Tensione nominale di tenuta all'impulso (Uimp): Guida tecnica completa

Un tipico quadro di distribuzione da 400 V funziona effettivamente a soli 400 volt. Ciononostante, ogni singolo interruttore automatico installato su tale quadro specifica valori di tenuta alla tensione apparentemente assurdamente più elevati: Uimp 8 kV. Ottomila volt – moltiplicati per venti – come un impulso di tensione di 1.2 microsecondi. No, non è un errore di battitura. Si tratta infatti di una concreta caratteristica costruttiva dei nostri sistemi elettrici: le variazioni di tensione generate da fulmini e manovre di commutazione sono così rapide e intense che la protezione elettrica di massa deve essere superiore ai livelli di funzionamento normali, sicuri per le tensioni di esercizio delle linee elettriche, delle reti via cavo e delle apparecchiature di distribuzione.

La tensione nominale di tenuta all'impulso (Uimp) si riferisce alla massima corrente elettrica che un'apparecchiatura elettrica deve sopportare senza subire danni all'isolamento e nel rispetto delle specifiche. Consente di selezionare l'apparecchiatura più adatta alla propria applicazione, da un interruttore automatico di media tensione residenziale da 230 V a un trasformatore sottomarino XLPE da 400 kV, permettendo all'utente di soddisfare i requisiti della norma di riferimento. In ogni categoria di test dielettrici IEC, dai quadri elettrici in MDF ai punti di giunzione dei cavi XLPE/AT da 765 kV, le apparecchiature devono operare con un profilo di tensione di tenuta all'impulso definito. Se si specifica nel progetto elettrico e si esegue il test al livello preciso di tale definizione, è prevedibile che gli apparecchi e le apparecchiature si guastino immediatamente non appena la sovratensione si propaga nell'impianto.

Questo articolo si concentra su una panoramica tecnica generale: come le norme IEC 60060-1 e IEC 60664-1 definiscono le tensioni di tenuta agli impulsi per le prove di isolamento, come la IEC specifica le categorie di sovratensione e la relativa forma d'onda di prova, cosa differenzia le prove di impulso da fulmine dalle prove di impulso di commutazione e come un circuito di Marx genera una forma d'onda impulsiva. Vengono inoltre evidenziate le cause più recenti di guasti ai prodotti elettrici e le procedure moderne di un laboratorio conforme all'edizione 2025 della norma IEC 60060-1.

Che cos'è la tensione nominale di tenuta all'impulso (Uimp)?

Secondo la norma IEC 60664-1 e alcuni protocolli per apparecchiature di manovra, la tensione nominale di tenuta all'impulso (Uimp) è equivalente al valore di picco di un impulso di tensione di forma e polarità prescritte che un'apparecchiatura dovrebbe essere sottoposta senza danneggiare l'isolamento, se testata secondo metodi specificati. Quattro parole in questa formulazione racchiudono la maggior parte delle implicazioni: picco e forma prescritta.

La tensione di picco Uimp è espressa in kilovolt di picco (kVp, non RMS) e non in valori RMS. Un impulso di 8 kV significa che l'oggetto elettrico deve resistere a un singolo picco istantaneo di 8000 volt – abbreviato e descritto in questo modo, e non in termini di tensione RMS media. La differenza è illuminante quando si cita una tensione di tenuta all'impulso rispetto alla tensione di esercizio (Ue) o alla tensione di isolamento (Ui), entrambe specificate come RMS.

La forma prescritta si riferisce alla forma d'onda dell'impulso di fulmine (IEC 60060-2) specificata a 1.2 microsecondi/salita a 1.2 kV microsecondi/discesa, come forma d'onda per la prova. Mentre cinquanta microsecondi/discesa a metà dell'intera forma d'onda dell'impulso è l'impulso elettrico di forma standard IEC a cui si fa riferimento.

Perché Uimp si trova ben al di sopra della tensione operativa

La tensione Uimp non è una tensione alla quale l'apparecchiatura opera normalmente. Le sovratensioni transitorie dovute a fulmini e transitori di commutazione si mantengono al picco del sistema da 1 μs a pochi millisecondi al di sotto. I loro picchi sono ben al di sopra della tensione nominale del sistema. Un circuito a 230 V soggetto a una scarica di fulmine nelle vicinanze può subire un picco transitorio di 4 kV o più ai terminali del quadro di distribuzione, quasi 18 volte la tensione nominale. L'isolamento di esercizio normale, dimensionato per 230 V più un margine di sicurezza, non è progettato per assorbire tale sollecitazione istantanea.

