Dinamica modulata in campo magnetico delle scariche parziali in difetti di materiali isolanti ad alta tensione

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22048 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta una metodologia di misurazione originale e un approccio di rilevamento per determinare l'influenza del campo magnetico sulla dinamica delle scariche parziali (PD). Le aree di applicazione si riferiscono ai sistemi di isolamento sia dei dispositivi di rete che di quelli industriali e ai segmenti emergenti come la ferrovia ad alta velocità, i veicoli elettrici o gli aerei più elettrici. Convenzionalmente le misurazioni PD vengono eseguite solo in campo elettrico, tuttavia l'interazione dei campi magnetico ed elettrico influenza la dinamica dei PD. La tecnica di misurazione ha permesso di rilevare quantitativamente l'effetto dei campi magnetici sui PD in due disposizioni rappresentative: nel vuoto gassoso nel materiale dielettrico e nella configurazione del piano dei punti della corona. Le misurazioni in entrambe le configurazioni hanno rivelato un'amplificazione dell'intensità dei PD. Il confronto quantitativo dell'evoluzione delle PD nel campo magnetico è un aspetto nuovo mostrato in questo articolo. La combinazione di immagini risolte in fase e diagrammi di intensità di sequenza temporale ottenuti alla commutazione del campo magnetico ha permesso di visualizzare e determinare quantitativamente questo impatto. Questo effetto è attribuito all'estensione della traiettoria delle particelle cariche e all'amplificazione dell'energia degli elettroni dovuta all'accelerazione. Pertanto, l’impatto investigato di un campo magnetico può essere percepito come un ulteriore elemento che influenza la dinamica del PD.

L'isolamento elettrico dei dispositivi di rete e delle reti industriali, nonché dei segmenti emergenti come la ferrovia ad alta velocità, i veicoli elettrici o più aerei elettrici, è esposto a stress sempre maggiori a causa dell'aumento dei livelli di tensione in tali applicazioni. Il focus di questo articolo è sulla metodologia di misurazione originale e sull'approccio di rilevamento per determinare l'influenza del campo magnetico sulla dinamica delle scariche parziali (PD). Questo è un nuovo argomento di ricerca, poiché convenzionalmente le misurazioni della PD vengono eseguite solo in campo elettrico, tuttavia l'interazione dei campi magnetico ed elettrico può influenzarne il comportamento. Le apparecchiature elettriche ad alta tensione sono costantemente esposte sia a campi elettrici che magnetici. È importante notare che anche i sistemi di isolamento di vari dispositivi di rete, sottostazioni, ferrovie e reti industriali come trasformatori di potenza, cavi, sistemi e linee isolati in gas, convertitori, motori e generatori sono esposti ai campi magnetici che sono causati dal flusso di corrente nei conduttori; questo si riferisce sia ai casi AC che DC. Poiché l'affidabilità delle apparecchiature elettriche a livelli di alta e media tensione è fondamentale per i trasferimenti e le conversioni di energia, si stanno sviluppando tecniche di progettazione e metodologie diagnostiche avanzate. Uno degli indicatori chiave della qualità dell'isolamento ad alta tensione (HV) oggi si basa sulla misurazione delle scariche parziali. Esistono varie forme di scariche legate ai difetti che si possono riscontrare all'interno o sulle superfici dell'isolamento elettrico. In questo contesto, si possono tipicamente distinguere le scariche interne in minuscole inclusioni d'aria chiamate vuoti insieme alle scariche superficiali o scariche corona. Questa evoluzione della scarica parziale è correlata alle fasi dello streamer come inizio, formazione del canale e sviluppo. Gli streamer vengono solitamente interpretati come microcanali di gas ionizzato e si propagano lungo le linee del campo elettrico. In presenza di un campo magnetico sovrapposto ad uno elettrico, la traiettoria dello streamer viene alterata a causa dell'ulteriore forza di Lorentz che agisce sulle particelle cariche; questo porta ad un movimento circolare complesso. La propagazione delle stelle filanti in un campo magnetico molto elevato (10 T) è stata mostrata in1. Le osservazioni sperimentali in questo lavoro si sono concentrate sul tracciamento della traiettoria di uno streamer in presenza di un campo magnetico. È stato dimostrato che il movimento di deriva nei campi elettrici e magnetici incrociati è influenzato dall'angolo di Hall. Senza diffusione, gli elettroni si muovono su orbite cicloidali in direzione perpendicolare ai campi elettrico e magnetico. Ad ogni evento di diffusione, la quantità di moto dell'elettrone cambia e viene intrapreso un nuovo percorso cicloidale. Il percorso che collega successivi eventi di scattering forma una traiettoria. Osservazioni di imaging hanno dimostrato che la scarica viene chiaramente deviata lateralmente con un angolo crescente con un campo magnetico crescente. A pressioni più elevate le stelle filanti si ramificano più spesso e la velocità di propagazione delle stelle filanti diminuisce con la pressione. Gli effetti di un campo magnetico alternato su una corona puntiforme misurata in una banda ad altissima frequenza (UHF) sono stati riportati in2. È stato dimostrato che la densità spettrale di potenza nella corona è ridotta nella banda UHF di 650–800 MHz in presenza di un campo magnetico (250–300 Gauss), per intervalli compresi tra 15 e 40 mm. Lo studio di un campo magnetico sulle scariche corona DC in un basso vuoto è stato mostrato in3. È stato dimostrato che l'effetto di un campo magnetico su una corrente di scarica era più significativo con scariche corona negative piuttosto che con quelle positive. Una corona negativa magneticamente potenziata che risulta dalla penetrazione del campo su una regione di ionizzazione è stata descritta in4. Si è notato che l'aumento relativo della corrente di scarica era molto maggiore quando i magneti permanenti erano posizionati vicino all'elettrodo di scarica che vicino all'elettrodo di raccolta. La tensione di inizio e rottura della corona è stata fortemente influenzata dalla presenza di un campo magnetico, come osservato in 5. Si è riscontrato che la tensione di inizio corona e la tensione di rottura diminuiscono all'aumentare del campo magnetico incrociato. L'influenza di un campo magnetico CC sui modelli risolti in fase PD in una configurazione del piano-cono della corona è stata discussa in6. È stato dimostrato che l'entità e le distribuzioni di fase dei modelli di scariche parziali sono influenzate da un campo magnetico perpendicolare. L'influenza di un campo magnetico esterno (128 mT) sui parametri statistici delle scariche parziali nel vuoto è stata analizzata in7. Si è riscontrato che, sebbene appaiano differenze visibili nel modello PD con e senza campo magnetico applicato; questi non possono essere attribuiti esclusivamente agli effetti della forza di Lorenz. Poiché i modelli PD rappresentano oggi lo stato dell'arte nella diagnostica dell'isolamento ad alta tensione delle apparecchiature di potenza8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, l'influenza di altri fattori come il fondo magnetico I campi, analogamente alle armoniche di tensione18, sono essenziali per la corretta interpretazione di qualsiasi risultato di misurazione. L'influenza del campo magnetico longitudinale sui parametri della sorgente di elettroni del plasma e sull'ottimizzazione della geometria è stata mostrata in19. Il campo magnetico ha influenzato le caratteristiche di rottura elettrica del gas. Le indagini eseguite su argon e azoto sia nei campi incrociati che in quelli paralleli hanno dimostrato la dipendenza della resa elettronica nel campo magnetico20.