IEC 60270: cosa misura davvero una lettura di scarica parziale

Quando una cavità all'interno dell'isolamento di un pacchetto di film dielettrici subisce una rottura localizzata, la carica che si sposta è compresa tra picoCoulomb e nanoCoulomb e dura alcune decine di nanosecondi. Non è osservabile direttamente. Ciò che lo strumento rileva è l'impulso di corrente che tale rottura locale spinge attraverso la capacità propria del provino, e l'integrale di quella corrente è il valore che viene registrato. La norma IEC 60270 la definisce carica apparente proprio per questo motivo: è la carica che bisognerebbe iniettare ai terminali per riprodurre la stessa altezza di impulso.

Ne derivano due conseguenze, e sono la causa della maggior parte delle controversie tra fornitori e clienti.

In primo luogo, la lettura dipende dalle dimensioni del provino. Una barra trilaminare lunga 3 m può presentare tra conduttore e terra una capacità di 1,5–4 nF, mentre un campione di 80 mm ne presenta una frazione. Iniettando la stessa attività di cavità in entrambi, la parte più grande mostra ai terminali una carica apparente maggiore, perché una quota più elevata della corrente di impulso è disponibile sull'impedenza di misura. I confronti tra geometrie diverse sono pertanto significativi solo se il circuito di prova è descritto in modo completo.

In secondo luogo, la lettura dipende dal circuito. Il valore del condensatore di accoppiamento, la lunghezza dei condotti, la messa a terra, la banda passante e la posizione del calibratore modificano tutte il numero. Un risultato di 10 pC ottenuto in un laboratorio con un impianto compatto e schermato non è la stessa affermazione di un 10 pC misurato attraverso due metri di condotto non schermato, anche se entrambi i rapporti riportano «10 pC».

Per il fondo fisico di dove hanno origine le scariche in una barra, si rimanda alla introduzione alle scariche parziali; questa pagina riguarda la norma di misura che trasponde quella fisica in un numero.

Prima di qualsiasi misura di scarica parziale, un calibratore inietta nel circuito di prova una carica nota — 10 pC, 50 pC, 100 pC — e il fattore di scala dello strumento viene impostato a partire da tale iniezione. Il dettaglio che decide se il risultato è affidabile è dove viene iniettata la carica.

Il calibratore deve essere collegato in parallelo al provino, ai terminali del provino, con lo stesso circuito e la stessa messa a terra che saranno impiegati per la prova. Un calibratore agganciato all'ingresso dello strumento, oppure iniettato solo ai capi del condensatore di accoppiamento, dimostra soltanto che lo strumento conta gli impulsi; non dice nulla sul percorso che il vero impulso di scarica parziale compie attraverso i condotti del provino e l'impedenza di misura.

Due verifiche pratiche che vale la pena richiedere in ogni rapporto:

• Calibrazione prima e dopo la prova. Se il fattore di scala deriva nel corso di una sessione di 30 minuti, la seconda calibrazione lo mette in evidenza. La deriva indica di solito un collegamento allentato o una variazione della capacità parassita, e l'intera sessione va ripetuta anziché mediata.
• Precisione e data del calibratore. Un calibratore la cui ultima taratura risale a quattro anni prima, con una tolleranza del 5 %, consuma già metà del margine di un limite di accettazione di 10 pC.

L'errore classico nel lavoro sulle barre consiste nel tarare con il provino scollegato. Nel momento in cui la barra viene collegata, la sua capacità e l'induttanza dei condotti modificano la funzione di trasferimento, e l'iniezione di 50 pC diventa un'incognita ai terminali. Se l'impianto viene ricostruito dopo la calibrazione, la calibrazione è nulla. Il nostro stesso processo qualità tratta un circuito ricostruito come una prova nuova, non come una continuazione.

Un circuito convenzionale di scarica parziale a banda stretta è semplice: provino, condensatore di accoppiamento, impedenza di misura, amplificatore, rivelatore. La norma IEC 60270 ammette sia la rivelazione a banda stretta (tipicamente centrata tra 100 kHz e 1 MHz) sia quella a banda larga, e il compito della norma è rendere la lettura tracciabile, non prescrivere un unico circuito.

Le barre infrangono le ipotesi confortevoli in tre modi.

Capacità. Un pacchetto laminato con film PET o DLF è un condensatore distribuito, e il suo valore può essere elevato rispetto al condensatore di accoppiamento. Se quest'ultimo non è nettamente più grande del provino, l'impulso si divide in modo dipendente dalla geometria, e la calibrazione eseguita in un punto non rappresenta più l'intero provino.

