Strumenti all’altezza delle aspettative: le apparecchiature di misura HBM per le prove ad alta tensione

HBM ha fornito tre registratori di transitori della gamma Genesis High Speed al Laboratorio Alta Tensione KEMA di DNV GL ad Arnhem. I nuovi sistemi di acquisizione dati sostituiscono le apparecchiature LDS Nicolet che i Laboratori KEMA avevano adottato tra il 1995 e il 2000 e utilizzato fino a poco tempo fa. Il motivo principale per cui si è deciso di passare alle nuove apparecchiature di misura è stata l’applicazione della norma IEC 60060-2 (2010), che stabilisce le linee guida per l’esecuzione delle prove ad alta tensione e i requisiti delle tecnologie di misura utilizzate.

Le interruzioni di corrente possono avere conseguenze importanti

Nel Laboratorio Alta Tensione ci occupiamo di prove e certificazione di componenti ad alta tensione, apparecchiature elettriche e apparecchiature per la misurazione, la protezione e il controllo per la generazione e la distribuzione dell’elettricità. Oggi è sempre più importante sottoporre a prove e procedure di certificazione la sicurezza e il controllo degli impianti e dei sistemi ad alta tensione, poiché le infrastrutture elettriche sono sempre più complesse e vulnerabili. Le interruzioni di corrente possono avere conseguenze importanti, che spaziano da danni economici ingenti a situazioni potenzialmente letali a seguito del malfunzionamento di sistemi fondamentali. 

"Ci siamo costruiti un’ottima reputazione in questo settore. I nostri certificati KEMA Type Test sono riconosciuti a livello internazionale”.

John Mooren, ingegnere incaricato delle prove presso i Laboratori KEMA di Arnhem.

I Laboratori KEMA in breve

Le prove sugli impianti e sulle apparecchiature vengono effettuate presso il Laboratorio Alta Tensione e il Laboratorio Alta Potenza di Arnhem. Entrambi i laboratori fanno parte dei Laboratori KEMA che, a loro volta, appartengono alla divisione Energia di DNV GL. Il Laboratorio Alta Potenza effettua prove di corto circuito per definire la resistenza al corto circuito dei materiali. Sono stati utilizzati quattro generatori per creare una corrente di corto circuito pari a 8.800 MVA, che è stata successivamente aumentata a 13.000 MVA nel 2015 con l’acquisizione di due nuovi generatori.

Il Laboratorio Alta Tensione si occupa principalmente di prove e certificazioni di cavi e componenti ad alta tensione su richiesta dei produttori. Si tratta essenzialmente di prove dielettriche che definiscono le caratteristiche di isolamento dei materiali. Il laboratorio effettua anche un’ampia gamma di altre prove, come le prove di temperatura di trasformatori e impianti di commutazione, prove di resistenza che durano diversi mesi, taratura ad alta tensione e prove meccaniche di componenti quali dispositivi di isolamento e relè di sicurezza.

Prove dielettriche

Le prove dielettriche vengono effettuate utilizzando, tra le altre cose, la corrente alternata (c.a.), la corrente continua (c.c.) e l’impulso atmosferico (IA). I registratori di transitori di HBM vengono utilizzati per registrare le prove con impulso atmosferico. La forma d’onda standard della tensione a impulso atmosferico ha una durata frontale di 1,2 microsecondi e un tempo pari alla metà del valore di 50 microsecondi. Il sistema di registrazione dei transitori di HBM offre una frequenza di misurazione molto elevata, pari a 10 nanosecondi. La durata frontale della forma d’onda viene definita effettuando circa 120 misurazioni in 1200 nanosecondi. La tensione di picco di una forma d’onda della tensione a impulso atmosferico viene calcolata utilizzando un software a formule conforme alla norma IEC 60060-2. Questo software fa parte del sistema di computer HBM che elabora i dati di misura; i registratori di transitori della gamma Genesis High Speed di HBM sono particolarmente adatti per questo tipo di operazione.

Allestimento della prova per un sistema di cavi di 400 kV con un generatore di tensione a impulso di 2,6 MV e un partitore di tensione da 300 kV a destra. La cassetta EMC con il trasmettitore HBM è situata alla base del partitore.
Allestimento della prova per la taratura di un partitore di tensione da 700 kV con un generatore di tensione a impulso di 1 MV. Le cassette EMC con i trasmettitori HBM sono situate alla base di ciascun partitore.

Sovratensione da fulmine

La sovratensione da fulmine è causata da un generatore di tensione a impulso costituito da alcuni condensatori da 100 kV (o 200 kV) che si caricano e scaricano in serie. Il Laboratorio Alta Tensione dispone in totale di tre generatori di tensione a impulso. È possibile ottenere una tensione massima di 2,6 MV (13 condensatori da 200 kV ciascuno); sono possibili anche tensioni da 1,6 MV e 1 MV (16 o 10 condensatori da 100 kV ciascuno). Il valore di picco della tensione a impulso viene stabilito in accordo alle normative internazionali. Il valore di picco della tensione a impulso per sistemi ad alta tensione da 400 kV è pari a 1425 kV, per i sistemi a media tensione da 12 kV è pari a 75 kV.

Il laboratorio dispone di sei partitori ad alta tensione che vengono utilizzati per misurare le tensioni a impulso. Ogni partitore dispone di un trasmettitore digitalizzatore proprio, oltre a due sistemi di misura con cui è possibile misurare i segnali secondari. Sono presenti otto trasmettitori in totale, più tre sistemi di misura HBM/PC.

