ITVA950008A1 - Apparecchiature di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione della loro energia per linee elettriche - Google Patents

Abstract

Sistema di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione di energia per linea elettrica comprende almeno un dispositivo elettrodico composto da una coppia di elettrodi distanziati tra loro e funzionalmente immersi in un mezzo costituito da una sospensione di particelle di un materiale piezoelettrico e piroelettrico in aria. Un elettrodo è accoppiato elettricamente ad un conduttore della linea e l'altro elettrodo a terra. Ciascun dispositivo elettrodico è dotato di mezzi di regolazione della distanza di separazione tra gli elettrodi per sintonizzare il sistema sulle dannose e distruttive armoniche di sovratensione in linea.

Description

"APPARECCHIATURE DI SMORZAMENTO DI SOVRATENSIONI E DI DISSIPAZIONE DELLA LORO ENERGIA PER LINEE ELETTRICHE"

La presente invenzione concerne apparecchiature di protezione delle linee elettriche (elettrodotti), che come e' noto sono strutture altamente a rischio per la loro intrinseca capacita' di attirare le fulminazioni e la loro grande estensione lineare sul territorio, contro le sovratensioni dirette e indirette provenienti dal corpo meteorico e dal sottosuolo .

Mentre i mezzi fino ad oggi impiegati a protezione degli elettrodotti si limitano a deviare a terra l'energia delle sovratensioni di origine atmosferica, con tutti i noti effetti dannosi e distruttivi da ciò' derivanti, le apparecchiature di nuova concezione oggetto della presente domanda di brevetto proteggono le reti elettriche di distribuzione ad alta, media e bassa tensione in particolare macchinari e apparecchiature, smorzando impulsi di tensione e di corrente di origine interna (per effetto di manovre e/o risonanze in linea) ed esterne all'impianto (di origine atmosferica e terrestre dirette e indirette) dissipando la loro energia sotto forma di calore.

Le apparecchiature dell'invenzione sono tarabili, cioè adattabili alle varie condizioni di lavoro comprese le piu' drastiche conservando le proprie intrinseche caratteristiche di lunga durata, e operando quindi in qualunque condizione di tensione maggiore di quella di regolazione perciò sono adatte a proteggere anche componenti elettronici delicati e sempre ottenendo la voluta sicurezza in armonia con l'ecosistema. Il potere di smorzamento può' spingersi fino a picchi di tensione dell'ordine dei milioni di volt e oltre e a picchi di corrente fino a 100 kA e oltre.

Le apparecchiature in oggetto, di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione della loro energia per una linea elettrica, sono in grado di poter essere facilmente tarate in modo da risultare reattive e quindi efficaci per la più ampia gamma di sollecitazioni elettromagnetiche ed elettrodinamiche della linea elettrica da proteggere e alla quale le apparecchiature di smorzamento-dissipazione sono elettricamente connesse.

A tensione nominale, cioè' in condizione di non intervento, tali apparecchiature naturalmente non sono dissipative e quindi non influiscono sul rendimento della linea.

La possibilità' di tarare le apparecchiature di smorzamento-dissipazione dell'invenzione in base alle caratteristiche proprie della linea elettrica, consente di efficacemente smorzare e dissipare continuamente le sollecitazioni elettromagnetiche ed elettrodinamiche (eminentemente di altissima frequenza) che si verificano continuamente nell'atmosfera e nel sottosuolo, un'accentuazione delle quali porta al raggiungimento di livelli di stress del mezzo fino a causarne il break-down elettromagnetico ed elettrodinamico. L'abilita' delle apparecchiature dell'invenzione di smorzare le sovratensioni e di dissiparne l'energia introdotta sulla linea elettrica (elettrodotto) dai continui scambi energetici che avvengono per via elettromagnetica ed elettrodinamica attraverso il mezzo atmosferico e terrestre, consente di realizzare e mantenere, anche in condizioni di accentuato stress del mezzo atmosferico e terrestre, un'ambiente locale non stressato e quindi prevenire fenomeni di break-down che investano direttamente la linea elettrica.

Sostanzialmente l'apparecchiatura di smorzamento e dissipazione dell'invenzione unipolare comprende un sistema con almeno due elettrodi funzionalmente immerso in un mezzo composito costituito da una sospensione di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico in aria quali quarzi, tormaline, emimorfiti e simili, un elettrodo del quale e" accoppiato elettricamente al conduttore della linea elettrica e l'altro elettrodo a terra. Tale apparecchiatura ad elettrodi e' fornita di mezzi di regolazione per adattarla alle caratteristiche della linea elettrica.

Secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione particolarmente adatta per linee elettriche ad alta tensione, il sistema di smorzamento-dissipazione comprende un primo sistema ad elettrodi funzionalmente operante in una sospensione di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico in aria come sopra definite aventi preferibilmente dimensioni tra il decimo di millimetro e tre millimetri e oltre, fornito di mezzi di regolazione, con funzione di "sintonizzatore" e da un secondo sistema ad elettrodi fisso, essenzialmente di dissipazione, funzionante in un letto di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico come sopra definite aventi preferibilmente dimensioni tra il milionesimo di metro e tre millimetri e oltre, e contenente preferibilmente anche particelle essenzialmente refrattarie quali dolomiti e simili aventi preferibilmente dimensioni fino a due -+- cinque millimetri e anche oltre, mescolate alle particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico quali quarzi, tormaline, emimorfiti e simili, in una certa percentuale (piu avanti indicata) ed eminentemente in prossimità' dell'elettrodo accoppiato a terra. Il sintonizzatore e' un risonatore multigamma, cioè' un elemento capace di determinare la soglia di frequenza oltre la quale lo smorzatore interviene smorzando le pericolose armoniche di sovratensione in linea e trasformando la loro energia in calore. Secondo una diversa forma tetrapolare o multipolare in genere di realizzazione dell'invenzione, un'apparecchiatura di smorzamento-dissipazione regolabile e' attuata in forma multipolare, in cui piu' sistemi ad elettrodi, ciascuno collegabile ad uno dei conduttori della linea elettrica da proteggere, sono· disposti in un singolo contenitore, distanziati gli uni dagli altri in un piano essenzialmente orizzontale, e funzionante in una sospensione di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico quali quarzi, tormaline, emimorfiti e simili aventi preferibilmente dimensioni tra il milionesimo di metro e i tre millimetri e oltre. I rispettivi elettrodi di regolazione accoppiati a terra dei diversi sistemi ad elettrodi, sono indipendentemente regolabili essendo spostabili lungo un asse passante per il punto mediano della distanza tra due elettrodi di linea adiacenti.

Anche secondo questa alternativa forma (multipolare) di realizzazione, l'apparecchiatura di smorzamento-dissipazione dell'invenzione consente, attraverso l'azione indipendente degli elettrodi di regolazione dei multipli sistemi ad elettrodi (uno per ogni conduttore della linea), di adattare la sensibilità· di ciascun sistema . in modo da assicurare contemporaneamente ad un perfetto isolamento dei conduttori della linea anche una elevata sensibilità' del sistema ad elettrodi operante in un mezzo comprendente particelle piezoelettriche e piraelettriche come sopra definite, le quali vengono portate in sospensione dal campo elettromagnetico indotto nello spazio ad elettrodi dalle sollecitazioni elettromagnetiche "captate" dai conduttori elettrici della linea.

I diversi aspetti delle apparecchiature dell'invenzione saranno piu' facilmente illustrati attraverso la seguente descrizione di alcune forme di realizzazione, qui riportata a puro titolo illustrativo e non limitativo, e facendo riferimento al disegni allegati, nei quali:

la Figura 1 e' uno schema illust.rat.ivo di un apparecchio di smorzamento-dissipazione di tipo unipolare secondo la presente invenzione;

la Figura 2 e' vista parziale del solo elemento ad elettrodi di sintonizzazione dell'assieme mostrato in una condizione di "riposo";

la Figura 3 mostra un'alternativa forma di realizzazione dell'elemento ad elettrodi di sintonizzazione;

la Figura 4 mostra un'alternativa forma di realizzazione dell'elemento ad elettrodi fisso di dissipazione del dispositivo dell'invenzione;

la Figura 5 e' uno schema di un apparecchio di smorzamento-dissipazione multipolare realizzato secondo la presente invenzione;

la Figura 6 e' una vista schematica in sezione dell'apparecchio ad elettrodi multipolare.

Nelle Figg. 1 e 2 e' schematicamente illustrato un sistema di smorzamento-dissipazione realizzato secondo la presente invenzione in forma unipolare. Il sistema di protezione di una linea elettrica prevede quindi l'impiego di almeno un'apparecchiatura unipolare come quella della Fig. 1, per ciascuna fase o piu' generalmente ciascun conduttore della linea elettrica.