Tempo di salita. La distanza tra conduttori in una barra è ridotta, per cui gli impulsi sono brevi e il loro spettro si estende verso frequenze elevate. Un rivelatore impostato su una finestra a banda stretta di 100 kHz può sottostimare gli eventi più rapidi; un impianto a banda larga li vede, ma percepisce anche una quota maggiore del rumore ambientale. Banda passante, guadagno e base dei tempi devono quindi figurare nel rapporto, non soltanto il valore in pC.

Geometria della terra. Una volta installata in un involucro, la barra contribuisce con i propri conduttori al percorso di terra. Provare un pacchetto nudo su banco, con un ritorno di terra che passa accanto al provino, produce letture che hanno un significato diverso rispetto allo stesso pacchetto imbullonato a un complesso di barra di rame nella sua orientazione finale. Se l'applicazione è un collegamento in corrente continua di un inverter, chiedere anche il contesto del progetto a bassa induttanza, perché la disposizione che riduce l'induttanza di anello modifica anche il punto in cui il campo si concentra.

Ogni numero di scarica parziale è una differenza tra segnale e fondo, e il modo onesto di riportarlo è dichiarare il fondo. Una regola di accettazione comune prevede che il fondo non superi la metà del limite di accettazione: con un limite di 10 pC, il fondo deve essere inferiore a 5 pC, e preferibilmente sotto i 2 pC. Un rapporto che mostra 9 pC misurati su un fondo di 8 pC non sta segnalando una scarica; sta segnalando un ambiente.

La discriminazione conta tanto quanto la sensibilità. Gli schemi risolti in fase (PRPD) distinguono i sospetti abituali:

• Cavità interne nel pacchetto di film si ripetono due volte per ciclo, sono sostanzialmente stabili in fase e crescono con la tensione in modo prevedibile.
• Corona dal condotto ad alta tensione o dal bocchettone si colloca in una fase fissa, spesso asimmetrica tra i semicicli, non si sposta riorientando il provino, ma scompare quando il condotto viene riposizionato diversamente.
• Attività superficiale sui bordi di taglio è irregolare, sensibile all'umidità e compare spesso solo al di sopra di una tensione di soglia che cambia da un giorno all'altro.
• Rumore di commutazione e di azionamento proveniente da banchi di prova per veicoli elettrici o inverter vicini è a banda larga e correlato con lo stato di funzionamento delle altre apparecchiature, non con la tensione applicata.

I metodi non convenzionali — rivelazione acustica, UHF o ottica — sono utili controlli incrociati per localizzare una sorgente, ma non sostituiscono la lettura calibrata in pC quando il criterio di accettazione è espresso in picocoulomb.

La norma IEC 60270 è una norma di misura. Definisce la grandezza, la procedura di calibrazione e i requisiti di rapporto. Non fissa deliberatamente alcun limite di accettazione, perché un limite dipende dal prodotto, dalla classe di tensione e dalla conseguenza del guasto.

Il limite viene da altrove: una norma di prodotto, una specifica del cliente o una regola interna di progetto. Nei complessi di apparecchiature di BT, la pratica di verifica e la ripartizione delle responsabilità tra prove di tipo e collaudi di routine sono stabilite nella IEC 61439. Le distanze in aria e le linee di fuga, che determinano lo sforzo di campo a cui è sottoposto l'isolamento, derivano dalla IEC 60664-1; per questo una discussione sulle scariche parziali priva di questi due numeri è incompleta.

In pratica, le specifiche delle barre lamellari nei lavori industriali e di e-mobility richiedono spesso qualcosa di simile a 10 pC a un multiplo dichiarato della tensione massima di sistema, mantenuto per un tempo dichiarato, con il criterio applicato allo stadio finale dopo una rampa di tensione. La tensione esatta, il tempo di mantenimento e il criterio devono essere trascritti per iscritto, perché tre fornitori che dichiarano «10 pC» possono provare a tre tensioni diverse. Un fornitore che riporta «senza scariche parziali» senza tensione e senza livello di fondo non ha riportato nulla.

C'è inoltre un punto di sequenziamento facile da perdere: una prova di scarica parziale eseguita prima della prova di rigidità dielettrica può essere invalidata da quest'ultima, che può condizionare o danneggiare una cavità marginale. Laddove entrambe sono richieste, l'ordine e la storia di condizionamento appartengono allo stesso documento. Trattiamo il versante di accettazione delle prove di tensione nella guida all'accettazione della prova di rigidità.

Un pacchetto pressato con film non è un dielettrico omogeneo. È costituito da strati di film, adesivo, rame e aria non espulsa del tutto, e i siti di scarica seguono questa struttura.

Cavità tra strati di film. La pressione e la temperatura di laminazione decidono quanta aria rimane all'interfaccia. Una cavità di alcune decine di micrometri di spessore tra due strati di PET è sottoposta al campo completo attraverso l'isolamento ed è la sorgente classica di scarica interna. Si tratta di una variabile di processo, non di progetto: due fornitori con disegni identici possono differire su questo punto.

