"Surge Test" Prova ad Impulsi su Avvolgimenti
Introdotta negli USA agli inizi degli anni ’50 come collaudo sistematico in produzione e realizzata per la prima volta in Europa dalla nostra Società nel 1958, la prova ad Impulsi di Alta Tensione, detta anche SURGE TEST, è la prova più severa, rapida e sicura per il rilievo di difetti su qualsiasi avvolgimento elettrico, non solo di quelli già presenti al momento della prova, ma anche di quelli allo stato latente che sicuramente nel tempo provocherebbero l’avaria dell’oggetto.
Infatti i difetti dell’isolante di un conduttore (incisioni, screpolature, falle, ecc.) anche se inizialmente non causano problemi, dopo un certo tempo, anche breve, di funzionamento, causa i cicli termici e le sollecitazioni meccaniche ed elettromagnetiche, possono causare cortocircuiti con conseguente bruciatura dell’avvolgimento.
Il principio di funzionamento è sostanzialmente questo: un generatore di alta tensione carica un condensatore, il quale immagazzina energia.
Il condensatore viene fatto scaricare, a frequenza di rete (50 volte al secondo), tramite un sistema SCR, sugli avvolgimenti in prova; questo provoca sollecitazioni molto severe, perché il fronte ripido dell’alta tensione, sottopone l’isolamento tra le spire a sollecitazioni molto simili a quelle che si verificano a causa di fenomeni transitori, durante il normale impiego delle macchine elettriche, dovuti a scariche atmosferiche, impulsi di manovra, disturbi provocati da particolari macchine (es. saldatrici).
La risonanza tra l’induttanza dell’avvolgimento in prova e la capacità montata nello strumento, determina una oscillazione smorzata della tensione in fase di scarica.
La frequenza di questa oscillazione sarà determinata dall’induttanza L dell’avvolgimento in prova (numero delle spire, tipo e qualità del ferro, disposizione degli avvolgimenti, tipo di collegamento tra le varie bobine), mentre lo smorzamento sarà dovuto al fattore di qualità Q dello stesso (quindi assenza di cortocircuiti, dispersioni verso massa, ecc.).
Confrontando questa curva di risposta con quella di un campione o quella immagazzinata in memoria, si possono rilevare diversità dovute a difetti anche di piccola entità, quali: cortocircuiti tra spire o tra matasse, collegamenti errati, diverso numero di spire, isolamenti difettosi, ecc.
Allo scopo di orientare l’utente di questo strumento al miglior utilizzo, diamo qui di seguito alcune informazioni sui punti importanti di questo tipo di prova, mettendo in risalto gli aspetti di maggior utilità e convenienza sulla base della nostra lunga esperienza e della collaborazione con autorevoli industrie che hanno condotto serie prove di laboratorio.
A – GENERAZIONE DELL’IMPULSO
Uno dei principali fattori di qualità della nostra strumentazione, è il sistema di generazione dell’impulso di alta tensione che, applicato agli avvolgimenti, determina la severità del collaudo.
Tra i diversi sistemi possibili, il più importante e sicuro è quello a scarica di condensatore.
Esso infatti, unisce alla sicurezza e alla costanza nel tempo, una semplicità circuitale che significa affidabilità ed economicità rispetto ad altri sistemi.
Gli elementi che determinano le caratteristiche del generatore di impulsi sono essenzialmente:
- la velocità di salita della tensione
- l’energia dell’impulso
- la frequenza di ripetizione degli impulsi
La velocità di salita dell’impulso della tensione è determinata principalmente dal tipo di componente usato per chiudere il circuito sull’avvolgimento in prova.
Lo schema di principio di funzionamento è il seguente:
T1 = Variatore di tensione
T2 = Trasformatore elevatore di tensione
D = Diodo rettificatore a 1 semionda
C = Condensatore di scarica
Z = Impedenza serie di protezione
I = Interruttore elettronico. Si intende un sistema costituito da SCR e diodi veloci, che simula
un interruttore elettromeccanico
L = Avvolgimento in prova
E = Circuito di rilievo ed esame della curva di risposta
Tramite T1 si imposta il valore di tensione desiderato. Da tenere presente che questo valore di tensione si intende di picco, contrariamente a valori, come quello di rigidità dielettrica in alternata, che sono espressi in valore efficace.
