Il presente lavoro si colloca all’interno del progetto MATEALT, WP GAS “Studio dei gas alternativi a SF 6 ” e sintetizza l’attività 2004/2005 svolta nella milestone G2 relativa alla “Progettazione e realizzazione di dispositivi AT ed MT in taglia ridotta”. Scelta l’anidride carbonica come alternativa a SF 6 , si è ritenuto necessario studiarne e sperimentarne: le caratteristiche di tenuta dielettrica in presenza di sollecitazioni elettriche di breve durata di vario tipo, in diverse configurazioni di campo elettrico ottenute variando distanza e forma degli elettrodi e la pressione del gas, il comportamento nel tempo (prove di lunga durata) in presenza di scariche parziali e la tipologia di prodotti di decomposizione, le caratteristiche chimico-fisiche durante la formazione e lo spegnimento dell’arco elettrico e la sua interazione con i materiali costituenti l’interruttore. Per ciascuna di queste tre applicazioni è stato quindi messo a punto un dispositivo di prova, studiando ed apportando opportune modifiche ad apparecchiature commerciali o progettandolo ex-novo. Dispositivo per prove di breve durata Sono state definite dapprima alcune caratteristiche del dispositivo: la tenuta a scarica, >200 kV a impulso e >150 kV per la forma d’onda a 50 Hz, in modo da ottenere un livello di isolamento dell’ordine di 36 kV secondo la norma IEC 60071-1, la tenuta a pressioni ≤ 20 bar assoluti e la necessità di un sistema che permettesse di variare la distanza fra gli elettrodi ed un trasduttore di posizione in grado di fornire il valore di tale distanza con una precisione dell’ordine di 0.1 mm. Poiché i poli di un interruttore commerciale di media tensione, classe di isolamento 36 kV, rispondono ai primi due requisiti e sono muniti di un sistema biella- manovella per la movimentazione dei contatti, si è pensato di utilizzare uno di questi poli per la realizzazione del dispositivo modificando opportunamente alcune parti. Il dispositivo è stato corredato di un sistema per il riempimento e lo svuotamento del gas, e per permetterne la lettura della pressione è stato sostituito il pressostato, montato sulla coppa del polo, con un trasduttore di pressione. Al fine di determinare l’effettiva distanza fra i due elettrodi, per studiare l’influenza di questo parametro sulla tenuta dielettrica di CO 2 e miscele, sull’albero di comando dell’elettrodo a terra è stato invece montato un trasduttore di posizione angolare di precisione. Sono stati realizzati i seguenti tipi di elettrodi: • 2 sfere di dimensioni φ 40 mm e φ 20 mm • 2 punte con diametro φ 4 mm e φ 2 mm • 2 piani, da usare come elettrodo posto a potenziale di terra, con diametro φ 120 mm e φ 80 mm. con i quali sono possibili configurazioni elettrodiche tali da ricreare i livelli di uniformità del campo elettrico E quanto più possibile vicine alla realtà, vale a dire:

null configurazione sfera-piano che simula un campo piuttosto uniforme come quello dei conduttori delle linee isolate in gas (GIL) o delle sbarre nelle sottostazioni in SF 6 (GIS), null configurazione asta-piano che si avvicinano a condizioni di campo elettrico molto disuniforme come quello di un sezionatore all’interno di una sottostazione isolata in gas. Dispositivo per prove di lunga durata Poiché dalle prove dielettriche di breve durata è emerso che solo la miscela CO 2 (80%)/O 2 (20%) presenta prestazioni migliori di CO 2 , si è ritenuto necessario sottoporre questi due mezzi gassosi a prove di lunga durata, in ambienti dove erano presenti difetti in grado di innescare scariche parziali in modo da verificare un eventuale degrado nel tempo della tenuta dielettrica, la presenza di prodotti di decomposizione solidi e gassosi, danni ai materiali circostanti. Il dispositivo realizzato da VATECH- Nuova Magrini Galileo consiste di 7 compartimenti a tenuta, muniti tutti di valvola di sicurezza con taratura 6.5 bar. Di questi compartimenti uno comprende tutta la