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1 Condensatori per rifasamento industriale in Bassa Tensione: tecnologia e caratteristiche. Ing Guido Picci Ing Silvano Compagnoni 1

2 Tecnologia dei condensatori Costruzione Com è noto, il principio costruttivo del condensatore è la realizzazione di due armature metalliche affacciate, tra le quali è interposto un dielettrico: una volta alimentate le armature con tensione alternata, il condensatore assorbe una corrente in anticipo di 90 sulla tensione. In funzione dell utilizzo esistono diverse tipologie di condensatori, che coprono applicazioni dalla microelettronica al rifasamento di reti elettriche in alta tensione: nel seguito si parlerà solo di condensatori per rifasamento industriale in bassa tensione. Questi condensatori sono costruiti, attualmente, partendo da una pellicola di materiale dielettrico ( film ) quale polipropilene o carta, sulla cui superficie viene realizzata una delle due armature metalliche mediante processo di metallizzazione, ovvero deposito di metallo come indicato in figura 1. Il processo di metallizzazione del film dielettrico avviene su un solo lato nel caso del polipropilene e su due lati nel caso della carta ed è un processo complesso che richiede apparecchiature sofisticate, tuttavia può essere descritto per sommi capi come nel seguito. Tramite un sistema di bobine il film, che ha uno spessore di 5/10 micrometri, viene fatto passare a velocità costante sopra al metallo (in genere lega di alluminio e zinco) che è tenuto a temperatura di evaporazione, in condizione di vuoto spinto. Il metallo si deposita sul film dielettrico e con opportuni accorgimenti si riesce a farne aderire al film solo un sottilissimo strato, pari a qualche decimo di micrometro, che costituirà una delle due armature del condensatore. Scegliendo opportunamente le variabili in gioco nel processo (spessore del film dielettrico, velocità di passaggio sopra il metallo fuso, etc) si definiscono le caratteristiche elettriche del condensatore che verrà realizzato con tale film metallizzato. metallo depositato sul film dielettrico bobina di pellicola dielettrica metallizzata bagno di metallo fuso in evaporazione bobina di pellicola dielettrica (film) Figura 1) Schematizzazione del processo di metallizzazione del film dielettrico 2

3 Avvolgendo due film opportunamente affacciati (si vedano le figure 2, 5 e 6), si ottiene l elemento capacitivo: in funzione della capacità che si deve ottenere si realizzerà un numero di giri opportuno. I due film sono metallizzati non su tutta la superficie e sono avvolti leggermente sfalsati affinché da ciascun lato del cilindro sia accessibile solo la metallizzazione di un film. Si ottiene così un cilindro costituito da film metallizzato avvolto, con diametro in funzione dello spessore dei film utilizzati e dei giri eseguiti; il cilindro verrà poi spruzzato sulle due estremità con del materiale conduttore fuso che, una volta solidificato, diventerà una superficie conduttrice sufficientemente solida, alla quale portare il collegamento elettrico di potenza. Il metallo della spruzzatura si salda con la metallizzazione del rispettivo film e a questo punto l elemento capacitivo è in tutto e per tutto funzionante: viene poi allocato in un contenitore metallico, isolato da questo sia meccanicamente che elettricamente. Nel caso di condensatori in carta bimetallizzata (si veda nel seguito) l ultima operazione che viene effettuata è l impregnazione. Viene effettuata allo scopo di migliorare le prestazioni, l isolamento dell elemento verso massa ed ottimizzare al contempo la dissipazione del calore verso l esterno. E realizzata con opportuno materiale isolante che in genere è olio, resina o azoto. asse del condensatore + V terminale con spruzzatura metallica film dielettrico in polipropilene metallizzazione - V Figura 2) Spaccato di condensatore standard in polipropilene 3