La gerarchia delle tensioni nominali IEC lo esplicita:

• Ue (tensione operativa nominale): la normale tensione di sistema, ad esempio 400 V. Questa è la tensione alla quale l'apparecchiatura svolge la sua funzione di commutazione nominale.
• Ui - (tensione di isolamento nominale) la tensione dielettrica di riferimento CA sostenuta, ad esempio 690 V. Questa è la tensione massima che l'apparecchiatura è progettata per sopportare (una tensione di riferimento per le prove di durata). La tensione di prova applicata per la prova dielettrica a frequenza industriale di 60 secondi.
• Uimp (tensione nominale di tenuta all'impulso): il picco transitorio che l'apparecchiatura deve sopportare, ad esempio 8 kV. Questo valore viene convalidato dal test di tenuta all'impulso di 1.2/50 μs.

La differenza di ordine di grandezza tra Ui e Uimp non è casuale. La resistenza agli impulsi si riferisce alla capacità di resistere allo spazio vuoto, ovvero all'intercapedine d'aria, piuttosto che alla capacità di resistere allo spessore complessivo dell'isolamento. 3 mm di aria, in grado di resistere a 690 V CA indefinitamente, potrebbero subire una scarica elettrica a un picco di 4,000 V se la geometria dell'intercapedine non fosse stata progettata per resistere agli impulsi. Uimp descrive la sollecitazione transitoria che la geometria deve sopportare. Ui descrive la sollecitazione continua che l'isolamento solido deve sopportare. Nessuna delle due sostituisce l'altra.

Coordinamento dell'isolamento: si utilizza il valore Uimp corrispondente all'esposizione transitoria del cantiere, ovvero la norma IEC 60664-1 per le apparecchiature a bassa tensione e la norma IEC 60071-1 per i sistemi di classe di trasmissione. Entrambe le norme associano il livello di esposizione dell'installazione al valore Uimp necessario, verificandolo poi mediante la classica prova di tenuta all'impulso di tensione secondo la norma IEC 60060-1.

IEC contro IEEE: Uimp, BIL e gli standard che regolano i test a impulsi

Nei progetti internazionali si incontrano due termini per lo stesso fenomeno: U imp negli standard IEC e BIL (Basic Impulse Level) negli standard IEEE/nordamericani. Entrambi misurano la capacità di un dispositivo di resistere, impulso per impulso, a un fulmine con durata definita di 1.2/50 μs. I principi fisici fondamentali sono gli stessi; le differenze risiedono nelle procedure di prova e nella correzione atmosferica.

La differenza di temperatura di riferimento dell'aria (20 °C per IEC contro 30 °C per IEEE) ha effetti pratici concreti. I fattori di correzione atmosferica adattano la tensione di prova applicata alle condizioni standard quando la temperatura, la pressione o l'umidità del laboratorio differiscono dal valore di riferimento. Le apparecchiature validate a 20 °C di riferimento possono presentare fattori di correzione leggermente diversi a 30 °C. Questa è una fonte di apparente discrepanza quando si acquistano componenti da diverse regioni normative. Nei progetti internazionali, è fondamentale verificare quale norma si applica e assicurarsi che i rapporti di prova generati utilizzino il riferimento corretto.

Gerarchia degli standard IEC per la tensione di tenuta impulsiva

Il quadro generale del sistema U è delineato da tre norme IEC, ognuna delle quali copre un diverso livello del sistema:

• La norma IEC 60664-1 (2020, Ed. 3) disciplina il coordinamento dell'isolamento per apparecchiature all'interno di sistemi a bassa tensione fino a 1.000 V CA / 1500 V CC. Contiene le tabelle delle categorie di sovratensione che collegano la tensione di sistema e la posizione di installazione al valore U imp richiesto. Questa è la norma a cui il progettista delle apparecchiature fa riferimento quando sceglie il valore U imp per un interruttore automatico magnetotermico (MCCB), una morsettiera o un contattore.
• La norma IEC 60060-1 (2025, Ed. 4) – Tecniche di prova ad alta tensione, Parte 1, descrive la forma d'onda 1.2/50 μs, le tolleranze e i fattori di correzione atmosferica. Stabilisce i criteri di superamento/fallimento per le prove di tenuta all'impulso in laboratorio. La quarta edizione del 2025 amplia l'ambito di applicazione alle apparecchiature ad altissima tensione e aggiunge esplicitamente le tecniche di valutazione della forma d'onda digitale. Questo è il documento a cui un laboratorio di prova farebbe riferimento per definire la procedura di prova.
• IEC 62271-100 (2021) – Interruttori automatici in corrente alternata. Definisce le tensioni nominali di tenuta all'impulso di fulmine richieste e raccomandate. Per apparecchiature superiori a circa 72.5 kV, sono richiesti test di impulso di manovra approvati, oltre ai test di impulso di fulmine.

