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Le apparecchiature a media tensione si guastano quando le distanze di isolamento sono errate. Non in modo drammatico, ma in modo abbastanza silenzioso da manifestarsi mesi dopo la messa in servizio, dopo il superamento dei test di accettazione e dopo l'inizio del periodo di garanzia. La causa è spesso un'applicazione errata delle norme relative alle distanze di dispersione e di isolamento, in cui un progettista ha supposto che “quadro elettrico da 12 kV” significasse un numero, mentre lo standard ne richiedeva effettivamente un altro in base all'altitudine, all'inquinamento e al materiale isolante.
La distanza di dispersione è il percorso più breve tra due parti conduttive misurato lungo la superficie del materiale isolante. La distanza di sicurezza è la distanza più breve attraverso l'aria. Entrambe esistono per prevenire il flashover, ma la fisica - e i calcoli IEC 60664-1 - sono fondamentalmente diversi. Se si calcola erroneamente la distanza di dispersione su un isolante epossidico in una sottostazione costiera, la contaminazione della superficie crea una pellicola conduttiva. Se si calcola erroneamente la distanza di isolamento a 3.000 m di altitudine, la ridotta densità dell'aria consente la rottura a tensioni che sarebbero sicure a livello del mare.
Questa guida fornisce le formule di lavoro, le tabelle di riferimento delle classi di tensione e i fattori di regolazione sul campo necessari agli ingegneri per dimensionare correttamente le distanze di dispersione e le distanze di sicurezza per applicazioni a 12 kV, 24 kV e 40,5 kV, senza dover consultare ogni volta le 200 pagine della norma IEC 60664-1.
Il creepage impedisce il tracciamento superficiale. Il clearance impedisce la rottura dell'aria. I meccanismi di guasto sono diversi, quindi le distanze richieste sono diverse, anche per la stessa classe di tensione.
Distanza di dispersione dipende da:
Sgombero dipende da:
Un isolatore da 12 kV in una sottostazione interna pulita (grado di inquinamento 1) potrebbe richiedere una distanza di dispersione di 20 mm, ma solo una distanza di isolamento di 10 mm. Lo stesso isolatore in un cementificio (grado di inquinamento 3) richiede una distanza di dispersione di 40 mm, ma la distanza di isolamento rimane di 10 mm, poiché la rottura dell'aria non è influenzata dalla contaminazione superficiale.
Regola pratica: in tutte le applicazioni reali, la distanza di dispersione deve essere maggiore della distanza di isolamento. Non è possibile sostituire la distanza di isolamento con la distanza di dispersione. La clausola 4.2 della norma IEC 60664-1 stabilisce esplicitamente che la distanza di dispersione e la distanza di isolamento sono requisiti indipendenti; entrambi devono essere soddisfatti.Comprensione Come funzionano gli interruttori automatici sottovuoto fornisce il contesto per spiegare perché è importante un adeguato coordinamento dell'isolamento: anche lievi carenze di distanza di dispersione possono causare guasti di tracciamento che compromettono l'affidabilità dei quadri elettrici.
La norma IEC 60664-1 fornisce valori di distanza di dispersione di base per diversi gradi di inquinamento e gruppi di materiali. Per i quadri di media tensione, Gruppo di materiali IIIa (CTI 175–249, tipico per la resina epossidica riempita) è il più comune.
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Tabella 1: Distanza minima di dispersione (mm) per grado di inquinamento 2
(Ambiente industriale interno, inquinamento non conduttivo con condensa occasionale)
| Tensione di sistema | Fase-terra (kV) | Fase-fase (kV) | Creepage (mm) – Materiale IIIa |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 7,2 kV | 12 kV | 25 mm |
| 24 kV | 13,8–14,4 kV | 24 kV | 50 mm |
| 40,5 kV | 23–24 kV | 40,5 kV | 85 mm |
Fonte: IEC 60664-1:2020, Tabella F.4, interpolata per il Gruppo di materiali IIIa, Grado di inquinamento 2, Categoria di sovratensione III.[FINE BLOCCO HTML]
Regolazione del grado di inquinamento:
Nelle nostre installazioni in oltre 50 sottostazioni costiere, applichiamo costantemente moltiplicatori di grado di inquinamento 3 per qualsiasi ambiente esterno o marino. Una RMU da 12 kV per esterni che supera il test con una distanza di dispersione di 25 mm in ambienti interni richiede 40 mm minimo (25 × 1,6) nella nebbia salina costiera.