L'apparecchiatura di smorzamento-dissipazione e' costituita da due elementi fondamentali collegati elettricamente in serie. Il . primo elemento denominato sintonizzatore (SINT) e' costituito da un sistema ad elettrodi regolabile il quale e' mostrato in una condizione di eccitazione in Fig. 1 e in una condizione di "riposo" in Fig. 2, nella quale sono anche identificati i vari componenti.

L'elemento di sintonizzazione SINT e' composto da un sistema ad elettrodi costituito da due elettrodi metallici astiformi 1 e 2, forniti di una terminazione "esterna" sferica 3 e A, e da elettrodi contrapposti 5 e 6 che possono avere una forma sferica o semisferica. Entrambi gli elettrodi 5 e 6 sono preferibilmente forniti di un anello di regolazione 7(8) registrabile in una certa posizione assiale rispetto al terminale sferico 5(6) e preferibilmente montato su una molla elicoidale 9(10) atta a permettere oscillazioni dell'anello rispetto alla sua posizione di registrazione, durante il funzionamento del sistema ad elettrodi.

Le strutture ad elettrodi possono essere di acciaio, ottone o altro materiale anche non metallico.

Il sistema ad elettrodi e' contenuto all'interno di un tubo 11 di materiale dielettrico, preferibilmente trasparente, ad esempio di pyrex o di vetro al quarzo o simili, per consentire un controllo visivo dello stato di eccitazione del sistema ad elettrodi dell'elemento di sintonizzazione.

All'interno del contenitore trasparente 11 che alloggia il sistema ad elettrodi e presente un certo quantitativo (carica) di materiale particolato piezoelettrico e piroelettrico 12 (ad esempio particelle di quarzo, tormalina, emimorfite e simili).

La carica particellare di materiale piezoelettrico e piroelettrico 12 e" tale da non sommergere, in condizioni di riposo, cioè' di staticità del materiale particellare, l'elettrodo sferico inferiore 6 del sistema ad elettrodi. Il contenitore tubolare trasparente 11 e' chiuso alle due estremità" da due campane 13 e 14 di lega leggera o altro materiale metallico o non metallico. La campana inferiore 14 può essere convenientemente fornita di un tappo 15 per facilitare le operazioni di carico/scarico del materiale particellare 12. La campana di chiusura superiora 13 e' libera di sollevarsi per effetto dell'espansione della sospensione gassosa contenuta all'interno del tubo trasparente 11 contro una forza elastica di contrasto esercitata da una molla 16 a sua volta contenuta all'interno di una cupola terminale 17. Il blocco-morsetto 18 sostiene l'asta superiore 1 e consente il collegamento del cavo 19 al conduttore di linea (F). Il sollevamento della campana superiore ' mobile 13 consente lo sfogo di sovrapressioni che si sviluppano all'interno del contenitore 11 in conseguenza del 1'attivarsi di micro scariche (microplasmi), pur trattenendo le particelle fluidificate di materiale piezoelettrica e piroelettrico 12 per l'effetto dei campi elettromagnetici nello spazio di separazione del sistema ad elettrodi.

L'intero assieme dell'elemento di sintonizzazione SINT può' essere contenuto in un involucro 20 preferibilmente trasparente di protezione, fornita di fori 21 per lo sfogo di sovrapressioni gassose. L'elemento di dissipazione (OISS) collegato in serie all'elemento di sintonia (SINT) e' costituito da un sistema ad elettrodi fisso avente due elettrodi metallici 22 e 23 immersi in un letto 24 di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico come sopra definite, contenuto all'interno di un involucro di materiale dielettrico 25 circondato da uno strato isolante 26 di particelle di un materiale refrattario quale dolomite e simili (elettromagneticamente inerte) contenuto da un involucro esterna 27 di materiale isolante.

In una posizione mediana rispetto alla posizione dei due elettrodi 22 e 23, almeno un'asta metallica captatrice di calore, ad esempio un bullone passante di rame 28 o altro metallo attraversa il letto di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico 24, le pareti del contenitore 25 e lo strato refrattario di coibentazione 26 e il contenitore esterno 27 ed e- termicamente accoppiato ad un collare dissipatore 29 ad esempio di lamiera di rame (o altro metallo) forato mediante il dado 30. Due morsetti terminali 31 e 32 consentono la connessione elettrica dell’elemento dissipatore all'elemento di sintonia e a terra (T). Il sistema può' essere contenuto all'interno di un involucro esterno dielettrico di protezione 33, fornito di fori di sfogo 34.

