I materiali isolanti a base di polimeri sono un elemento cardine di moderni sistemi elettrici ad alta tensione, pregiati per la loro elevata resistenza dielettrica, basso peso e flessibilità progettuale. Dai cavi di alimentazione alle boccole interruttori e trasformatori, questi polimeri, inclusi i polietilene reticolato (XLPE), la gomma etilene propilene (EPR), e la gomma siliconica, consentono di trasmettere efficacemente e distribuzione eccezionale.

Tipi comuni di guasti in isolamento polimerico

I guasti nell'isolamento dei polimeri raramente derivano da una sola causa; tipicamente derivano da una combinazione di stress elettrico, termico, meccanico e ambientale che agiscono nel tempo.

Ripartizione elettrica

La rottura elettrica avviene quando il polimero non può più resistere al campo elettrico applicato, portando ad una perdita improvvisa di proprietà isolanti. Questo può manifestarsi come un circuito corto diretto, un flashover attraverso la superficie, o l'arco interno. In molti dielettrici polimerici, il processo di rottura è stato preceduto da partial scarico (PD) attività – scarichi elettrici localizzati che non pontino immediatamente le tracce electrodes

Degradazione ambientale

L'esposizione a lungo termine all'ambiente naturale è una causa principale di insufficienza di isolamento dei polimeri. Radiazione UV] da parte della luce solare inizia la fotodegradazione in molti polimeri, rompendo i legami molecolari e causando la scissione della catena o il collegamento incrociato delle superfici. Questo porta alla crepatura superficiale, alla perdita di elasticità e alla ridotta resistenza dielettrica.

Danni meccanici

Gli impatti fisici, le tensioni di flessione durante l'installazione, le vibrazioni e l'espansione termica possono tutti introdurre danni meccanici nell'isolamento dei polimeri. Cracks] e tears agiscono come siti di interruzione per l'albero elettrico e la scarica parziale.

Attacco chimico

I polimeri sono suscettibili di degradazione chimica quando sono esposti a sostanze reattive. Nelle sottostazioni e negli ambienti industriali, l'isolamento può entrare in contatto con oli trasformatori, solventi detergenti, oli o inquinanti atmosferici come composti solforosi e sali. L'attacco chimico] può causare gonfiore, plastificazione o embripropiamento, portando a una minore resistenza meccanica e

Monitoraggio delle superfici e Erosione

Il tracciamento delle superfici è una forma specifica di degrado che si verifica lungo la superficie degli isolatori polimerici, in particolare in condizioni di bagnato o contaminato. Quando uno strato conduttivo (ad esempio, da sale, polvere o inquinamento industriale) si forma sulla superficie dell'isolatore, le correnti di fuga si corrono e causano il riscaldamento localizzato. Questo calore può asciugare la superficie, creando bande asciutte che hanno un alto stress del campo elettrico.

Fattori che influenzano il fallimento dell'isolamento

La probabilità e il tasso di fallimento dipendono da diversi fattori intercorrenti che comprendono la qualità dei materiali, le condizioni operative, l'esposizione ambientale e le pratiche di installazione.

Qualità dei materiali e difetti di fabbricazione

Le caratteristiche di isolamento [FLT: 1] come i residui catalizzanti, l'umidità o le particelle straniere possono agire come punti deboli che nucleano gli alberi elettrici o accelerano l'invecchiamento.

Condizioni operative: Tensione e Stresse termiche

I sistemi di espansione ad alta tensione sono soggetti a continue sollecitazioni elettriche e a sovratensioni transitorie occasionali da operazioni di fulmine o di commutazione. Le sovratensioni transitorie possono superare la capacità di resistenza dell'isolamento, causando difetti termici di rottura o di accelerazione inietti che si propagano sotto il normale funzionamento.

Esposizione ambientale

In regioni costiere, la nebbia di sale[[FLT: 1]] deposita strati conduttivi sulle superfici isolanti, promuovendo la corrente di fuga e il monitoraggio.

Pratiche di installazione

La manipolazione dell'improper, come il trascinamento dei cavi su superfici ruvide, la piegatura oltre il raggio minimo, o l'applicazione di forze di estrazione eccessive, può creare micro-danni che vanno non rilevati fino a quando non si verificano anni più tardi.

Tecniche di analisi del guasto

Quando si verifica un guasto dell'isolamento dei polimeri, è necessario un'indagine sistematica per determinare le cause delle radici e prevenire la ricorrenza.