I valori di distanza dipendono dall'altitudine e dalla categoria di sovratensione. A livello del mare (≤1000 m), la norma IEC 60664-1 fornisce i valori di base. Al di sopra dei 1000 m, la distanza deve aumentare per compensare la minore densità dell'aria.
Tabella 2: Distanza minima (mm) al livello del mare (≤1000 m di altitudine)
Categoria di sovratensione III (livello di distribuzione, tipico per quadri elettrici MV)
| Tensione di sistema | Tensione di picco di esercizio (kV) | Altezza da terra (mm) | Distanza tra le fasi (mm) |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 10,2 kV di picco | 14 mm | 18 mm |
| 24 kV | 20,4 kV di picco | 28 mm | 36 mm |
| 40,5 kV | 34,5 kV di picco | 50 mm | 65 mm |
Fonte: IEC 60664-1:2020, Tabella F.2, Categoria di sovratensione III, campo non uniforme.[FINE BLOCCO HTML]
Correzione dell'altitudine: Per ogni 1000 m sopra il livello del mare, moltiplicare la distanza di sicurezza per il fattore di correzione secondo IEC 60664-1 Allegato A:
Fattore di correzione dell'altitudine = 1 + (H – 1000) / 8500
Dove H = altitudine in metri.
Esempi:
• Altitudine 2000 m: fattore = 1,12 → la distanza di sicurezza da 12 kV aumenta da 14 mm a 16 mm
• 3000 m di altitudine: fattore = 1,24 → la distanza di sicurezza da 28 mm aumenta a 24 kV. 35 mm
• 4000 m di altitudine: fattore = 1,35 → la distanza di sicurezza da 40,5 kV aumenta da 50 mm a 68 mm
I test effettuati su 75 impianti minerari ad alta quota (2500-4200 m) hanno confermato che ignorare la correzione dell'altitudine crea un rischio misurabile di flashover. Abbiamo osservato attività di scarica parziale su sbarre collettrici da 24 kV con una distanza di 30 mm a 3500 m: la distanza corretta avrebbe dovuto essere di almeno 37 mm.
Per Applicazioni di commutatori ad alta quota, sia la distanza di dispersione che quella di sicurezza richiedono un'attenta verifica in base alle condizioni specifiche del sito.
Un sistema a 12 kV ha una tensione linea-linea di 12 kV, ma solo 7,2 kV fase-terra (12 / √3 ≈ 6,93 kV RMS, 9,8 kV di picco). Se si specifica un isolatore fase-terra utilizzando il valore di 12 kV, si sta sovradimensionando di 70%, con conseguente spreco di spazio e costi.
Al contrario, specificare un isolante fase-fase utilizzando la distanza fase-terra costituisce una violazione delle norme di sicurezza. Verificare sempre se la coordinata di isolamento è L-N o L-L prima di cercare i valori di distanza di dispersione/distanza minima.
Controllo sul campo: Misurare l'installazione effettiva. Se un isolatore a palo collega la fase A alla terra, la tensione rilevante è quella tra fase e terra. Se separa le fasi A e B, utilizzare i valori tra fase e fase.
Una richiesta di preventivo generica come “isolatore epossidico da 12 kV, per uso interno” non specifica il grado di inquinamento. Un fornitore potrebbe ipotizzare un grado di inquinamento 1 (pulito), consegnare un componente con una distanza di dispersione di 15 mm e soddisfare tecnicamente i requisiti di conformità “12 kV”, ma il prodotto potrebbe non funzionare correttamente se l'ambiente effettivo presenta un grado di inquinamento 2 o superiore.
Migliori pratiche: Specificare esplicitamente il grado di inquinamento nelle richieste di preventivo:
Abbiamo misurato i guasti di tracciamento su 18 scatole di contatto da 12 kV in un cementificio dopo 14 mesi. Causa principale: il fornitore ha fornito componenti classificati PD1 (linea di fuga di 15 mm) invece che PD3 (40 mm). La polvere di cemento e l'umidità hanno creato percorsi conduttivi al di sotto della soglia di 15 mm.