Opzionalmente un filtro-blocco Antimpatto (R) SCt 35 (Antimpatto e' un marchio registrato dalla Soc. INGELVA PARAFULMINI s.r.l.) può" essere collegato in serie al conduttore di terra 36 per prevenire la formazione dei fulmini da terra verso l'atmosfera attraverso il conduttore di linea (F).

Alternativamente come mostrato nelle Figg. 3 e 4, le estremità" degli elettrodi degli elementi SINT e DISS, ovvero i morsetti di collegamento, possono essere anche esterni all'involucro di protezione esterno dei sistemi.

La distanza efficace tra i due elettrodi contrapposti 5 e 6 del sistema ad elettrodi di sintonizzazione può" essere regolata in modo estremamente preciso sia regolando le distanze di separazione sia il posizionamento degli anelli 7 e 8, in modo da mantenere l'isolamento della fase entro i limiti imposti dalle vigenti normative senza indebitamente ridurre la sensibilità" dell'apparecchio di smorzamento-dissipazione.

La correttezza della regolazione e" verificabile attraverso prove di verifica dell'isolamento e osservando quindi l'attivazione del sistema ad elettrodi di sintonia attraverso i contenitori trasparenti 11 e 20. In questo modo e" possibile verificare la capacita" dell'elemento di smorzamento e dissipazione di attivarsi in conseguenza alla capatzione di energia elettromagnetica da parte della linea elettrica. Ciò' e' osservabile visivamente dalla fluidificazione delle particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico 12 nello spazio tra gli elettrodi e nell'osservazione dei "glows" (microplasmi) di dissipazione, con l'obiettivo di mantenere il sistema ad elettrodi dell'elemento di sintonia funzionante in una sospensione di particelle di materiale piezoelettrica e piraelettrico eccitabile fin dal minimo stress elettromagnetico. L'eccitazione del sistema ad elettrodi SINT innesca il processo di dissipazione dell'energia, in grande misura, nell'elemento di dissipazione DISS, attraverso micro scariche che hanno luogo nel letto fisso di materiale piezoelettrico e piroelettrico. Il dissipatore termico (28, 29 e 30), disposto nella parte centrale dell’elemento di dissipazione DISS, contribuisce a prevenire un eccessivo surriscaldamento del materiale granulare 24 nella zona centrale dello spazio tra gli elettrodi, che e' sede di un punto caldo durante i processi di dissipazione. Naturalmente, in casi limite, possono verificarsi fenomeni di parziale fusione delle particelle piezoelettriche e piroelettriche le quali precipitano sul fondo del contenitore senza alterare sensìbilmente la funzionalità’ del1 'apparecchio. Alla lunga il particellato piezoelettrico e piroelettrico alterato verrà' rimosso e sostituito da nuovo particellato in occasione delle periodiche operazioni di manutenzione.

E' stato provato che mescolando ai granuli di materiale piezoelettrico e piroelettrico, anche una certa percentuale di granuli di materiale refrattario inerte, quale ad esempio sabbia dolomitica o simili, specialmente nella parte del letto dì particelle piu" prossima all'elettrodo 23 collegato a terra, la durata del riempimento dell'elemento di dissipazione DISS può" essere notevolmente aumentata. Generalmente e' preferibile mescolare una certa quantità' di materiale refrattario al materiale piezoelettrico e piroelettrico in una percentuale volumetrica preferibilmente fino al 10-20% o anche oltre per un'estensione del letto preferibilmente fino a 20-30% o anche oltre dell'altezza complessiva.

Nelle Fìgg. 5 e 6 e' mostrata un'alternativa forma di realizzazione dell'apparecchiatura dell'invenzione in forma multipolare, particolarmente adatta per linee elettriche a bassa e inedia tensione.

Nell'esempio illustrato l'apparecchiatura e' quadripolare per una linea trifase con conduttore neutro. Con riferimento alle figure, i quattro conduttori della linea elettrica sono collegati ad altrettanti elettrodi preferibilmente sferici 37, 38, 39 e 40, opzionalmente attraverso una combinazione di fusibili 41, 42, 43 e 44.

