Impiego di sensori elettromagnetici per la rilevazione del campo radiato dall’attività di scariche parziali nei sistemi di isolamento, per la diagnosi dell’affidabilità di componenti di macchine ed impianti elettrici

L'attività di ricerca è orientata allo sviluppo di sensori di campo elettromagnetico in una banda di frequenze tale da poter essere impiegati per le misure del campo radiato dall’attività di scariche parziali nei sistemi di isolamento di componenti e macchinari elettrici in alta tensione, in maniera del tutto non invasiva. Dato il carattere tipicamente impulsivo dei fenomeni elettrici legati all’attività di scariche parziali e considerata la durata tipica di tali fenomeni, la banda di frequenze da esplorare comprende uno spettro fino a qualche centinaio di megahertz: l’acquisto di un analizzatore di spettro di elevate prestazioni con uscita analogica, potrà essere di ausilio per la messa a punto di tali sensori. Per la valutazione delle prestazioni dei prototipi messi a punto, di fondamentale importanza risulterà anche il confronto con sensori eventualmente disponibili in commercio. L’attività di ricerca si baserà anche sull’impiego di modelli numerici sia del sensore che dell'intero sistema in prova; essi saranno impiegati principalmente per il rilievo delle scariche parziali che si innescano in un materiale isolante sottoposto a tensione con forma d'onda rettangolare. Utilizzando algoritmi per la reiezione del rumore basati sulla decomposizione Wavelet e, soprattutto, di tecniche, già sviluppate da alcuni componenti l’unità di ricerca, per il riconoscimento di scariche parziali in ambiente "rumoroso", saranno selezionate le sonde più efficienti che possono essere impiegate per misure di tipo real-time. Verranno effettuate anche indagini su provini, per i quali si cercherà di mettere a punto modelli di scarica ottenuti dalle misure in onda rettangolare e se ne verificherà la similitudine con i modelli di scarica tradizionali ottenuti con sollecitazione sinusoidale attraverso lo studio dei parametri statistici e dei pattern caratteristici. Si indagherà anche sulla possibilità di ottenere informazioni circa la localizzazione delle sorgenti di scarica e sull'intensità del processo di degrado dell’isolante, attraverso misure ottenute da più sensori di campo radiato posizionati opportunamente, processando i dati di misura in modalità differenziale. Tali misure verrebbero effettuate sfruttando un apposito banco di prova. Infine, si cercherà di adattare gli algoritmi di intelligenza artificiale sviluppati in questi ultimi anni da alcuni dei componenti dell'unità, alle misure effettuate con i nuovi sensori messi a punto per verificarne limiti e prestazioni. Le differenti caratteristiche in termini di ampiezza di banda e di sensibilità rispetto ai sensori tradizionali, appaiono certamente come gli aspetti più interessanti da indagare e ci si aspetta anche una certa positiva influenza sul rapporto segnale/rumore. Inoltre si pensa di sviluppare sensori e procedure di sincronizzazione del segnale di scariche parziali al fine di consentire il rilievo delle tensioni anche senza accoppiamento galvanico diretto e con una larghezza di banda sufficiente per rappresentare correttamente i dettagli dell'onda durante i transitori di accensione e spegnimento dei componenti degli inverter di alimentazione delle macchine elettriche, quando presenti. Si pensa, in particolare, di sviluppare una nuova tecnica che prevede di rilevare inizialmente la correlazione esistente fra la tensione di alimentazione dell'oggetto in prova ed un "clock" esterno. Quest'ultimo potrà essere costituito o da un segnale fornito da un oscillatore opportunamente sincronizzato o da un segnale UTC acquisito tramite GPS. Dopo questa fase di inizializzazione, il sistema di acquisizione dovrebbe essere in grado di auto-generare un segnale del tutto simile alla tensione di prova rendendosi da questa indipendente e consentendo una serie di vantaggi in termini di praticità e trasportabilità del sistema di misura stesso. In particolare, sarà messo a punto un sistema elettronico embedded, da connettere direttamente con il sensore di cam