Per visualizzare una sezione dettagliata sulla resistenza agli impulsi di fulmine in relazione alle apparecchiature ad alta tensione DEMIKS, consultare: Introduzione alla tensione di tenuta agli impulsi di fulmine.

Categorie di sovratensione e valori Uimp in base alla tensione di sistema

La norma IEC 60664-1 classifica gli impianti a bassa tensione in quattro categorie di sovratensione (OVC I-IV) in base alla posizione di installazione delle apparecchiature rispetto al punto di ingresso dell'alimentazione. Le apparecchiature più vicine alla fonte di alimentazione ricevono una maggiore energia transitoria da fulmini e manovre di commutazione, pertanto sono specificate con un valore Uimp più elevato. In profondità all'interno di un impianto protetto, la tensione si manifesta a valle di stadi di attenuazione come l'impedenza del cavo e i dispositivi di protezione contro le sovratensioni.

I parafulmini e i dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD) di Parte 2 spesso richiedono fino a 8 kV Uimp per garantire un margine di sicurezza adeguato e compensare le variazioni dei fornitori. Questo margine è particolarmente importante per i quadri di distribuzione, dove la sicurezza delle apparecchiature passa a un dispositivo di distribuzione e un singolo quadro di distribuzione alimenta spesso un numero di carichi a valle molto maggiore rispetto a una configurazione equivalente OVC IV.

Requisiti Uimp per media tensione (IEC 62271-100)

Per i quadri di distribuzione principali e le linee di alimentazione principali dei trasformatori, gli interruttori automatici scatolati (MCCB) e i quadri di media tensione possono essere specificati a 10-12 kV Uimp. La specifica di un MCCB di tipo industriale è generalmente accettata per l'alta tensione, con un Uimp di 8 kV o superiore, ovvero oltre il minimo di 4 kV per le apparecchiature OVC III.

Per apparecchiature di manovra e interruttori automatici da 1 kV in su, la norma IEC 62271-100 specifica la tensione di tenuta all'impulso di fulmine (LIWV) richiesta in funzione della tensione nominale Ur. I valori si basano su molti anni di dati sul campo e statistiche sui guasti, con limiti inferiori e superiori per ciascuna categoria di tensione:

Per le apparecchiature di manovra da 11 kV (la classe di tensione nominale Ur=12 kV comune nelle reti di distribuzione del Regno Unito e del Commonwealth), il requisito LIWV è di 75 kV. Ciò significa che le apparecchiature con tensione nominale di 12 kV devono superare una prova di impulso di picco di 75 kV. Per questa prova, un interruttore automatico deve essere in grado di sopportare un singolo impulso di manovra o di fulmine superiore a sei volte la tensione nominale. Le tensioni più elevate hanno un rapporto più alto poiché le distanze di sicurezza fisicamente maggiori sono in grado di resistere meglio alle sovratensioni.

Impulso fulmineo contro impulso di commutazione: due forme d'onda, un unico obiettivo

Oltre al test di impulso, la presenza di scarico parziale L'attività durante le prove di tipo viene solitamente verificata per determinare se le prove impulsive hanno rilevato sollecitazioni di isolamento inferiori al punto di scarica.

Nella norma IEC 60060-1 vengono utilizzate due forme d'onda simili. Ciascuna rappresenta un diverso processo fisico nel sistema di alimentazione e si applica a diverse categorie di apparecchiature. La selezione della forma d'onda standard non applicabile ai requisiti di prova costituisce un errore di specifica.

La forma d'onda dell'impulso di fulmine (LI) modella la forma elettrica di una sovratensione originata da un fulmine: un rapido aumento di tensione seguito da una lunga coda discendente. Questa forma d'onda standard è documentata come 1.2/50 μs. Dato il tempo di fronte T1 = 1.2 μs (30%), la misurazione effettiva del fronte d'onda può essere compresa tra 0.84 μs e 1.56 μs e il test risulterà comunque superato. Il tempo di dimezzamento della tensione T2 = 50 μs (20%) implica un tempo effettivo di 40-60 μs che risulterà comunque superato. Questi test sono richiesti per quasi tutti i componenti ad alta tensione, dai quadri elettrici a vuoto da 400 V alle boccole dei trasformatori da 765 kV.