Bordi del foglio e punti tripli. Dove il foglio di rame termina all'interno dell'isolamento, il campo si concentra sul bordo, e il punto in cui rame, film ed eventuale aria residua si incontrano è un punto triplo con sforzo accresciuto. Le bave lasciate dal taglio spostano ulteriormente tale concentrazione.

Bordi di taglio della parte finita. La faccia di taglio espone la struttura a strati; se il taglio è meccanico e il bordo è schiacciato o delaminato, il tracking superficiale e la scarica superficiale diventano possibili, soprattutto in presenza di elevata umidità.

Interfacce di prigionieri e inserti. Un inserto filettato pressato nel pacchetto crea un percorso in cui il campo incontra una parte metallica con finitura superficiale diversa e un eventuale microgap. Le cavità a queste interfacce sono il motivo per cui l'ispezione delle interfacce compare nella nostra guida all'ispezione di cavità e prova CT insieme alle prove elettriche.

Quale sito domini dipende dalla classe di tensione e dal numero di strati. Le barre per batterie a elevato numero di strati, con film sottili a BT, possono superare agevolmente la prova; la stessa costruzione a 1.000 V DC con un bordo di taglio inquinato può non superare un limite che avrebbe rispettato come campione. Per questo un risultato di scarica parziale va sempre riportato insieme alla geometria della parte su cui è stato misurato.

Una sola riga con scritto «SP < 10 pC, superata» non è verificabile. Sei elementi rendono un rapporto utilizzabile, e la loro assenza è un punto di negoziazione, non un dettaglio tecnico.

• Schema del circuito con capacità del provino, capacità di accoppiamento, impedenza di misura e disposizione della messa a terra disegnati come costruiti.
• Registrazione della calibrazione: modello del calibratore, data del certificato, carica iniettata, punto di iniezione e fattore di scala prima e dopo la sessione.
• Livello di fondo misurato con il provino eccitato alla stessa tensione ma, ove possibile, in assenza della sorgente di scarica, oppure misurato prima della rampa a circuito chiuso.
• Programma di tensione: stadi, velocità di rampa, tempi di mantenimento a ogni stadio e tensione alla quale è stato applicato il criterio.
• Letture e schema: qmax a ogni stadio più acquisizioni PRPD con guadagno e base dei tempi annotati, affinché un revisore possa capire se l'attività era interna, superficiale o corona.
• Criterio e dichiarazione: da quale clausola o requisito del cliente deriva il limite, e una dichiarazione chiara di superamento o non superamento a quella tensione.

Quattro segnali di allarme da sollevare prima dell'ordine d'acquisto: calibrazione citata senza il proprio punto di iniezione; assenza del valore di fondo; una tensione di prova inferiore alla tensione massima di sistema dell'applicazione; un rapporto in cui il valore di scarica parziale è riportato senza banda passante né guadagno. Ognuno di questi indebolisce l'affermazione, e nessuno si rimedia ripetendo la prova nello stesso laboratorio con le stesse omissioni.

Stampare questa lista e tenerla accanto allo strumento. È redatta per un provino di barra lamellare e presuppone che l'obiettivo sia un numero che qualcun altro possa sostenere.

• 1. Capacità del provino misurata e annotata, prima e dopo il collegamento.
• 2. Condensatore di accoppiamento di almeno un ordine di grandezza superiore alla capacità del provino, oppure deviazione spiegata.
• 3. Messa a terra a punto singolo, con il ritorno di terra non instradato sulla faccia del provino.
• 4. Fondo registrato alla tensione di prova, non a zero; obiettivo al di sotto della metà del limite di accettazione.
• 5. Calibratore iniettato ai terminali del provino, con il circuito finale nella sua posizione.
• 6. Calibrazione ripetuta al termine della sessione e confronto dei due fattori di scala.
• 7. Banda passante, guadagno e base dei tempi registrati nel verbale.
• 8. Stadi di tensione e tempi di mantenimento ricavati dalla specifica, compreso l'eventuale stadio di condizionamento.
• 9. Acquisizioni PRPD salvate a ogni stadio in cui compare attività, non solo allo stadio finale.
• 10. Criterio citato dalla propria fonte, e dichiarazione di superamento redatta contro la tensione effettivamente applicata.

Niente di tutto ciò trasforma una parte difettosa in buona, e niente è burocrazia fine a se stessa. Rende una parte buona dimostrabile — che è l'unico contributo che una misura di scarica parziale può offrire a una decisione di acquisto. Se la parte deve superare anche la qualifica meccanica, la stessa logica si applica al percorso da campione a serie, dove l'evidenza deve essere legata alla configurazione esatta che viene spedita.