4 Rigenerabilità Un condensatore viene definito rigenerabile quando un imperfezione locale del dielettrico non causa un cortocircuito permanente tra le armature ma provoca solo una scarica circoscritta, con durata di pochi µs, che è però in grado di distruggere l armatura circostante il punto interessato dal guasto; questo verrà di fatto isolato consentendo al condensatore di continuare a funzionare in modo affidabile seppure con un piccolissimo calo di capacità (Fig. 3), proporzionale all area interessata dalla scarica. Questo avviene perché le armature sono costituite dal sottilissimo strato di metallo o lega depositato sul film dielettrico, ed è sufficiente la modesta energia della scarica per trasformarlo in un ossido isolante. Figura 3) Polipropilene con le tracce di una microscarica con avvenuta rigenerazione. Dispositivo di sicurezza per sovrapressione In caso di guasto i condensatori in polipropilene non danno luogo a sovracorrenti particolarmente elevate, tuttavia a fine vita si può formare del gas causato dalle scariche di rigenerazione che in certe condizioni possono avvenire in modo distruttivo. E opportuno dotare il condensatore di un dispositivo meccanico di protezione a sovrapressione, in grado di metterlo fuori servizio prima che la sovrapressione ne provochi l esplosione. La figura 4) illustra il funzionamento del dispositivo meccanico di protezione a sovrapressione: il contenitore metallico del condensatore viene realizzato con una gola che si trova immediatamente sopra l avvolgimento di dielettrico metallizzato. In caso di sovrapressione interna causata da corto circuito di valore elevato, la gola si deforma, stirandosi, determinando l allungamento del condensatore e quindi la rottura di uno dei conduttori di collegamento dei terminali: il flusso di corrente viene così interrotto riportando il condensatore in condizioni di sicurezza. 4

5 Conduttori di collegamento con le parti attive Terminali di alimentazione Gola Conduttore interrotto Figura 4) Schema di funzionamento del dispositivo di sicurezza per sovrapressione interna: a sinistra in condizioni normali, a destra dopo l intervento. Si noti il conduttore interrotto, indicato nel circolo rosso. Spessore della metallizzazione e conseguenze sulle caratteristiche elettriche del condensatore Lo spessore del metallo (lega Al-Zn) depositato sul film dielettrico definisce molte delle caratteristiche del condensatore, come si vedrà in seguito, ed ormai da molti anni è frutto di un compromesso tra la necessità di avere perdite di capacità ridotte nel tempo e, contemporaneamente, buone proprietà di rigenerazione. Se lo spessore del metallo è elevato, il condensatore ha limitate caratteristiche di autorigenerazione, e soffre le sovratensioni: può andare in corto circuito facilmente con corrente elevata e rapida formazione di gas. Se però non è interessato da corto circuiti, un condensatore con elevato spessore di metallizzazione avrà una perdita di capacità nel tempo molto bassa (la perdita di capacità nel tempo può avvenire non solo per le scariche di rigenerazione ma anche per corrosione elettrochimica). Viceversa quando lo spessore del deposito metallico che costituisce le armature è molto sottile il condensatore rigenera molto bene e sopporta senza problemi sovratensioni anche molto elevate. 5

6 Con spessore sottile e anche difficile che il condensatore vada in corto circuito, e comunque la corrente di corto che ne consegue è limitata, così come la conseguente produzione di gas. La perdita di capacità nel tempo è però in genere elevata, non tanto per le scariche di rigenerazione quanto per il fenomeno di corrosione elettrochimica che si ha quando fra gli strati dell avvolgimento del condensatore c è dell umidità e dell ossigeno, che in presenza di campo elettrico alternato trasformano la lega metallica zinco-alluminio in ossido isolante con conseguente perdita di capacità. Tanto più è sottile lo strato di metallo tanto più questo fenomeno è evidente. E importante lo spessore della metallizzazione alla base del film, poiché si troverà in corrispondenza dei terminali dell elemento dove si deve garantire - un ottima conducibilità verso la superficie metallica ottenuta con la spruzzatura - un ottima tenuta meccanica per sopportare le sollecitazioni che il condensatore subirà durante la sua vita utile. Se lo spessore della metallizzazione alla base del film è elevato e tale da garantire un ottimo contatto con le superfici ottenute per spruzzatura, il condensatore sopporterà meglio anche i transitori di inserzione con sovracorrenti elevate. Se lo spessore della metallizzazione alla base del film è insufficiente, si avrà invece una resistenza di contatto elevata tra metallizzazione e superficie spruzzata, con possibili effetti termici deleteri. Perdite per effetto Joule Un altro aspetto del condensatore che dipende dallo spessore del metallo depositato sul film dielettrico è la potenza dissipata: le armature sono interessate dal passaggio della corrente e dato che lo strato metallico tanto più è sottile tanto più ha una resistenza elevata, uno spessore limitato di metallizzazione del film porterà ad una dissipazione più elevata per effetto Joule con conseguente possibile surriscaldamento del condensatore, mentre uno spessore maggiore della metallizzazione porterà a perdite Joule più ridotte. Il problema della dissipazione per effetto Joule può essere in parte ridimensionato utilizzando elementi capacitivi bassi e larghi piuttosto che alti e stretti. Impregnazione Questa operazione viene eseguita sui condensatori in carta bimetallizzata: come accennato, una volta che il singolo elemento capacitivo realizzato viene inserito nel contenitore metallico, è necessario realizzare l impregnazione per garantire le caratteristiche dell isolamento e ottenere una migliore dissipazione del calore verso l esterno. L impregnazione viene effettuata con opportuni procedimenti che hanno lo scopo di eliminare le tracce di umidità ed aria presenti nei singoli elementi capacitivi che potrebbero causare malfunzionamento o degradazione delle prestazioni nel tempo. Attualmente l impregnazione dei condensatori viene realizzata in autoclave, dopo aver portato il condensatore sottovuoto. 6