L'impulso di commutazione (SI) riproduce gli eventi di sovratensione transitoria derivanti dalle commutazioni nella rete elettrica: l'attivazione di una lunga linea di trasmissione, l'interruzione di una batteria di condensatori o l'apertura di un interruttore ad alta tensione sotto carico. Tutti questi eventi producono un picco con un ritardo più lento e una durata maggiore rispetto al rapido impulso transitorio del fulmine. Forma d'onda tipica per l'impulso di commutazione 250/2500 μs – tempo di fronte 250 μs (20%), tempo di dimezzamento 2,500 s (60%). Poiché i transitori di commutazione possono variare maggiormente, vengono utilizzate bande di tolleranza più ampie per la forma d'onda dell'impulso di commutazione.

Al di sopra di una tensione nominale di circa 72.5 kV, la norma IEC 62271-100 impone l'utilizzo di prove di tenuta sia per fulmini che per impulsi di commutazione. Questo sembra contraddittorio: la tensione di scarica supera l'impulso di fulmine per lunghi intercapedini d'aria esterne (linee aeree, isolatori di superficie esterni, lunghi percorsi di dispersione superficiale su apparecchiature esterne) quando soggette all'impulso di commutazione a salita più lenta. Ciò spiega perché le lunghe intercapedini d'aria – dove la propagazione della scarica impiega tempo a svilupparsi completamente – presentano una tensione di scarica superficiale inferiore con impulsi di commutazione più lenti rispetto all'impulso di fulmine. La forma d'onda 250/2500 μs è adatta a questa prova perché simula il tempo necessario per il processo di transizione completo, mentre la forma d'onda 1.2/50 μs non lo fa.

Come funziona il test di tenuta all'impulso: procedura dettagliata

Secondo la norma IEC 60060-1, la prova di tenuta alla tensione impulsiva, se eseguita correttamente, richiede la combinazione di tutti i dettagli della prova di verifica: conferma della validità della forma d'onda, della correzione atmosferica e della sequenza di impulso.

Fase 1: Preparazione pre-test

1. Calibrare il sistema di misura. Il sistema di misura digitale e il partitore di tensione devono essere controllati per verificarne la precisione e ricalibrati secondo i requisiti della norma IEC 60060-2 prima di ogni prova. Apparecchiature fuori tolleranza possono mascherare guasti o causare scarti indesiderati.
2. Correzione atmosferica. La norma IEC 60060-1 impone la registrazione di temperatura, pressione e umidità assoluta prima di ogni sessione di prova. In base al fattore di correzione atmosferica k, la tensione Uimp programmata – utilizzando i metodi della norma IEC 60060-2 per moltiplicare per k – può essere superiore alla tensione effettiva utilizzata per sparare i colpi. Il risultato può presentare una differenza di diversi punti percentuali, soprattutto in caso di test ad alta quota o in condizioni di elevata umidità.
3. Controllare il campione. Verificare la presenza di contaminazione superficiale, umidità e danni meccanici. I risultati ottenuti da campioni contaminati non riflettono accuratamente la capacità di resistenza agli impulsi dell'apparecchiatura e possono essere rifiutati.
4. Eseguire il controllo della forma d'onda a tensione ridotta. Applicare un impulso pari al 50-75% della Uimp prevista al campione e registrare i punti T1 e T2 della forma d'onda (IEC 60060-1). Verificare che T1 rientri entro (1.2 μs ± 30%) e T2 entro (50 μs ± 20%) del valore previsto per IEC 60060-1. Una volta confermato il controllo della forma a tensione ridotta, aumentare al livello massimo per gli impulsi successivi.

Fase 2: La sequenza di test di resistenza

Il protocollo di prova di base prevede l'applicazione di una serie di colpi impulsivi al bersaglio designato:

• Numero di impulsi: Il range tipico di resistenza agli impulsi è normalmente di 15 impulsi per polarità per i test di tipo, secondo le direttive dello standard di prodotto. I test di routine a tensione inferiore applicano in genere un numero inferiore di impulsi per garantire la coerenza del prodotto senza ripetere l'intero protocollo di test di tipo.
• Sequenza di polarità: vengono applicati impulsi positivi e negativi. Alcune geometrie di isolamento sono influenzate in modo diverso dalla polarità: per un sistema di elettrodi asimmetrico in grado di resistere a impulsi positivi di 75 kV, quelli negativi possono provocare una scarica superficiale a tensioni inferiori.
• Intervallo tra gli spari: un intervallo di almeno 1 secondo tra le espulsioni degli spari. Questo perché l'ionizzazione transitoria nell'intercapedine d'aria si sarà ridotta a quel punto per effetto del decadimento.
• Criteri di valutazione: scarica dirompente unica, flashover o perforazione, può causare un controllo durante il test, come definito durante il lancio. tutto il degrado dell'isolamento deve essere considerato come un degrado del test.

