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VI Power POWER 22 - MAGGIO 2020 za dei consumatori. Una sottostazione di trasformazione tradizionale comprende un gran numero di componen- ti elettrici, disposti in diversi locali a seconda delle loro funzioni. Poiché l’aria è utilizzata come mezzo isolante, i componenti della sottostazione sono molto distanziati tra loro per garantire che lo spazio vuoto soddisfi i requisiti di isolamento. Pertanto, questo tipo di sottostazione elettrica determina un ingombro molto elevato. Inoltre, molti componenti della sottostazione sono esposti a condizioni ostili e questo comporta un pesante carico di lavoro di manutenzione. Un quadro isolato a gas con involucro metallico (GIS), che è un moderno dispositivo di distribuzione ad alta ten- sione, potrebbe aiutare a risolvere questi problemi (Fig. 1). Con un design ottimizzato e uno speciale gas isolante, il GIS integra in modo compatto tutti i componenti della sottostazione, a eccezione dei trasformatori. Rispetto alle sottostazioni tradizionali, il GIS presenta molti vantaggi, come un minore impatto ecologico, dimensioni comples- sive ridotte, maggiore affidabilità e minori esigenze di ma- nutenzione, che l’hanno reso ampiamente utilizzato negli ultimi anni. Sebbene un GIS sia generalmente più affidabile di una sottostazione convenzionale, le cariche elettriche accumu- late sulle superfici delle parti isolanti solide, come i rod, possono portare a guasti d’isolamento dopo un funziona- mento prolungato e causare gravi problemi di sicurezza. Tuttavia tutti i componenti sono racchiusi all’interno del sistema, quindi è molto difficile individuare e riparare il malfunzionamento del GIS, il che rende il guasto invisibi- le. Pinggao Group , filiale della State Grid Corporation of China , sta usando la simulazione multifisica per studiare possibili soluzioni al fine di sviluppare un GIS efficiente, stabile e affidabile. Analizzare il guasto d’isolamento del GIS Un GIS è molto più piccolo delle sottostazioni tradiziona- li, grazie al suo migliore isolamento. Tutti i componenti del sistema sono racchiusi in un guscio metallico messo a terra che viene riempito con esafluoruro di zolfo (SF 6 ), un gas inerte sintetico, per l’isolamento. La ragione per cui viene usato questo gas è che le sue capacità di isola- mento e di estinzione degli archi elettrici sono molto più elevate rispetto all’aria. Pertanto la distanza tra i compo- nenti all’interno del GIS può essere notevolmente ridotta. Quando un GIS funziona per un lungo periodo, le cariche elettriche si accumulano all’interfaccia tra il gas isolante e le parti isolanti solide. Quando la carica elettrica raggiun- ge un certo livello, le alte tensioni si accumulano e rom- pono l’isolamento del gas tra le diverse parti. Una scarica elettrica si libera anche lungo la superficie dell’isolante solido. Dopo una scarica parziale, il gas isolante ionizzato e le parti metalliche produrranno particelle decomposte, con conseguente rottura dei componenti dell’isolamento. Il guasto d’isolamento è un problema comune, che limita gli usi ingegneristici del GIS. Questo meccanismo di gua- sto è un problema complesso legato all’accoppiamento di molteplici fenomeni fisici, tra cui elettromagnetismo, trasferimento di calore e meccanica strutturale. Inoltre, ri- correre a esperimenti per indagare questo problema è dif- Fig. 2 – A sinistra: vista in sezione della geometria del componente del sistema di isolamento GIS. A destra: Distribuzione del campo elettrico DC nell’isolante e nell’ambiente circostante quando si applicano 100 kV