7 Riempimento L elemento capacitivo realizzato in polipropilene non viene impregnato ma riempito, e come riempitivi vengono utilizzati olio, resina oppure azoto ottenendo delle caratteristiche differenti in funzione della sostanza utilizzata. Relativamente alla tipologia di materiale isolante che viene utilizzato per l impregnazione/riempimento, possiamo dire che: - olio e resina garantiscono una migliore rigidità dielettrica (10kV/mm, contro i 3kV/mm dell azoto) e permettono anche un ottima dissipazione del calore verso l esterno - l azoto permette l ottenimento di apparecchiature più leggere e non è infiammabile; tuttavia il rischio di incendio rimane, a causa dell elevata infiammabilità del polipropilene ed è anche più difficile garantire nel tempo l assenza di fughe di gas che comprometterebbero le prestazioni del condensatore. Inoltre l azoto ha una resistenza termica elevata, quindi il calore generato all interno dell avvolgimento viene trasmesso all esterno con maggiore difficoltà, con rischio di sovratemperatura che aumenta al passare degli anni in caso di fughe di gas, difficilmente monitorabili e rintracciabili. Questo rende necessario un declassamento del condensatore in azoto per tener conto di tutti questi fenomeni. Considerazioni Come descritto in precedenza, le principali caratteristiche di un condensatore dipendono dalla buona realizzazione del film dielettrico metallizzato ed in particolare dallo spessore dello strato di lega metallica che viene depositato sul film. Nel tempo i costruttori di condensatori hanno trovato il miglior compromesso, standardizzando lo spessore dello strato metallico e perfezionando il processo produttivo del film metallizzato. La lega alluminio/zinco, per la sua migliore resistenza alla corrosione, ha sostituito il semplice alluminio utilizzato nel passato, e questo ha portato ulteriori vantaggi in termini di durata di vita dei condensatori. La tabella 1) seguente sintetizza le caratteristiche del condensatore in funzione dello spessore della metallizzazione applicata al film dielettrico. Spessore della metallizzazione Rigenerazione Variazione di capacita nel tempo Capacità di resistere alle sovratensioni Rischio di corto circuito elevato difficile molto bassa mediocre elevato medio (normale) buona bassa buona basso sottile ottima elevata ottima molto basso Tabella 1) Effetti dello spessore della metallizzazione 7

8 Tecnologia dei condensatori ICAR: peculiarità e vantaggi Costruzione ICAR è una delle poche aziende in grado di produrre condensatori partendo dalla materia prima e arrivando fino al prodotto finito: tutto il processo è controllato per ottenere un prodotto con elevato livello qualitativo, che garantisce il funzionamento anche nelle configurazioni impiantistiche più gravose. ICAR produce oggi differenti tipologie di condensatori, da quelli per rifasamento lampade e per marcia motori monofasi a quelli per elettronica di potenza (trazione elettrica, azionamenti industriali), a quelli per formazione impulsi (utilizzati ad esempio nei laboratori californiani del NIF-Nuclear Ignition Facility dove sono in studio le tecnologie per l ottenimento della fusione nucleare partendo dall energia immagazzinata in grossi condensatori), a quelli di media tensione. Le differenti caratteristiche richieste a questi prodotti in termini di sollecitazioni elettriche, meccaniche e termiche hanno permesso di trovare soluzioni tecniche che poi hanno avuto interessanti applicazioni anche in altri ambiti: ad esempio l ottimizzazione dei condensatori per formazione impulsi ha permesso di individuare soluzioni molto robuste che sono state poi applicate ai condensatori di rifasamento. La realizzazione del film dielettrico (polipropilene o carta speciale), il processo di metallizzazione, la realizzazione del condensatore e la costruzione del quadro di rifasamento sono eseguiti in aziende del Gruppo: questo garantisce l ottenimento dei più alti standard qualitativi sia del film metallizzato che, di conseguenza, dei condensatori prodotti. Inoltre, come descritto nel seguito, il know how acquisito in quasi 50 anni nella realizzazione del film metallizzato ha permesso ad ICAR di realizzare prodotti assolutamente innovativi. I condensatori per rifasamento industriale ICAR sono costruiti, attualmente, in tre diverse versioni che portano a caratteristiche sensibilmente differenti, con particolari prestazioni e vantaggi in determinati ambiti di utilizzo: - condensatori standard: sono realizzati con uno spessore di metallo costante su tutto il film dielettrico in polipropilene. Valgono le considerazioni fatte nel capitolo precedente; si veda uno schema di sezione in figura 2. - condensatori 3Ut : si caratterizzano per l utilizzo del polipropilene metallizzato con spessore del metallo variabile - condensatori 3In : si caratterizzano per l utilizzo della carta bimetallizzata come supporto meccanico per le armature, e del polipropilene come dielettrico. 8