Test di impulso a onda troncata

Oltre ai test a onda intera specificati, alcuni standard di prodotto (più comunemente IEC 60076-4 per i trasformatori di potenza e una serie di protocolli IEEE BIL) richiedono anche un test a onda troncata. L'onda sale fino a un livello di sovratensione predeterminato (di solito circa 1.1-1.15 volte il picco dell'onda intera), prima che uno spinterometro "tronchi" l'onda, facendo crollare improvvisamente la tensione in un periodo di 2-6 μs. La forma d'onda troncata impone uno schema di sollecitazione distinto sull'isolamento degli avvolgimenti che a volte tende a identificare aree deboli meno evidenti alla forma d'onda intera.

Ispezione interrotta delle prestazioni di isolamento sugli avvolgimenti di motori e trasformatori, DEMIKS tester di tensione di resistenza agli urti interrompi Introduce un impulso speciale per rivelare i danni all'isolamento tra le spire più precocemente durante il collaudo dell'avvolgimento. Funziona con l'intero test di resistenza agli impulsi del livello di apparecchiatura in generale.

All'interno del generatore di tensione impulsiva: dal circuito di Marx alla misurazione.

È impossibile produrre una forma d'onda di 1.2/50 μs a tensioni di prova di 40 kV e 7200 kV direttamente da un singolo alimentatore ad alta tensione con qualsiasi topologia di circuito. La soluzione – che risale all'invenzione del 1923 da parte di Erwin Marx della topologia di circuito che ancora oggi domina la progettazione dei generatori di tensione impulsiva convenzionali – consiste nel caricare un certo numero di condensatori in parallelo e poi scaricarli in serie attraverso una cascata di spinterometri.

Come funziona il circuito di Marx

Un circuito di Marx è formato da n stadi identici. Ogni stadio ha un condensatore C, una resistenza di carica e uno spinterometro. La sorgente di corrente continua ad alta tensione carica simultaneamente tutti i condensatori a una tensione Vc durante la fase di carica.

Nelle cariche, le resistenze mantengono tutti i componenti in parallelo pur avendo le fasi separate.

Quando l'impulso innesca la scintilla iniziale, si avvia una reazione a catena istantanea: la tensione sul primo condensatore si somma alla carica già presente sul secondo, portando a 2Vc la tensione sul secondo spinterometro. Questo provoca un cortocircuito tra gli spinterometri e un flusso di elettroni, mentre il terzo condensatore riceve 3Vc. Questa cascata si propaga attraverso tutti gli n stadi in ns e i condensatori si combinano efficacemente in serie, in modo che la tensione di uscita sia pari a nVc.

Modellazione della forma d'onda: resistori anteriori e posteriori

La forma 1.2/50 μs è determinata da due reti RC esterne al banco di Marx:

• La resistenza di ingresso (Rf) è la resistenza posta tra il generatore e l'oggetto in prova. Questo elemento del circuito è responsabile del controllo del tempo di salita (T1). Aumentando Rf, la salita rallenta; diminuendola, diventa più ripida.
• Resistenza di coda (Rt) – collegata in parallelo all'oggetto da testare. Imposta il tempo di decadimento (T2). Maggiore è il valore di Rt, maggiore sarà il tempo impiegato per il decadimento.

Il produttore del generatore sceglie i valori di Rf e Rt per ottenere la forma d'onda desiderata entro le bande di tolleranza della norma IEC 60060-1. Variazioni nella capacità dell'oggetto in prova, ad esempio testando un breve tratto di cavo anziché un grande passacavo di un trasformatore, produrranno una forma d'onda effettiva diversa, pertanto le resistenze di ingresso/uscita potrebbero richiedere una messa a punto e una regolazione fine per rimanere entro le bande.