Il diodo D carica il condensatore C, mentre l’interruttore I è aperto. Nel semiperiodo successivo, il circuito di innesco chiude I che provvede a scaricare C su L, in quanto D non conduce.
a = Andamento della tensione ai capi del secondario di A.T. del trasformatore
b = Curva in grassetto: andamento della carica del condensatore
c = Punto di chiusura dell’interruttore elettronico
d = Oscillazione smorzata di scarica
La parte che più ci interessa è ovviamente la parte – d -, che è il risultato effettivo della nostra prova.
Esaminiamo in particolare l’oscillazione della tensione che si verifica ai capi dell’avvolgimento in prova dall’istante in cui viene chiuso.
V = Andamento della curva di smorzamento dell’oscillazione, dovuto alle perdite (fattore Q)
Vo = Tensione applicata
t1 = Tempo di salita della tensione, ossia tempo di chiusura dell’interruttore elettronico
f= Frequenza di risonanza del circuito oscillante, dalla quale si ricava il valore di L in Henry
P1-P2 = Valori di picco
Possiamo quindi notare come la frequenza di oscillazione sia determinata dalla risonanza che si innesca tra il valore di capacità del condensatore interno di scarica e l’induttanza dell’avvolgimento in prova, secondo la relazione:
Questo a livello teorico. In pratica, però, altri fattori intervengono a rendere “specifica” la curva di risposta di ogni avvolgimento, che sono:
- la capacità parassita tra le spire e verso massa,
- l’induttanza serie di protezione “Z” che, posta all’interno dello strumento, limita la corrente di picco in caso di cortocircuito netto degli avvolgimenti in prova, ai valori massimi previsti ed evita la distruzione dell’”interruttore elettronico”
- l’induttanza dispersa
- la qualità e la quantità del ferro del nucleo
- la resistenza ohmica dell’avvolgimento
Questo fa sì che ad ogni avvolgimento corrisponda una curva ben precisa e spiega perché avvolgimenti esattamente uguali, ma che sono stati costruiti impiegando macchine diverse o diverse attrezzature di supporto (anime) delle bobine, abbiano scostamenti nella curva di risposta anche di una certa entità.
Lo smorzamento dell’oscillazione V, invece, è essenzialmente determinato dalla R (resistenza ohmica dell’avvolgimento) e dalla L (induttanza) come espresso dalla formula, relativa all’andamento della tensione nel tempo.
Anche in questo caso, altri fattori intervengono a modificare questo valore, specie in presenza di perdite di isolamento esistente sia tra le spire dell’avvolgimento in prova (cortocircuito più o meno netto) che dispersioni verso massa.
In sostanza, una o più spire in cortocircuito, si comportano come se, in un trasformatore, un avvolgimento secondario venisse messo in cortocircuito: avremmo una notevole diminuzione dell’induttanza del primario con un assorbimento anomalo di energia, tenendo presente che la relazione tra induttanza e numero di spire è quadratica (raddoppiando il numero di spire di un avvolgimento, l’induttanza diventa quadrupla).
Nel nostro caso, poiché l’energia in gioco è quella fornita dal condensatore (accumulata durante la fase di carica), avremo uno smorzamento più rapido dell’oscillazione.
Da rilevare inoltre, che t1, tempo di salita della tensione (tempo necessario per passare dal 10% al 90% della tensione massima), è un valore molto importante, come detto al punto A: più è breve, più la prova è severa.
Nelle nostre apparecchiature, questo tempo è conforme a quanto stabilito dalla norma CEI EN 60034-15 (da 0,2 µs + 0,3 /- 0,1 µs).
Per quanto riguarda l’interpretazione dei valori di L e Q, vedere più avanti al punto D.
B – ENERGIA DELL’IMPULSO
Il secondo punto determinante ai fini dell’efficacia della prova, è l’energia dell’impulso.
L’energia degli impulsi in una prova di “SURGE” è data essenzialmente da quella immagazzinata dal condensatore C e poi applicata, in fase di scarica, all’avvolgimento in prova.
Essa è correlata alla tensione di prova e alla capacità del condensatore, dalla seguente relazione:
W = ½ C V2
W=energia in Joule C =valore della capacità in Farad V =tensione di prova
Ne consegue che la versione standard della nostra strumentazione, con condensatore da 0,05 µF e tensione massima di 5.000V, fornisce un impulso con energia
W = 0,625 J
Il valore dell’energia, deve essere ottimizzato al fine di permettere sempre l’innesco di una eventuale scarica tra punti critici di un avvolgimento, ma, allo stesso tempo, di evitare che un valore eccessivamente elevato crei inutili o addirittura dannose bruciature.