9 Condensatori 3Ut Nel 1995 ICAR ha sviluppato un profilo di metallizzazione del film che ha portato a risultati straordinari nel campo dei condensatori per corrente continua e accumulo d energia. Successivamente questa tecnologia è stata estesa ai condensatori per rifasamento industriale, con risultati altrettanto notevoli. asse del condensatore + V terminale con spruzzatura metallica film dielettrico metallizzazione - V Figura 5) Spaccato di condensatore 3Ut. Si noti lo spessore decrescente ( profilo ) di ciascuna armatura, costituita dalla metallizzazione, a partire dal rispettivo terminale. Come si vede dalla figura 5) lo spessore della metallizzazione non è costante ma è modulato decrescente dalla zona di contatto con la spruzzatura via via verso i bordi: in questo modo si eliminano i difetti della metallizzazione sottile e se ne mantengono i pregi poiché la corrente nelle armature di un condensatore è massima nella zona di contatto con la spruzzatura, dove la resistenza è più bassa, ed è uguale a zero nella zona dei bordi. L effettivo profilo utilizzato per la metallizzazione non è lineare, ma è la conseguenza di lunghi e approfonditi studi sul comportamento alle sollecitazioni termiche ed elettrodinamiche dei condensatori. Le perdite Joule essendo proporzionali al quadrato della corrente, sono sostanzialmente uguali a quelle di un condensatore normale per quanto riguarda la zona di contatto (spessori simili), mentre sono comunque trascurabili nella zona dei bordi anche se la resistenza è più elevata. La rigenerazione è principalmente affidata all armatura con resistenza più elevata: la scarica avviene con un energia molto inferiore a quella messa in gioco nei 9

10 condensatori normali e non danneggia le armature adiacenti (processo di autorigenerazione controllato). Nei condensatori normali, inoltre, verso fine vita oppure in seguito a sollecitazioni non previste il numero di scariche di rigenerazione aumenta. Come conseguenza si può avere una riduzione della resistenza d isolamento (l energia della scarica fa si che si rovinino anche gli strati adiacenti) con aumento delle perdite, della temperatura e alla fine l intervento della protezioni; nei condensatori 3Ut questo non avviene. Ovviamente il processo costruttivo del film metallizzato è più complesso ed anche l avvolgimento ed il montaggio dei condensatori richiedono maggiori precauzioni, in particolar modo per quanto riguarda il controllo dell umidità. Con questa tecnologia è possibile lavorare a gradienti di tensione più elevati con notevole aumento delle prestazioni: i condensatori 3Ut infatti garantiscono potenze reattive elevate in dimensioni particolarmente ridotte, permettendo la riduzione delle dimensioni dei quadri di rifasamento. Questo non avviene a scapito dell affidabilità: 3Ut significa infatti che questi condensatori vengono provati con una tensione pari a tre volte la tensione nominale, mentre quelli normali sono provati a due volte la tensione nominale, come previsto dalla normativa CEI-EN /2. Quindi il margine di sicurezza è maggiore. I vantaggi principali dei condensatori 3Ut sono: - migliori proprietà di rigenerazione: la quantità di gas prodotta dalle microscariche è limitata. Anche il corto circuito è molto più difficile che avvenga ed in ogni caso non c è una violenta produzione di gas con correnti elevate. Questo facilita l intervento del dispositivo di protezione contro le sovrapressioni, che diventa più affidabile. - possibilità di essere utilizzati anche in situazioni impiantistiche caratterizzate da forte presenza di armoniche. - aumento della potenza specifica (kvar/dm 3 ) con conseguente riduzione delle dimensioni dei sistemi di rifasamento. - miglioramento della robustezza nei confronti delle sovratensioni continuative e transitorie, per una maggiore affidabilità anche in impianti con presenza di sbalzi di tensione dovuti alla rete o a manovre sull impianto: i condensatori 3Ut infatti sono provati a tre volte la tensione nominale, da qui il loro nome. - migliore comportamento al corto circuito interno grazie alla speciale metallizzazione con spessore variabile. 10

