Come l’impregnazione sotto vuoto migliora l’isolamento dei condensatori di potenza

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L’impregnazione sotto vuoto è un importante trattamento dell’isolamento nei condensatori di potenza a film impregnati con liquido. Permette a un liquido isolante idoneo di penetrare nei piccoli interstizi interni, riducendo i punti deboli legati al gas residuo. Per comprenderne la funzione, partiamo dai film, dagli elettrodi e dagli interstizi all’interno del condensatore.

Perché gli interstizi interni influenzano l’isolamento?

Nei condensatori a film, una pellicola isolante separa due gruppi di elettrodi. Gli elettrodi possono essere fogli metallici separati oppure strati metallici depositati sul film, come nella figura 1.

Due strutture di condensatori a film: a sinistra fogli metallici separati alternati a film isolante; a destra elettrodi metallizzati depositati sul film.
Film e foglio metallicoFilm metallizzato
Figura 1 | Grigio: elettrodi; giallo: film isolante. Schema non in scala. Fonte: Elcap / Zerodamage, Wikimedia Commons, CC0.

Anche tra materiali ben compattati possono rimanere piccoli interstizi contenenti gas. In determinate condizioni di tensione e struttura, questi possono diventare punti di innesco delle scariche parziali. La scarica interessa solo una parte dell’isolamento e non attraversa l’intera distanza isolante tra gli elettrodi. È diversa dalla perforazione completa dell’isolamento, ma la sua ripetizione può danneggiare il film vicino.[1]

Come si integrano essiccazione e impregnazione sotto vuoto?

Tecnici davanti a una camera di trattamento sotto vuoto aperta, con condensatori collegati a tubazioni.
Figura 2 | Apparecchiatura per essiccazione e impregnazione sotto vuoto con lo sportello della camera aperto.
Condensatori disposti su un carrello di carico e collegati all’apparecchiatura tramite più tubazioni.
Figura 3 | Dettaglio dei condensatori collegati alle tubazioni di processo.

L’essiccazione sotto vuoto riduce la pressione aspirando il gas e si accompagna normalmente a un riscaldamento controllato, per favorire l’eliminazione di umidità residua e gas dagli interstizi e prepararli all’impregnazione. Anche il liquido isolante deve essere preventivamente depurato da umidità, particelle e gas, per limitarne la reintroduzione.[2]

Durante l’impregnazione, il liquido isolante trattato percorre i piccoli passaggi tra gli strati, riempiendo gli spazi prima occupati dal gas. Il film mantiene la sua funzione isolante; il riempimento con liquido contribuisce a migliorare le condizioni locali d’isolamento.[3]

Confronto concettuale degli interstizi: in A sono presenti vuoti con gas tra i film; in B gli interstizi accessibili sono riempiti di liquido isolante. Film solido ed elettrodi metallici restano in entrambi i casi.
A · Interstizi con gasB · Interstizi riempiti di liquido
Figura 4 | Grigio: elettrodi; blu scuro: film; azzurro: impregnante. Gli interstizi sono ingranditi a scopo illustrativo. Non è una sezione misurata né una garanzia di assenza di bolle o scariche parziali dopo l’impregnazione.

Il risultato dipende da materiali e condizioni di processo

Il risultato dipende dalla capacità del liquido di bagnare le superfici e penetrare nei piccoli passaggi, oltre che dalla compatibilità con film, elettrodi e materiali di tenuta. Anche temperatura, pressione e tempo di mantenimento devono essere adeguati al progetto; il solo valore di vuoto non descrive l’esito.

Il valore dell’impregnazione sotto vuoto consiste nel migliorare l’ambiente isolante interno del condensatore. L’affidabilità complessiva dipende anche da materiali, struttura, tenuta e condizioni d’uso e richiede verifiche sul prodotto specifico.

Progetti diversi adottano soluzioni diverse: i condensatori a secco a film metallizzato utilizzano sistemi di isolamento e incapsulamento differenti. L’assenza di impregnazione liquida non indica di per sé una qualità inferiore.

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Riferimenti accademici e ufficiali

Queste pubblicazioni spiegano meccanismi generali. Materiali, campioni e parametri di processo studiati non costituiscono specifiche dei modelli forniti tramite questo sito.

  1. R. Ozaki et al. (2024): Partial Discharge Characteristics when Applying Ramp Up and Down Voltage Waveform to an Oil-Gap Electrode Simulating Oil-Immersed Film Capacitors, IEEE ICPADM. Studio delle scariche parziali in un modello di interstizio in olio.
  2. J. A. Zelik e R. D. Parker (1977): Technological development of cylindrical and flat shaped high energy density capacitors, NASA-CR-135286, p. 69 dell’edizione stampata. Riferimento per distinguere l’essiccazione dell’elemento dal trattamento del liquido, non per adottarne materiali o parametri di processo.
  3. O. G. Gnonhoue et al. (2021): Review of Technologies and Materials Used in High-Voltage Film Capacitors, Polymers 13(5), 766, sezioni 2 e 4. Rassegna delle strutture a film e dei mezzi impregnanti.