Inoltre, poiché la capacità del condensatore e l’induttanza dell’avvolgimento formano un circuito oscillante, in caso di valori molto bassi di induttanza, per avere una oscillazione sufficientemente leggibile sul monitor, occorre avere una capacità adeguatamente ridotta.
Va inoltre sottolineata una differenza sostanziale tra il nostro sistema di generazione e quelli della concorrenza.
Nel nostro caso, l’interruttore elettronico è inteso come sistema di cortocircuito totale; questo consente al condensatore C e all’induttanza L di essere sempre connessi e quindi, il circuito oscillante che ne deriva, fa sì che l’oscillazione smorzata risultante, abbia frequenza costante, con il miglior sfruttamento dell’energia impiegata e quindi maggior severità della prova.
In altri termini, l’interruttore di tipo bidirezionale che noi utilizziamo, permette al carico di entrare in risonanza con il condensatore di scarica, il che si traduce in una sollecitazione dell’avvolgimento in prova sia in un senso che nell’altro, mentre la tensione agisce sia con i valori positivi che con quelli negativi durante ciascuna oscillazione.
Per contro, in sistemi della concorrenza, l’interruttore “I” è monodirezionale (per ovvie ragioni di costo) e quindi l’energia immagazzinata dal condensatore si scarica sull’induttanza che però, non potendo richiudersi sul medesimo, fa sì che l’avvolgimento entri in risonanza solo all’interno della sua frequenza naturale (capacità parassite) causando in tal modo una dissipazione dell’energia dell’impulso applicato inizialmente.
Questo lo si nota anche dalla forma d’onda dell’oscillazione smorzata che ne deriva: di frequenza più bassa nel primo periodo, e molto più elevata nella coda (con conseguente minor ampiezza, cioè tensione) a causa del valore molto più basso delle capacità parassite rispetto a quella di scarica.
Chiaramente questo sistema, a parità di tensione, è meno severo del nostro, in quanto, per migliorare l’esito della prova, occorre avere una energia iniziale più elevata, che però, in caso di scarica, provocherà una bruciatura maggiore nel punto critico.
Va infine evidenziata l’importanza della velocità di ripetizione degli impulsi al minuto, che deve essere adeguata al simulare una prova di vita tale da evidenziare tutti i possibili punti deboli di un avvolgimento.
C – TENSIONE DI PROVA
Benché varie normative, in particolare dedicate ad avvolgimenti di grandi macchine elettriche, affrontino l’argomento (IEC 34-15, IEEE 522, ecc.) per la scelta di questo valore, ci si riconduce per analogia a quello utilizzato nella prova di rigidità dielettrica, con la variante che questo valore è di cresta. Si adotta, quindi, la seguente formula:
Vp = (2 V + 1000) x K
dove:
Vp = Tensione di prova
V = Tensione di lavoro dell’avvolgimento in prova
K = Valore compreso tra 1,2 e 1,6 a discrezione dell’utente.
Questo valore è dato dal fatto che la tensione di impulso è relativa al valore di cresta (1,41 il valore efficace). L’escursione possibile è funzione delle caratteristiche dell’avvolgimento in prova e della qualità desiderata.
E’ molto importante precisare che, comunque, possono esserci notevoli diversità tra tensione di prova impostata e tensione effettivamente presente ai capi dell’avvolgimento in prova.
Infatti, osservando la figura, si noterà che l’impedenza Z posta a sicurezza dell’interruttore elettronico in caso di cortocircuito, unitamente all’impedenza dei cavi di connessione e dei circuiti di commutazione, provocherà una caduta di tensione che è funzione del valore di impedenza del carico medesimo (caso limite: cortocircuito del carico, tensione ai capi = 0).
Pertanto, specie per valori di induttanza particolarmente basse (avvolgimenti con poche spire e poco ferro) la caduta di tensione può essere importante al fine della severità della prova.
Occorre quindi verificare sempre l’esatto valore della tensione effettivamente applicata, specie in presenza di basse impedenze.