La catena di misurazione

La misurazione di un guasto da cento kilovolt, della durata di microsecondi, richiede una catena di misurazione dedicata, composta da tre componenti essenziali:

1. Divisore di impulsi ad alta tensione: divide la tensione impulsiva secondo un rapporto determinato con precisione, ad esempio 1000:1 o superiore, in modo che lo strumento di misura rilevi un segnale di scala accettabile. DEMIKS Divisori di tensione CA/CC Sono disponibili con rapporti e precisioni specificati secondo la norma IEC 60060-2. Se è disponibile una larghezza di banda sufficiente, il divisore riproduce accuratamente il fronte d'onda dell'impulso (ad esempio, tempo di fronte di 1.2 μs).
2. Cavo coassiale a bassa perdita: trasmette il segnale scalato dall'uscita del divisore allo strumento di registrazione senza distorsioni della forma d'onda. La lunghezza e l'impedenza del cavo sono adattate all'impedenza dell'uscita del divisore.
3. Registratore di impulsi digitale: cattura le forme d'onda con una risoluzione temporale di nanosecondi per la registrazione e la successiva analisi. Lo standard IEEE Std 1122-2024 definisce ora la larghezza di banda, la frequenza di campionamento e la precisione complessiva che un registratore di impulsi deve utilizzare affinché i risultati degli impulsi misurati possano essere utilizzati in rapporti di prova attendibili.

Nell'era digitale, la combinazione di un divisore di tensione calibrato e di un registratore digitale ad alta larghezza di banda ha sostituito il voltmetro analogico nei sistemi di misurazione degli impulsi, come previsto dalla norma IEC 60060-1:2025, che motiva il sistema standard. La registrazione dell'attività di ionizzazione a corona, insieme alla forma d'onda principale, fornisce ulteriori informazioni sull'attività pre-scarica.

Resistenza dielettrica vs. resistenza agli impulsi: quale test dimostra cosa?

Sia la prova di rigidità dielettrica (HIPOT) che la prova di resistenza agli impulsi valutano la qualità isolante di un sistema di isolamento, ma applicano condizioni di stress diverse, identificando quindi guasti differenti. Confondere le due prove porta a una progettazione di apparecchiature non ottimale in una o entrambe le prove; una conoscenza approfondita di ciò che ciascuna prova applica, a sua volta, fornirà informazioni utili per le specifiche di progettazione e per stabilire se una o entrambe le prove siano critiche.

Perché superare un esame non significa superare anche l'altro

La tensione di prova di tenuta dielettrica è sostanzialmente simile, per le apparecchiature a bassa tensione (circa 2Ui + 1,000 V, IEC 60947-1), al valore Uimp delle stesse apparecchiature. Ad esempio, per un interruttore automatico magnetotermico (MCCB) da 690 V con valore Ui, la prova dielettrica è di circa 2,380 V CA, molto inferiore agli 8,000 V di picco Uimp. La variazione della sollecitazione implica che le due prove valutino aspetti completamente diversi delle prestazioni di isolamento; una verifica l'isolamento in massa contro una sollecitazione lenta e in graduale aumento; l'altra verifica la geometria della distanza di sicurezza durante un picco istantaneo.

Il semplice superamento di una prova di tensione dielettrica di 60 secondi per apparecchiature con un determinato spazio d'aria non significa che l'apparecchiatura supererà la prova se sottoposta a un impulso di corrente continua (Uimp) della stessa entità, anche se il sistema di isolamento è lo stesso. Viceversa, un'apparecchiatura con un ampio spazio d'aria per le prove Uimp potrebbe non superare la prova dielettrica a frequenza industriale se è contaminata in un modo che non ha effetto sulla scarica impulsiva a breve termine; entrambe le prove sono necessarie per stabilire la resistenza con certezza.

Ideale per test dielettrici Durante la messa in servizio in linea di produzione o sul campo, i dispositivi di tenuta alla tensione a frequenza industriale DEMIKS supportano tutti i test di rigidità dielettrica di routine, dalla produzione alla messa in servizio. Se i valori elevati di resistenza di isolamento fanno parte dei vostri test dielettrici, consultate la nostra guida: Comprensione dei tester di resistenza di isolamento.

Quali sono le vere cause dei fallimenti dei test di impulso e come interpretarli

Un esito negativo in un test a impulsi non è solo un dato di superamento/fallimento, ma un segnale diagnostico. Conoscere i quattro modelli tipici di esito negativo in un test a impulsi, sia nei laboratori di prova che nelle indagini sul campo, trasforma un campione scartato in preziose informazioni di progettazione.