Le tabelle di base IEC 60664-1 ipotizzano un'altitudine ≤1000 m. Al di sopra di tale quota, la densità dell'aria diminuisce di circa 12% ogni 1000 m, riducendo proporzionalmente la tensione di rottura. Un isolatore da 12 kV con una distanza di 14 mm (specifiche a livello del mare) subirà un flashover a tensione ridotta se installato a 3000 m di altitudine, a meno che la distanza non venga aumentata a 17 mm (14 × 1,24).
Questo è particolarmente importante per installazioni di interruttori automatici sottovuoto nelle regioni minerarie o altipianiche, dove l'altitudine può superare i 4000 m e l'altezza libera deve essere aumentata di 35% o più.
Soluzione pratica: Se durante la messa in servizio si riscontra uno spazio libero insufficiente, le opzioni sono limitate: non è possibile aggiungere aria. Soluzioni:
Le superfici piane offrono il percorso di dispersione più breve. L'aggiunta di nervature (barriere verticali perpendicolari alla direzione di dispersione) o tettoie (dischi sporgenti che costringono il percorso a salire e superare l'ostacolo) aumenta la distanza di dispersione effettiva senza aumentare proporzionalmente le dimensioni del componente.
La norma IEC 60815-3 definisce le regole per il calcolo della distanza di dispersione effettiva in presenza di nervature/tettoie. Punti chiave:
Per un isolatore da palo da esterno da 12 kV che richiede una distanza di dispersione di 40 mm (grado di inquinamento 3), un design cilindrico semplice avrebbe un diametro minimo di 40 mm. L'aggiunta di tre gocciolatoi da 5 mm consente di ottenere la stessa distanza di dispersione di 40 mm in un corpo di 25 mm di diametro, con un notevole risparmio di spazio in termini di compattezza. progettazione di componenti per quadri elettrici.
Formula semplificata per il creepage dello shed (formula semplificata):
Percorso totale = Σ (altezza verticale + 2 × lunghezza della sporgenza) per ciascun capannone.
Esempio: 3 capannoni, ciascuno con 5 mm di verticalità, 6 mm di sporgenza:
Creepage = 3 × (5 + 2×6) = 3 × 17 = 51 mm
Nelle nostre installazioni nelle sottostazioni marine, i modelli con nervature/scanalature hanno costantemente superato le superfici lisce in condizioni di nebbia salina. Il tracciamento superficiale si è verificato con una frequenza inferiore di 60% sugli isolatori di tipo scanalato rispetto agli equivalenti in resina epossidica liscia, anche quando la distanza nominale era identica.
Il percorso di dispersione e la distanza di sicurezza non possono essere testati elettricamente durante il collaudo di routine: o si misura la distanza fisica o non si misura. Tuttavia, è possibile verificarne la conformità:
1. Misurazione fisica
Utilizzare calibri per la distanza (distanza in linea retta nell'aria). Utilizzare un filo metallico flessibile o uno spago per la distanza di dispersione (seguire il percorso effettivo sulla superficie, compresi i bordi/le sporgenze). Confrontare i valori misurati con i disegni di progettazione e i requisiti della norma IEC 60664-1.
2. Convalida del grado di inquinamento
Verificare che il grado di inquinamento ipotizzato corrisponda all'ambiente di installazione effettivo. Se la richiesta di preventivo specifica PD2 ma il sito è soggetto a forte presenza di polvere o nebbia salina, il componente potrebbe essere sottodimensionato anche se le dimensioni sono corrette.
3. Controllo dell'altitudine
Verificare l'altitudine del sito e confermare che i valori di spazio libero siano stati corretti se >1000 m. Questo aspetto viene spesso trascurato nei flussi di lavoro dei costruttori di pannelli, dove i progetti standard vengono copiati in progetti con altitudini diverse.
4. Prova di scarica parziale (PD) (facoltativo, ma consigliato per installazioni critiche)
Applicare una tensione pari a 1,5 volte quella nominale e misurare l'attività PD. Se la PD supera i 10 pC alla tensione nominale, è probabile che la distanza di dispersione o la distanza di isolamento siano insufficienti. La norma IEC 60270 definisce i metodi di misurazione.