Ciò si ottiene contando i centimetri (quadretti del reticolo)di ampiezza del primo picco della curva di risposta, a sinistra del display, e moltiplicarlo per il valore del divisore di tensione (V/cm.) posto in basso a sinistra del display (es.: 4 quadretti – 200 V/cm = 800 V. di tensione di impulso effettivamente applicata ai capi dell’avvolgimento in prova).
D – ESAME DELLE CURVE DI RISPOSTA
I risultati delle prove di SURGE-TEST tra le spire di un avvolgimento, vengono valutati essenzialmente in funzione di 2 parametri: L e Q.
L = Indica il valore di induttanza dell’avvolgimento.
Si calcola tramite il rilievo della frequenza di risonanza (f) che è, come già visto, successiva esplicazione, funzione delnumero delle spire, delle connessioni dei vari avvolgimenti tra loro e del nucleo in ferro. In caso di valore riscontrato diverso da quello memorizzato, è possibile, dall’esame anche visivo della curva di risposta, risalire alle possibili cause sopra citate.
Q =Il valore indicato, è funzione del tempo di smorzamento dell’oscillazione e successiva
esplicazione, dovuta alle perdite di isolamento esistente, ed è dato dal rapporto tra i
valori di picco delle prime oscillazioni.
Quanto maggiore è il valore di Q, tanto minore è lo smorzamento e quindi migliore la qualità dell’oggetto in prova (assenza di corto spire, corto tra matasse, dispersioni).
Nelle prove contro curva campione memorizzata, per consentire una oggettiva e quantificabile valutazione dell’oggetto in prova, si applicano le seguenti relazioni:
Qs = fattore di qualità del campione Ls = induttanza del campione
Più questo valore è prossimo a 100, maggiore risulta la qualità dell’oggetto in prova.
Entrambi i valori sono visualizzati sul Display e, tramite le soglie impostabili, si può avere l’esito automatico tramite led verde-rosso di GO – NO GO.
Tutti i dati possono essere stampati sulla stampante, se presente.
Esiste un terzo parametro di valutazione della qualità di un avvolgimento: la presenza di effetto corona detto anche scaricheparziali.
Si verifica tra 2 punti dell’avvolgimento tra i quali l’isolamento non è perfetto; ciò provoca una piccola fuga di elettroni che, per la loro piccola quantità non arrivano ad ionizzare l’aria presente e quindi a determinare una vera e propria scarica.
Il fenomeno, visto al buio, si rileva come una leggera luminescenza (di qui la denominazione “effetto corona”) e, acusticamente come un crepitio più o meno intenso a seconda della sua entità.
Questo, di per se non grave, può determinare, in un tempo anche discretamente lungo, un invecchiamento più rapido degli isolanti presenti in quel punto per quindi arrivare alla bruciatura dell’avvolgimento.
Sul display dello strumento della nostra strumentazione, questo fenomeno si visualizza come una sovra oscillazione, normalmente compresa tra i 2-4 e 10 MHz, presente sulla parte alta della sinusoide, come sotto rappresentato, che diminuisce di intensità con lo smorzamento dell’oscillazione.
Sulle apparecchiature di tipo computerizzato per prove in produzione (H4/C – H5/C – H14/C), il fenomeno, oltre che visivamente può essere rilevato e quantificato in automatico per una analisi più completa di tutta la produzione.
Occorre però fare alcune considerazioni molto importanti.
L’effetto “Corona” è sicuramente indice di isolamento carente e quindi, pur non arrivando all’avaria vera e propria, comporta una probabile vita più corta dell’avvolgimento in esame.
Però, per evitare eccessivi allarmismi, occorre tenere presente che, poiché queste scariche parziali avvengono nell’aria che separa i punti coinvolti, l’umidità e la temperatura presenti, influiscono moltissimo sulla loro entità.
Questo deve essere tenuto ben presente, specie sui sistemi automatici di rilevamento.
Infatti, è estremamente difficile stabilire soglie di accettazione valide per tutte le condizioni ambientali e che restino costanti nel tempo.
Normalmente è preferibile aumentare di qualche punto percentuale il valore di tensione di prova, al fine di eventualmente arrivare alla scarica vera e propria e ignorare questo fattore molto incerto.
Inoltre, la prova di SURGE viene normalmente effettuata su avvolgimenti non ancora impregnati (questo perché la situazione è più critica e per facilitare l’eventuale riparazione), quindi nei punti dove sono presenti falle dello smalto o piccole abrasioni, con l’apporto della vernice di impregnazione, il problema scompare.