L'attività di ricerca riguarderà inizialmente l'analisi delle prestazioni dinamiche di sensori campo elettromagnetico in una banda di frequenze tale da poter essere impiegati per le misure del campo radiato dall’attività di scariche parziali nei sistemi di isolamento di componenti e macchinario elettrici in alta tensione, in maniera del tutto non invasiva. In secondo luogo si indagherà sulla possibilità di ottenere informazioni circa la localizzazione delle sorgenti di scarica e sull'intensità del processo di degrado. L’idea è quella di ottenere tali informazioni attraverso misure ottenute da più sensori di campo posizionati opportunamente e che effettuano misure contemporanee ed i cui dati vengono processati in modalità differenziale. Tali misure verrebbero effettuate sfruttando un apposito banco di prova. Infine, si cercherà di adattare gli algoritmi di intelligenza artificiale sviluppati in questi ultimi anni, alle misure effettuate con questo nuovo tipo di sensori ed in presenza di tensione di tipo rettangolare per verificarne limiti e prestazioni. Le differenti caratteristiche in termini di ampiezza di banda e di sensibilità rispetto ai sensori tradizionali, appaiono certamente come gli aspetti più interessanti da indagare e ci si aspetta anche una positiva influenza sul rapporto segnale/rumore. Inoltre si pensa di sviluppare sensori e procedure di sincronizzazione del segnale di scariche parziali al fine di consentire il rilievo delle tensioni anche senza accoppiamento galvanico diretto e con una larghezza di banda sufficiente per rappresentare correttamente i dettagli dell'onda durante i transitori di accensione e spegnimento dei componenti degli inverter di alimentazione delle macchine elettriche, ove presenti. In particolare, si pensa di sviluppare una nuova tecnica che prevede, inizialmente, il rilievo della correlazione esistente fra la tensione di alimentazione dell'oggetto in prova ed un clock esterno. Dopo la fase di inizializzazione, il sistema di acquisizione sarà essere in grado di auto-generare un segnale del tutto simile alla tensione di prova rendendo il sistema stesso indipendente da essa e consentendo una serie di vantaggi in termini di praticità e trasportabilità del sistema di misura. Il sistema completo sarà infine validato mediante misure su macchine elettriche rotanti in esercizio. La possibilità di monitorare lo stato di un sistema di isolamento di componenti e macchinario elettrici in alta tensione in condizioni di normale esercizio, si è fatta negli ultimi anni sempre più concreta. A tal fine infatti, sono state sviluppate e approfondite diverse metodologie, basate sulla misura delle grandezze elettriche globali legate all’attività di scariche parziali e sulla elaborazione numerica dei dati di misura: in particolare sono stati messi a punto metodi di individuazione e di classificazione della tipologia delle sorgenti di scarica. Tali metodi consentono anche la valutazione dello stato attuale di degrado dell’isolamento del sistema, attraverso un’analisi di tipo differenziale dei dati di misura ottenuti in istanti temporali successivi. D’altra parte, anche se le tecniche di individuazione del numero e della tipologia di scariche all’interno di un dato materiale costituente l’isolamento del componente o del macchinario in esame, hanno raggiunto ormai una certa maturità, esse appaiono comunque poco affidabili con riferimento ad alcune tipologie di componenti. Ciò è dovuto, da un lato, alla impossibilità di raggiungere direttamente le parti di materiale isolante sede dell’attività di scariche parziali mediante l’impiego di sensori tradizionali; dall’altro, a causa dell'inevitabile presenza di un significativo livello di rumore che affligge le misure effettuate a monte dell'alimentazione delle sorgenti di scariche parziali. Partendo quindi dall’esperienza e dalle competenze mutuamente complementari maturate dai ricercatori coinvolti nel presente progetto