parte centrale ed il passante AT, con classe di isolamento di 245 kV, tenuta di 375 kV alla frequenza di 50 Hz, isolato in SF 6 ad una pressione di ∼ 3 bar, mentre gli altri 6 comparti costituiscono le camere, in grado di tenere sia un vuoto di 10 -3 bar che una pressione massima di 7 bar, dove invecchiare i gas. Le camere 3 e 4 hanno una configurazione di riferimento con montato un elettrodo a semisfera, lato potenziale e non vi sono difetti che possano innescare scariche parziali. Le camere 1 e 2 sono identiche alle 3 e 4, tranne per la presenza di un anello, sporgente dall’elettrodo, per l’innesco di un corona. Le camere 5 e 6 presentano una configurazione asta-sfera per simulare quella di circuito aperto in un’apparecchiatura, con l’asta che può scorrere all’interno per una distanza massima di 110 mm, ed un sistema a leva, azionata dall’esterno, che permette di verificarne la corsa, attraverso una scala graduata. Completa il dispositivo un basamento per l’appoggio su una pedana mobile e la sua messa a terra ed un circuito per il riempimento e lo svuotamento delle camere ed il controllo della pressione del gas all’interno. Dispositivo per lo studio del fenomeno d’arco in un interruttore Si è stabilito che, per uno studio significativo dell’arco in CO 2 e miscela CO 2 (80%)/O 2 (20%), fosse necessario: riprendere il fenomeno con una videocamera ad alta velocità per seguirne l’evoluzione nel tempo; applicare tecniche spettroscopiche veloci, attraverso l’uso di una streak camera, per seguire nel tempo il fenomeno di dissociazione del gas ed identificare le specie in modo da risalire alla temperatura dell’arco nel tempo ed individuare eventuali interazioni con i materiali costituenti la camera; misurare la pressione d’arco; verificare l’usura dei contatti e di analizzarne al SEM le superfici; verificare la presenza di particelle carboniose derivanti dalla decomposizione della CO 2 ; prelevare il gas dopo l’interruzione per l’analisi gascromatografica; utilizzare materiali diversi per gli ugelli; verificare come cambia il fenomeno in funzione della tecnica di interruzione, scelta fra tecnologia puffer ed autopuffer, e della corsa dei contatti.

Pertanto si è pensato ad un dispositivo che fosse a tutti gli effetti un interruttore, con la parte centrale di dimensioni e forma opportune per offrire una buona visibilità all’interno e permettere l’accesso all’interno per le varie operazioni sopra elencate. E’ stata realizzata dapprima la camera sferica centrale corredata di 4 spie visive poste a 90° l’una dall’altra: 2 opposte, in vetro borosilicato, idonee per le riprese video e le altre due in zaffiro con luce di 25 mm, idonee alla spettroscopia dell’arco, ed interfacciabili anche ad un circuito per il riempimento/svuotamento del gas. Tramite due flange la sfera può essere accoppiata a quelle terminali dell’involucro in porcellana di un interruttore commerciale da 36 kV, 31.5 kA con tecnologia “autopuffer”. L’interno della sfera è rifinito in modo da non presentare asperità o rugosità tali da favorire innesco di scariche parziali e l’oggetto può lavorare in vuoto di 10 -3 mbar ed in pressione fino a 10 bar. Sono stati quindi acquistati i vari componenti dell’interruttore commerciale e sono state studiate le modifiche da apportare o le parti da realizzare ex novo in modo da avere al centro della sfera, visibili attraverso le 4 spie, i contatti fisso e mobile dell’interruttore. Per poter effettuare anche riprese video sul piano perpendicolare all’asse di movimento dei contatti, è stato modificato il piano di chiusura dell’involucro superiore in porcellana per munirlo di una spia visiva in cristallo delle stesse dimensioni e caratteristiche di quelli montati sulla sfera. All’involucro inferiore è invece connesso il meccanismo di movimentazione dei contatti. Sono state anche studiate le modifiche per trasformare la tecnologia dell’interruttore da autopuffer a puffer.