazione del campo elettrico, materiali dielettrici non uniformi, condizioni ambientali e invecchiamento a lungo termine.

Vuoti interni, impurità, bordi taglienti delle sbarre collettrici, particelle metalliche fluttuanti, superfici contaminate e interfacce con isolamento inadeguato possono tutti creare stress elettrico locale. Una volta iniziata la scarica, l’erosione chimica e il danno termico possono gradualmente indebolire l’isolamento.

Test regolari delle scariche parziali forniscono informazioni preziose sulle condizioni dell'isolamento e aiutano i team di manutenzione a identificare i problemi in via di sviluppo prima che si verifichi un guasto grave. Per una diagnosi accurata, i test devono essere eseguiti da professionisti qualificati utilizzando apparecchiature e procedure adeguatamente calibrate conformi agli standard applicabili.

Supportata da ricerca e sviluppo interna, produzione in fabbrica standardizzata e rigorosa calibrazione della qualità, Weshine Electric continua a fornire strumenti di test ad alta tensione affidabili e soluzioni tecniche professionali per la manutenzione delle sottostazioni, l'ispezione della rete elettrica e la diagnosi dei sistemi di alimentazione industriale in tutto il mondo. Non esitate a contattare il nostro team per schede tecniche, soluzioni di test personalizzate e supporto all'ingrosso in fabbrica.