Un’altra novità è costituita dalla separazione dell’acquisizione dati e del trasferimento dei dati di misura al PC tramite fibra ottica. Ciò implica numerosi vantaggi, dal momento che elimina le interferenze e rende di conseguenza più precisa la misurazione dei dati. Anche la sicurezza risulta migliorata, poiché la fibra ottica impedisce la trasmissione delle scariche elettriche dovute all’alta tensione (l’esposizione a queste scariche potrebbe essere letale).

Perché sono state scelte delle nuove apparecchiature?

"Nel 2009 si è deciso di sostituire le apparecchiature esistenti. Questa decisione non è stata presa solamente a seguito del trasferimento nel nuovo laboratorio nel 2009, ma è stata essenzialmente il risultato delle modifiche apportate alla normativa IEC 60060 entrate in vigore nel 2010”. HVL partecipa alla commissione IEC, poiché desidera essere sempre aggiornata e garantire che le sue prove e le sue certificazioni siano sempre conformi alle normative più recenti. La normativa IEC 60060 descrive le condizioni che devono essere valide per tutte le prove ad alta tensione. Contiene definizioni e linee guida precise per la generazione della tensione richiesta per le prove e descrive i requisiti necessari per l’esecuzione delle prove con le tolleranze di misura ammesse, oltre ai requisiti applicabili ai sistemi di misura".

John Mooren, ingegnere incaricato delle prove presso i Laboratori KEMA di Arnhem.

Nel 2010 è stato approvato l’investimento proposto per l’acquisizione di nuove apparecchiature di misura ed è quindi stata indetta una gara d’appalto fra cinque produttori leader di mercato. Dopo una prima selezione, nel 2011 tre produttori sono stati invitati per delle dimostrazioni in laboratorio. La scelta finale, sulla base del miglior rapporto costi-rendimento, è caduta su HBM.

Scegliendo HBM, DNV GL in realtà ha potuto mantenere le stesse apparecchiature, poiché HBM aveva nel frattempo acquisito le attività di LDS Nicolet e messo sul mercato le sue apparecchiature rinnovate nel 2009 con il nome di Genesis High Speed. Questa linea di prodotti modulari è destinata all’acquisizione di dati e alla registrazione di transitori super-rapide. Le apparecchiature per l’acquisizione di dati sono utilizzate per le prove di resistenza, le prove balistiche, le prove di corto circuito e tensione a impulso atmosferico e altro.

Il software Perception

Screenshot del software Perception di HBM, in accordo alla norma IEC 60060-1 (2010) con il metodo del fattore k con adattamento della curva e filtro (verificato in accordo alla norma IEC 61083-2).
Le unità di ricezione e trasmissione della serie ISOB5600 di HBM sono installate in cassette EMC.

Implementazione

Le nuove apparecchiature sono state consegnate all’inizio del 2012. Queste apparecchiature comprendevano tre registratori di transitori ISOBE5600m della gamma Genesis Speed con frequenza di campionamento pari a 100MS/s, che corrisponde a 100 milioni di campioni al secondo. Un sistema ISOBE5600 è costituito da un’unità trasmettitore/digitalizzatore installata nell’ambiente della prova ad alta tensione e da un’unità di ricezione situata in un altro luogo che può essere connessa a un sistema di acquisizione dati o a un PC. La comunicazione tra trasmettitore e ricevitore avviene tramite fibra ottica, il che garantisce un isolamento elettrico totale tra la cella di prova e la sala di controllo. La soluzione comprende anche il software Perception di HBM per l’elaborazione dei dati di misura che esegue i calcoli descritti in IEC 60060-2.

I trasmettitori/digitalizzatori ISOBE5600t di HBM in HVL hanno degli attenuatori che elaborano i segnali in entrata, installati come unità fisse in una cassetta EMC, che fanno in modo che i risultati di misura non possano subire l’effetto dell’interferenza elettromagnetica. Le cassette EMC sono collegate ai ripartitori. I trasmettitori/digitalizzatori digitalizzano i segnali di misura e li rendono adatti alla trasmissione al ricevitore mediante un cavo in fibra.  Il modulo del software per l’analisi degli impulsi ad alta tensione (HV-IA) Perception fornisce un pannello di controllo per l’impostazione delle prove e un’interfaccia utente grafica con cui è possibile visualizzare la maggior parte delle funzioni, ad esempio come curve di tensione. Il ricevitore ISOBE5600r, unitamente a un pannello di controllo e a un PC, è installato in una sala di misura. I dati vengono presentati in LabVIEW tramite un’interfaccia con il software Perception.

La configurazione iniziale è stata autorizzata ed è diventata operativa nel 2012, per essere in seguito integrata con LabVIEW. L’ultima apparecchiatura Nicolet è stata dismessa alla fine del 2015 e il Laboratorio Alta Tensione di DNV-GL ha iniziato a usare esclusivamente le apparecchiature Genesis High Speed. Le nuove apparecchiature si sono rivelate molto più precise del sistema precedente poiché consentono di effettuare prove e emettere report in accordo alla normativa IEC 60060.

*I prodotti Genesis High Speed di HBM in precedenza erano presenti sul mercato sotto i marchi LDS Nicolet, LDS Dactron e Gould Nicolet. Il marchio Nicolet è di proprietà di Thermo Fisher Scientific Inc. Corporation. Gould è un marchio di Gould Electronics GmbH.