I quattro elettrodi preferibilmente sferici sono uniformemente distanziati su un piano ideale orizzontale e risultano immersi in un letto di particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico 45 quali quarzi, tormaline, emimorfiti e simili. Un eguale numero di elettrodi di regolazione funzionalmente riferiti al potenziale di terra 46, 47,48 e 49 hanno i terminali interni a forma di dischi di materiale conduttore o semiconduttore, ad esempio un composto di silicio o un corpo sinterizzato di particelle cristalline di materiale conduttore o semiconduttore e simili. Ogni disco e’- montato sulla rispettiva asta metallica filettata 50 in modo da poter avanzare o retrarre lungo l'asse passante per il punto mediano della distanza tra due elettrodi metallici sferici adiacenti, collegati ad altrettanti conduttori della linea elettrica.

I quattro elettrodi regolabili 46, 47, 48 e 49 sono elettricamente collegati a terra, preferibilmente attraverso un filtro-blocco Antimpatto (R) SCt 51. La massa di particelle piezoelettriche e piroelettriche 45 non occupa l'intero volume interno del contenitore 52 e può" quindi essere fluidificata per effetto dei campi elettromagnetici ed elettrodinamici che si instaurano tra le diverse coppie di altrettanti sistemi ad elettrodi.

L'assetto geometrico degli elettrodi di regolazione 46, 47, 48 e 49 relativo agli adiacenti elettrodi sferici collegati ai conduttori della linea elettrica e' regolabile indipendentemente dalla posizione degli altri elettrodi in modo da ottimizzare la sensibilità" dell'apparecchio di smorzamento-dissipazione rispettando i vincoli di isolamento dei conduttori di linea.

II contenitore 52 può" avere una forma anche diversa da quella ovoidale illustrata in. figura ed e" composto da un fondo o semiguscio inferiore 52a di materiale metallico o non metallico o dielettrico preferibilmente trasparente, ad esempio di pyrex o di vetro al quarzo o simili per consentire 1'osservazione dello stato di eccitazione delle particelle di materiale piezoelettrico e piroelettrico come sopra definite e una precisa taratura del sistema ad elettrodi. Il coperchio o semiguscio superiore 52b può anche essere metallica e sostanzialmente opaco. Un diaframma di contenimento del particellato 52c di materiale dielettrico separa il volume inferiore dove sono disposti gli elettrodi dal volume superiore dove sono realizzate le connessioni elettriche degli elettrodi di linea.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione dell'energia ad esse associata per una linea elettrica comprendente almeno un dispositivo elettrodico composto da una coppia di elettrodi distanziati tra loro e funzionalmente immersi in un mezza costituito da una sospensione di particelle di un materiale piezoelettrico e piroelettrico in aria, un elettrodo essendo accoppiato elettricamente ad un conduttore della linea e l'altra a terra, ciascun dispositivo elettrodico avente mezzi di regolazione della distanza di separazione tra detti elettrodi per sintonizzare il sistema sulle dannose e distruttive armoniche di sovratensione in linea.
2. 2. Sistema di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione dell' energia ad esse associata come definito nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto altro elettrodo è accoppiato a terra tramite un secondo dispositivo elettrodico fisso contenuto all'interna di un contenitore elettricamente isolato riempito con un miscuglio di particelle di un materiale piezoelettrico e piroelettrico ed avente mezzi di captazione di calore immersi in detto riempimento di particelle atti a disperdere parte del calore prodotto dallo smorzamento delle sovratensioni attraverso la massa di riempimento particellato all'esterno di detto contenitore coibentato.
3. 3. Sistema di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione dell'energia ad esse associata secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi elettrodici hanno elettrodi metallici di forma sferica o semisferica.
4. 4. Sistema di smorzamento di sovratensioni e di dissipazione dell'energia ad esse associata per una linea elettrica secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta linea elettrica e' una linea trifase a quattro conduttori ciascuno dei quali e' collegato ad un elettrodo di un dispositivo elettrodico composito ad otto elettrodi immersi in un mezzo particellato di un materiale piezoelettrico e piroelettrico; ciascuno dei quattro elettrodi accoppiati a terra essendo costituito da un corpo di un materiale semiconduttore, la cui posizione relativa a due elettrodi adiacenti di detti quattro elettrodi collegati ai conduttori della linea e' regolabile indipendentemente dagli altri elettrodi di regolazione lungo un asse passante per il punto mediano della distanza tra detti due elettrodi adiacenti di linea
5. 5. Sistema come definito nella rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti quattro elettrodi di linea sono metallici e di forma sferica mentre detti quattro elettrodi di regolazione sono di un materiale semiconduttore e hanno la forma di un disco regolabilmente spostabile lungo detto asse.