Esame visivo e ottico

Un'attenta ispezione ] ] fornisce i primi indizi. Vengono documentati crani, segni di ustione, percorsi di tracciamento, scolorimento o segni di residui di umidità.

Test di prova elettrica

I test elettrici standard includono misurazione della resistenza dielettrica] (ad esempio, per ASTM D149) e resistenza all'isolamento utilizzando un megohmmetro. Misurazione dello scarico parziale per IEC 60270 è una tecnica sensibile che può localizzare i difetti interni

Analisi microscopica

La microscopia elettronica di scansione (SEM) con spettroscopia a raggi X (EDS) dispersa energeticamente viene utilizzata per esaminare le superfici di frattura, i canali di alberi e la contaminazione ad alto ingrandimento. SEM‐EDS identifica la composizione elementare delle particelle estere, ad esempio, le inclusioni metalliche delle tecniche di produzione o di deposito del sale.

Analisi termica

]L'analisi differenziale della calorimetria della scansione (DSC) misura i cambiamenti nella temperatura di fusione, nella cristallinità e nella temperatura di transizione del vetro, che si spostano a seguito di un attacco chimico o di invecchiamento L'analisi termogravimetrica (TGA) determina la presenza di decomposizione e di peso

Analisi spettroscopica e chimica

La spettroscopia a infrarossi a quattro trasformato (FTIR) è ampiamente utilizzata per identificare i cambiamenti chimici nel polimero—ossidazione, idrolisi e perdita di stabilizzanti. Ad esempio, la formazione di picchi di carbonile (circa 1715 cm−1) indica l'ossidazione.

Esempio di caso: Insufficienza di tracciamento in un 22 kV in Silicone Gomma Bushing

In un caso di guasto, una boccola in gomma siliconica in una sottostazione costiera ha sperimentato il flashover dopo cinque anni di servizio. L'ispezione visiva ha rivelato un continuo monitoraggio carbonizzato lungo la superficie dell'alloggiamento. SEM-EDS ha identificato il sodio e il cloro sul percorso di tracciamento, confermando la contaminazione del sale.

Strategie per migliorare la durata dell'isolamento dei polimeri

I progressi nella scienza dei materiali, nella progettazione e nelle pratiche di manutenzione offrono numerose vie per prolungare la vita dell'isolamento dei polimeri nei sistemi ad alta tensione.

Selezione e modifica dei materiali avanzati

La gomma siliconica[FLT: 1] mostra una maggiore resistenza all'idrofobicità e al monitoraggio, rendendolo ideale per gli isolatori esterni in ambienti a triplacompilazione XLPE] è un materiale di isolamento del cavo con elevata resistenza dielettrica e resistenza termica.

Rivestimenti protettivi e trattamenti superficiali

Applicare i rivestimenti in silicone per la fabbricazione della camera (RTV)[ sugli isolatori in ceramica o polimeri esistenti ripristina l'idrofisica e fornisce uno strato protettivo contro gli UV e l'inquinamento. Le formulazioni di polimeri stabilizzanti per la luce amine (HALS) o per il nero di carbonio

Miglioramenti di progettazione: Geometria e controllo di stress

L'ottimizzazione della geometria del prodotto (alternando grandi e piccoli capannoni) aiuta a rompere i percorsi dell'acqua e aumenta la distanza di strisciamento. L'isolamento radiato i progetti in cavi e boccole incorporano strati con diverse autorizzazioni per attenuare il campo elettrico.

Installazione e garanzia di qualità

In base alle linee guida del produttore è fondamentale, che includono gli strumenti di installazione ] (ad esempio, tiranti calibrati, scarpe pieganti) e la pulizia delle superfici di isolamento.

Regolare monitoraggio della manutenzione e delle condizioni

I controlli visivi reali] sono accoppiati con la termografia infrarossa può identificare i punti caldi causati da perdite di corrente o da contatti poveri

Conclusioni

L'isolamento basato su polimeri continuerà a dominare applicazioni ad alta tensione grazie alle sue eccellenti proprietà elettriche e meccaniche. Tuttavia, l'affidabilità a lungo termine richiede una comprensione approfondita dei meccanismi di guasto: guasto elettrico, degradazione ambientale, danni meccanici, attacchi chimici e monitoraggio superficiale, e i fattori che li guidano.

Per ulteriori informazioni sugli standard e sulle best practice, fare riferimento a IEEE Xplore per i documenti peer-reviewed sull'invecchiamento dell'isolamento, NIST]] linee guida sulla durata dei polimeri, e IEC Webstore per i metodi di test internazionali EC]