Una guida completa all'accettazione sul campo è fornita nella norma IEC 60694 (clausole comuni per i quadri elettrici ad alta tensione). Per le prove specifiche sugli isolatori, la norma IEC 60660 riguarda i montanti isolanti e la norma IEC 61462 riguarda gli isolatori compositi cavi.
La distanza di dispersione e il gioco non sono parametri “sufficientemente vicini”. Sono binari: soddisfano lo standard o falliscono in servizio. Un isolatore da 12 kV con una distanza di dispersione di 20 mm invece di 25 mm potrebbe funzionare per mesi o anni in ambienti interni, fino a quando l'umidità aumenta, l'inquinamento si accumula o l'installazione viene spostata in un ambiente più ostile. A quel punto si verificano tracciamenti, scariche elettriche e guasti.
Le tabelle contenute in questa guida forniscono valori di riferimento per applicazioni a 12 kV, 24 kV e 40,5 kV, ma tre variabili richiedono sempre un adeguamento specifico al sito: grado di inquinamento, altitudine e coordinata di tensione effettiva (L-N vs L-L). Se si ignora una di queste variabili, il calcolo risulterà errato.
Un corretto coordinamento dell'isolamento inizia con una corretta dimensionatura della distanza di isolamento e della linea di fuga. Se eseguito correttamente, l'isolamento è invisibile. Se eseguito in modo errato, è la causa principale di misteriosi scariche elettriche che nessun test è in grado di prevedere, poiché i test hanno convalidato valori di progettazione che non corrispondono alle reali condizioni di installazione.
D1: Qual è la differenza tra distanza di dispersione e distanza di sicurezza?
La distanza di dispersione è il percorso più breve tra due parti conduttive misurato lungo la superficie del materiale isolante. La distanza di isolamento è la distanza in linea retta più breve attraverso l'aria. La distanza di dispersione impedisce il tracciamento superficiale causato dall'inquinamento e dall'accumulo di umidità; la distanza di isolamento impedisce la rottura dell'aria. Entrambe sono requisiti indipendenti secondo la norma IEC 60664-1: non è possibile sostituire l'una all'altra. Le applicazioni MV tipiche richiedono distanze di dispersione 2-4 volte maggiori rispetto alla distanza di isolamento, poiché la contaminazione superficiale rappresenta un rischio a lungo termine maggiore rispetto alla rottura dell'aria a tensione di esercizio normale.
Q2: Come posso determinare il grado di inquinamento corretto per la mia applicazione?
La norma IEC 60664-1 definisce quattro gradi di inquinamento: (1) Ambienti interni puliti, senza inquinamento conduttivo; (2) Ambienti interni industriali, inquinamento non conduttivo con condensa occasionale; (3) Inquinamento conduttivo o condensa frequente (zone costiere, industria pesante); (4) Ambienti esterni estremi con inquinamento conduttivo persistente. Per la maggior parte dei quadri elettrici MV: le sottostazioni interne utilizzano PD2, le installazioni esterne o costiere utilizzano PD3, i climi desertici/estremi utilizzano PD4. In caso di incertezza, specificare un grado superiore rispetto ai casi limite: una sottovalutazione del grado di inquinamento è la causa principale dei guasti di tracciamento durante il servizio. I rilievi in loco che mostrano l'accumulo di polvere, i modelli di umidità e la vicinanza all'acqua salata o alle emissioni industriali forniscono prove concrete per la selezione del grado.
Q3: È necessario regolare la distanza di isolamento e la distanza minima per le installazioni ad alta quota?
La distanza di sicurezza deve essere aumentata al di sopra dei 1000 m di altitudine perché la densità dell'aria diminuisce, riducendo la resistenza alla rottura. Il fattore di correzione è: 1 + (altitudine – 1000) / 8500. A 3000 m, moltiplicare la distanza di sicurezza a livello del mare per 1,24; a 4000 m, moltiplicare per 1,35. La distanza di dispersione non richiede correzioni in base all'altitudine, poiché la tracciabilità superficiale è indipendente dalla densità dell'aria. Questa asimmetria è fondamentale: un isolatore da 24 kV a 3500 m richiede una distanza di sicurezza di 28 mm × 1,29 = 36 mm, ma la distanza di dispersione rimane di 50 mm (grado di inquinamento 2, materiale IIIa). Le correzioni in base all'altitudine si applicano a tutte le installazioni esterne e interne al di sopra dei 1000 m di altitudine.