Modalità di guasto 1: Scarica superficiale

La scarica superficiale è il guasto più comune nei test a impulsi. Invece di attraversare lo spessore dell'isolamento solido, la tensione segue un percorso di minima resistenza sulla superficie: lungo una boccola, sopra un circuito stampato o attorno alla distanza di dispersione superficiale dell'isolante. L'arco risultante si estingue quando l'impulso si attenua, lasciando una traccia di carbonio sulla superficie.

Tre cause principali possono provocare scariche superficiali: distanza di dispersione insufficiente rispetto al grado di inquinamento e al livello di tensione; contaminazione della superficie da parte di polvere conduttiva o pellicola d'acqua; oppure una caratteristica geometrica che concentra il campo elettrico lungo un particolare bordo o angolo dell'isolante. Aumentare la distanza di dispersione, applicare un rivestimento protettivo o modificare la geometria dell'elettrodo risolverà la maggior parte dei guasti da scarica superficiale senza rimuovere il materiale isolante dal componente.

Modalità di guasto 2: Perforazione dell'isolamento di massa

La perforazione si verifica quando la tensione impulsiva attraversa lo spessore del materiale isolante solido, formando un canale conduttivo permanente. A differenza della scarica superficiale, la perforazione è irreparabile. Il campione di prova viene distrutto e non può essere rimesso in servizio. I guasti da perforazione a una tensione pari o inferiore alla tensione di tenuta impulsiva nominale indicano che il progetto non soddisfa i valori nominali pubblicati: lo spessore dell'isolamento è inadeguato oppure il materiale presenta imperfezioni di fabbricazione come vuoti, inclusioni o delaminazioni.

Un guasto dovuto a una perforazione al termine di una prova a impulsi è indice di un difetto di progettazione, non di un difetto di fabbricazione. La progettazione dell'apparecchiatura deve essere rivista prima che le prove di certificazione possano proseguire.

Modalità di guasto 3: Scarica parziale progressiva (degradazione sub-flashover)

I vuoti interni a bassa energia, i bordi degli elettrodi di scarica o le interfacce tra gli isolanti non producono un flashover immediato. Si verifica invece un danno progressivo dovuto a ripetute scariche. scarico parziale L'attività derivante da molteplici impulsi crescenti rende gradualmente fragile l'isolante. Le apparecchiature possono superare il test di resistenza agli impulsi alla prima applicazione, ma gli effetti a lungo termine delle scariche parziali nell'isolamento resistivo produrranno un deterioramento progressivo dopo un funzionamento prolungato, soprattutto in installazioni con frequenti transitori di commutazione che sollecitano ripetutamente l'isolamento a livelli inferiori alla soglia di scarica impulsiva.

Le analisi effettuate presso il CIGRE concludono che ben oltre il 20% dei guasti degli interruttori automatici alle tensioni di esercizio sono correlati all'isolamento. Molti di questi sono dovuti al danno cumulativo causato dall'attività di scariche parziali, non a un singolo guasto che il test di tenuta all'impulso avrebbe rilevato. A breve termine test di scarica parziale L'esecuzione in parallelo di test impulsivi durante le prove di tipo consentirà di identificare potenziali modalità di guasto dovute a scariche parziali e i loro precursori prima della data di pubblicazione: un livello di approfondimento che il solo criterio di superamento/fallimento non può fornire.

Modalità di errore 4: Confusione tra test di tipo e test di routine

Un altro meccanismo di guasto è un errore di approvvigionamento, piuttosto che un guasto fisico effettivo, ma le conseguenze sul campo possono essere altrettanto costose. Il valore Uimp riportato su qualsiasi scheda tecnica di un'apparecchiatura deriva da una prova di tipo eseguita su campioni di progetto da un laboratorio accreditato. Le normali prove di produzione, in genere eseguite su ogni dispositivo, verificano la qualità della fabbricazione utilizzando una tensione inferiore e una durata di prova più breve. È errato accettare un semplice rapporto di prova di routine come prova del valore Uimp comprovato dell'apparecchiatura: le prove di routine dimostrano l'uniformità della produzione all'interno dello stabilimento, solo la prova di tipo dimostra il vero valore di tenuta all'impulso del progetto.

Successivamente, si è scoperto che i guasti sul campo a seguito di fulmini avevano origine da apparecchiature per le quali, al momento dell'acquisto, era stato esaminato solo il rapporto di prova di routine, e in cui tali apparecchiature erano state installate in una categoria di sovratensione per la quale non erano state specificate correttamente per Uimp – non per errore da parte del produttore, ma perché le specifiche di acquisto non distinguevano tra due livelli di prova.

Il futuro delle prove a impulsi: la norma IEC 60060-1:2025 e i cambiamenti che comporta.

