In che modo le armoniche di rete accelerano i danni ai condensatori? Meccanismi e contromisure

1. L'impedenza diminuisce con la frequenza, portando all'amplificazione della corrente armonica

Questa è la causa più fondamentale. La formula della reattanza capacitiva è:

Xc = 1 / (2πfC)

La reattanza capacitiva Xc è inversamente proporzionale alla frequenza f. Quando nella rete sono presenti armoniche di ordine superiore (come la 5ª, 7ª, 11ª, ecc.), l'impedenza del condensatore verso queste armoniche di ordine superiore diminuisce significativamente poiché le frequenze armoniche sono multipli interi della frequenza fondamentale.

Secondo la legge di Ohm I = U / Xc, anche quando l'ampiezza della tensione armonica è piccola, l'impedenza drasticamente ridotta fa sì che la corrente armonica che attraversa il condensatore si moltiplichi. Queste correnti armoniche sovrapposte spingono la corrente totale del condensatore ben oltre il suo limite nominale.

2. Aumento delle perdite dielettriche che porta alla rottura termica

La perdita attiva (riscaldamento) di un condensatore è determinata principalmente dalle perdite dielettriche, approssimativamente data da:

P ≈ U² · ω · C · tanδ

Le armoniche non solo apportano corrente aggiuntiva, ma aumentano anche direttamente la frequenza angolare ω. La potenza di perdita è proporzionale alla frequenza — più alta è la frequenza, più intenso è l'attrito di polarizzazione interno del dielettrico e maggiore è il calore generato.

Poiché la capacità di dissipazione del calore del condensatore è limitata, il surriscaldamento prolungato accelera l'invecchiamento del dielettrico isolante (come il film in polipropilene), degrada le prestazioni di isolamento e, in definitiva, porta alla rottura termica o alla deformazione per rigonfiamento.

3. Sovratensione e sovracorrente causate dalla risonanza armonica

Le reti elettriche contengono tipicamente un'induttanza di sistema (come l'induttanza di dispersione del trasformatore e l'induttanza della linea). Quando la reattanza capacitiva del condensatore eguaglia la reattanza induttiva del sistema a una determinata frequenza armonica, si verifica una risonanza parallela o una risonanza serie:

• Risonanza parallela: amplifica estremamente la tensione armonica a quella frequenza, sottoponendo il condensatore a una sovratensione di gran lunga superiore al suo valore nominale, accelerando l'invecchiamento dell'isolamento o causando persino una rottura diretta.
• Risonanza serie : amplifica drasticamente la corrente armonica nel ramo del condensatore, causando la bruciatura del condensatore per sovracorrente.

Anche senza una risonanza completa, l'effetto di "amplificazione armonica" in prossimità del punto di risonanza è sufficiente a danneggiare il condensatore in breve tempo.

4. Scarica parziale e invecchiamento dell'isolamento

Le tensioni armoniche ad alta frequenza presentano tipicamente fronti d'onda ripidi (alto du/dt). Questa tensione in rapida variazione innesca intense scariche parziali nei punti deboli dell'isolamento interno del condensatore, negli interstizi d'aria o ai bordi degli elettrodi.

La scarica parziale erode continuamente il dielettrico isolante, causando corrosione chimica e danni fisici che riducono significativamente la vita utile del condensatore.

5. Effetti sovrapposti

Nel funzionamento reale, un condensatore raramente sopporta una singola sollecitazione da sola. Invece, la corrente fondamentale è sovrapposta a più correnti armoniche, accompagnata dalla sovrapposizione della tensione fondamentale e delle tensioni armoniche. L'azione combinata di queste molteplici sollecitazioni rende le reali condizioni operative del condensatore di gran lunga più severe di quanto suggeriscano i valori nominali di targa.

Unità di condensatori in metallo grigio di diverse dimensioni dotate di boccoli isolanti su sfondo bianco