Q4: Posso utilizzare lo stesso valore di distanza di isolamento per gli isolatori fase-terra e fase-fase?
No. La tensione fase-fase è pari a √3 volte la tensione fase-terra (per un sistema a 12 kV: 12 kV L-L contro 7,2 kV L-N). La linea di fuga è proporzionale alla tensione, quindi un isolatore fase-fase richiede circa 1,7 volte la linea di fuga di un isolatore fase-terra con la stessa classe di tensione del sistema. Per 12 kV Grado di inquinamento 2: fase-terra richiede ~25 mm di distanza di isolamento, fase-fase richiede ~40 mm. Verificare sempre la coordinata di tensione effettiva dei ponti dell'isolatore: misurare la geometria installata è più affidabile che basarsi sui disegni, specialmente in caso di retrofit o assemblaggi di pannelli in cui le specifiche possono essere ambigue.
D5: Cosa succede se la mia apparecchiatura ha una distanza di dispersione insufficiente?
Una distanza di dispersione insufficiente consente il tracciamento superficiale, ovvero una graduale erosione del materiale isolante causata dalla corrente di dispersione in presenza di umidità e inquinamento. Il processo è progressivo: la contaminazione crea micropercorsi, la corrente di dispersione riscalda la superficie, si formano depositi di carbonio, la conduttività aumenta e alla fine si verifica un flashover. Il tempo di guasto tipico varia da 6 mesi a 5 anni a seconda della gravità. Le riparazioni sul campo sono limitate: è possibile applicare rivestimenti conformi per aumentare la distanza di dispersione effettiva di 10-20%, pulire regolarmente le superfici per rallentare l'accumulo di contaminazione o sostituire gli isolatori con parti correttamente classificate. La riduzione della classe di tensione è l'ultima risorsa che potrebbe non essere fattibile per le installazioni esistenti.
D6: In che modo le nervature e le coperture aumentano la distanza di dispersione effettiva?
Le nervature (barriere verticali) e le sporgenze (dischi sporgenti) costringono il percorso di dispersione a salire, superare e aggirare gli ostacoli invece di seguire una linea retta lungo la superficie. La norma IEC 60815-3 definisce le regole di conteggio: le nervature devono avere una profondità ≥1 mm, le sporgenze devono sporgere di ≥2 mm e la distanza deve essere ≥3 mm per evitare l'accumulo di umidità. Una formula semplice per il percorso di dispersione dello shed: totale = Σ(altezza verticale + 2 × sporgenza) per shed. Esempio: 3 sporgenze a 5 mm di altezza, 6 mm di sporgenza = 3 × (5 + 12) = 51 mm di percorso di fuga effettivo. Ciò consente di realizzare progetti compatti: un isolatore nervato di 25 mm di diametro può raggiungere lo stesso percorso di fuga di un cilindro liscio di 40 mm, fondamentale per i pannelli MV con spazio limitato.
D7: Quale gruppo di materiali devo specificare per gli isolanti epossidici nei quadri elettrici MV?
Il gruppo di materiali IIIa (CTI 175-249 secondo IEC 60112) è lo standard per le resine epossidiche riempite utilizzate nei componenti degli interruttori MV: scatole di contatto, isolatori a palo, boccole a muro. Il gruppo I (CTI ≥600) è riservato alle ceramiche ad alte prestazioni, raramente necessarie alle tensioni MV. Il gruppo IIIb (CTI 100-174) è destinato alle plastiche di qualità inferiore, non adatte all'isolamento primario MV. Quando le specifiche RFQ omettono il gruppo di materiali, i fornitori possono utilizzare di default il Gruppo II (CTI 400-599), che richiede una distanza di dispersione inferiore rispetto al IIIa, ma costa di più e non offre alcun vantaggio funzionale per le tipiche applicazioni MV. Specificare esplicitamente “Gruppo di materiali IIIa secondo IEC 60664-1” garantisce l'applicazione delle tabelle di dispersione corrette ed evita costi inutili.