La tecnologia dei test a impulsi è in continua evoluzione. La quarta edizione della norma IEC 60060-1, prevista per il 2025, e un nuovo standard IEEE per i registratori digitali hanno già incorporato i cambiamenti concreti che sono ora evidenti nei migliori laboratori di prova.

Norma IEC 60060-1:2025 (Edizione 4) — Tre modifiche da conoscere

• È stata affrontata l'esigenza di applicazioni nel campo dell'altissima tensione (UHV). L'edizione 4 si rivolge specificamente alle apparecchiature utilizzate a tensioni superiori a 1,000 kV CA o 1,500 kV CC, una tipologia di apparecchiature che sta emergendo rapidamente nei nuovi e giganteschi corridoi di trasmissione UHV che si stanno diffondendo in Asia e Medio Oriente, e dove le norme IEC in precedenza non fornivano un metodo di prova, ma una maggiore facilità di esecuzione. I laboratori di prova a impulsi che forniscono assistenza ai produttori di apparecchiature UHV ora dispongono di procedure formali, anziché dover ricorrere a compromessi specifici per ogni progetto.
• La nuova edizione aggiorna le procedure di verifica della forma d'onda. Ai livelli di tensione più elevati il ​​carico capacitivo molto elevato all'interno dell'oggetto di prova può distorcere la tensione del generatore forma d'onda, falsando i calcoli per i parametri da misurare: i dettagli su come affrontare questo problema sono chiariti nella nuova edizione. I laboratori di trasformatori di potenza che utilizzavano enormi oggetti di prova avevano sviluppato una soluzione alternativa nell'edizione 3; la nuova edizione cataloga tale pratica.
• Aggiunta di un allegato formale per l'analisi digitale delle forme d'onda. L'edizione 4 introduce un framework dedicato all'analisi delle forme d'onda basato su software, a complemento dei metodi di calcolo manuali descritti nell'allegato C dell'edizione 3. Questo riconoscimento formale sancisce che il confronto digitale – in cui le forme d'onda a tensione ridotta e a tensione piena vengono confrontate automaticamente – è ora il metodo di analisi standard, anziché un approccio supplementare.

Standard IEEE 1122-2024 — Standard minimi per i registratori digitali

Insieme all'aggiornamento IEC, l'IEEE ha pubblicato lo standard Std 1122-2024, che specifica i parametri operativi – larghezza di banda minima, frequenza di campionamento, gamma dinamica e precisione – richiesti ai registratori digitali utilizzati per le misurazioni di tensione e corrente impulsive. Questo standard è utile perché non tutti gli oscilloscopi digitali hanno una larghezza di banda o una precisione sufficienti per gestire il tempo di fronte di 1.2 ms specificato dalla norma IEC 60060-1. Ora i laboratori di prova e gli acquirenti possono fare riferimento direttamente allo standard IEEE Std 1122-2024 quando richiedono o valutano registratori digitali per applicazioni con impulsi, anziché basarsi su specifiche di larghezza di banda generiche che potrebbero non essere adatte a questo tipo di misurazioni.

Automazione e test impulsivi in ​​loco

Due tendenze a lungo termine che stanno influenzando l'implementazione comune dei test impulsivi sono:

• Le piattaforme di test automatizzate integrano in un'unica suite software il controllo del generatore di impulsi, l'acquisizione della forma d'onda, il calcolo di un fattore di correzione meteorologica, la decisione di superamento/fallimento e la creazione del report di prova. Ciò riduce al minimo l'errore umano nella sequenza di acquisizione, accelera la produttività dei test di tipo ad alto volume e crea un report standardizzato che soddisfa i requisiti di documentazione della norma IEC 60060-1, senza necessità di trascrizione manuale.
• È possibile eseguire test di impulsi in loco su apparecchiature di rete di distribuzione grazie alla disponibilità di generatori Marx miniaturizzati nella gamma 100-500 kV, facilmente trasportabili sul campo. Recenti studi sui test di impulsi da fulmine in loco su quadri elettrici di distribuzione dimostrano che la calibrazione delle apparecchiature di prova non può essere effettuata presso la sede del produttore, ma può essere condotta in loco con la stessa qualità di calibrazione e collaudo di fabbrica per le apparecchiature che non possono essere ragionevolmente trasferite in un laboratorio centrale. Queste informazioni sono di grande rilevanza per i clienti di DEMIKS, che assistono gli operatori delle reti di distribuzione.

Domande frequenti sulla tensione nominale di tenuta all'impulso