11 Condensatori in carta bimetallizzata 3In Per i condensatori 3In si utilizza un foglio di carta bimetallizzata come supporto per le armature, e un film di polipropilene come dielettrico; l impregnazione avviene utilizzando olio dopo aver realizzato il vuoto nel condensatore. L utilizzo della carta bimetallizzata, l interposizione di polipropilene e l impregnazione in olio permettono l ottenimento di un prodotto particolarmente robusto, come si può vedere in figura 6. asse del condensatore polipropilene interposto + V terminale con spruzzatura metallica metallizzazione - V carta bimetallizzata Figura 6) Spaccato di condensatore in carta bimetallizzata 3In. Si noti l utilizzo della carta bimetallizzata come supporto delle armature e il film di polipropilene come dielettrico. La tecnologia costruttiva è quella dei condensatori per elettronica di potenza, che devono essere in grado di lavorare con correnti ad elevata frequenza e temperature interne di 85C. Sono quindi particolarmente indicati per utilizzo con forti distorsioni armoniche ed ambienti con condizioni termiche difficili. La variazione di capacità nel tempo è circa 1/5 di quella dei condensatori normali, grazie all utilizzo dell olio come impregnante: la vita utile può essere stimata in 30 anni con variazioni di capacità intorno al 5%. Sono utilizzati anche nella costruzione dei filtri di assorbimento dove la costanza della capacità nel tempo è essenziale, per garantire la frequenza di accordo del filtro. I vantaggi principali dei condensatori in carta bimetallizzata 3In sono: - resistenza elevata ai sovraccarichi di corrente (fino a tre volte il valore nominale). - una vita più lunga in rapporto ai condensatori standard in polipropilene. - variazione di capacità nel tempo trascurabile. 11

12 - possibilità di funzionamento senza problemi anche a temperature di esercizio molto elevate (fino a 85 C, mentre i condensatori in polipropilene possono lavorare fino a 55 C); - elevata tenuta alle correnti di picco, per sopportare un maggior numero di manovre di inserzione/disinserzione rispetto ai condensatori standard; - elevata tenuta alle armoniche in corrente, fino a tre volte la corrente nominale. Confronto tra le prestazioni dei condensatori per rifasamento industriale BT La seguente tabella 2) presenta un confronto sintetico tra le caratteristiche dei condensatori per rifasamento BT CRM (figura ) sia con tecnologia polipropilene standard, che in versione con polipropilene metallizzato ad alto gradiente (3Ut) che in versione carta bimetallizzata (3In). Tutti questi condensatori sono utilizzati nella produzione di sistemi automatici di rifasamento ICAR (MICROfix, MICROmatic, MINImatic, MIDImatic, MULTImatic) e quindi costituiscono l elemento fondamentale del rifasamento. Fig 7) Condensatori CRM Tipologia Potenza reattiva specifica (1) Vita utile (2) C/C per anno (3) Tenuta alle sovratensioni Sovraccarico in corrente (4) Tenuta alle correnti di picco (5) Affidabilità in servizio CRM std ottima ottima bassa buona buono buona buona 55C CRM 3Ut ottima ottima bassa eccellente ottimo ottima ottima 55C CRM 3In discreta eccellente trascurabile ottima eccellente eccellente eccellente 85C Tabella 2) Confronto prestazioni fra i vari modelli CRM di produzione ICAR (1) Rapporto tra la potenza reattiva di targa ed il volume del condensatore. (2) Con tensione, corrente e temperatura nominali (senza armoniche) (3) Perdita di capacità (media per anno di funzionamento alle condizioni nominali) (4) Valore efficace della corrente comprese le armoniche (5) Corrente di picco a seguito di fenomeni transitori in rete. (6) Temperatura ambiente, misurata a 10 cm dal condensatore. Max Temp. (6) 12

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