Problemi di progettazione relativi ai connettori ad alta tensione

I connettori progettati per tali applicazioni devono rispondere a particolari requisiti di sicurezza e superare alcuni particolari ostacoli progettuali.

Cos'è l'alta tensione?

La definizione numerica di alta tensione dipende dal contesto. Per definire una tensione come "alta tensione" vengono presi in considerazione due fattori: la possibilità di causare una scintilla in aria e il pericolo di folgorazione da contatto o vicinanza. Le definizioni possono fare riferimento alla tensione tra due conduttori di un sistema o tra conduttore e terra.

In contesti quotidiani, una tensione maggiore di 50 V applicata attraverso pelle umana asciutta e integra può causare fibrillazione cardiaca, se produce corrente elettrica nei tessuti del corpo che attraversano il torace. D'altra parte, nell'ingegneria della trasmissione di potenza elettrica, la tensione viene considerata alta al di sopra dei 35.000 V.

La tabella 1 visualizza le definizioni CEI per alta e bassa tensione e i relativi rischi.

Gamma di tensione CEI	CA	DC	Rischio associato
Alta tensione	> 1000 Vrms	>1500 V	Scarica elettrica
Bassa tensione	50 – 1000 Vrms	120 – 1000 V	Folgorazione
Bassissima tensione	50 Vrms	<120 V	Basso rischio

Tabella 1: definizioni della tensione CEI (fonte: Wikipedia)

Problematiche di progettazione relative all'alta tensione

Le alte tensioni comportano un considerevole stress per tutte le componenti del sistema di connessione. Un isolamento adeguato a 12 V, ad esempio, potrebbe degradarsi velocemente o guastarsi completamente a 12 kV. In generale, quando la tensione aumenta, si crea un effetto corona intorno al conduttore ad alta tensione, dopodiché si verifica un guasto dielettrico che porta a un arco elettrico o a un guasto con conseguenze catastrofiche.

Scarica effetto corona

Una scarica effetto corona è una scarica elettrica generata dalla ionizzazione dell'aria che circonda un conduttore caricato elettricamente. L'effetto corona si produce quando il livello della forza (il gradiente di potenziale) del campo elettrico intorno al conduttore è abbastanza alto da creare un'area conduttiva, ma non abbastanza da causare un arco elettrico o una scintilla che coinvolga gli oggetti vicini. Ciò può accadere a tensioni basse, anche a 300 V. L'effetto corona può verificarsi anche a causa della ionizzazione dell'aria all'interno di un'interfaccia vuoto/dielettrico nel connettore.

Sebbene l'effetto corona sia un processo a bassa corrente elettrica, se perdura per lunghi periodi di tempo può degradare sostanzialmente gli isolanti, portando a un guasto di sistema dovuto a guasto dielettrico.

Per minimizzare l'effetto corona nella progettazione dei connettori, è importante massimizzare la distanza tra i conduttori con ampio differenziale di tensione, utilizzare conduttori ad ampio raggio, evitare progetti che prevedano elementi o terminazioni appuntite e utilizzare dielettrici senza vuoti.

Arco elettrico e guasto dielettrico

Un arco elettrico è un guasto elettrico per cui un gas produce una scarica di plasma continua, derivante dal passaggio di corrente attraverso un mezzo solitamente non conduttivo, come l'aria. In condizioni di STP, l'aria deflagra a circa 3 kV/mm.  

Nel caso di mezzo solido, come un dielettrico, il guasto dielettrico avviene quando lo stress da tensione è tale da causare la formazione un arco attraverso il dielettrico tra conduttore e terra. Il guasto è catastrofico, perché la corrente scorre attraverso il dielettrico lasciando vuoti, che vengono riempiti dal carbonio, e il dielettrico non è più in grado di sopportare adeguati livelli di tensione.

Standard di sicurezza applicabili

Questi effetti possono avere conseguenze serie, anche fatali, nelle attrezzature ad alta tensione, compresi i connettori; per questo motivo, sono stati sviluppati numerosi standard di sicurezza, che differiscono a seconda dell'applicazione.

Standard di sicurezza	Applicazione
CEI/EN-61558-2-17	Trasformatori di potenza, unità di alimentazione, alimentatori a commutazione
CEI/EN-60950	Attrezzatura IT
CEI/EN-60601-1	Attrezzature elettrica medicale
CEI/EN-60079	Apparecchi elettrici per atmosfere esplosive per la presenza di gas
CEI/EN-60335	Apparecchi elettrici d'uso domestico e similare
CEI/EN-60065	Apparecchi elettronici audio, video e similari

Tabella 2: Alcuni standard di sicurezza diffusi (Fonte: Feryster)

In altri campi, come il settore automobilistico, esistono altri standard stabiliti da organizzazioni come la SAE.

Dispersione e dissipazione

Al fine di minimizzare il rischio di guasto nelle attrezzature ad alta tensione e dato un margine di sicurezza adeguato, i conduttori che trasportano alte tensioni devono essere mantenuti a una certa distanza minima (separazione) gli uni dagli altri. Tali distanze, chiamate dispersione e dissipazione, variano a seconda dell'applicazione e sono specificate negli appropriati standard di sicurezza.

 

Figura 1: Dispersione e dissipazione. (Fonte: Feryster)

La distanza di dispersione è la distanza minima tra due parti conduttive, come i pin dei connettori, misurata attraverso l'aria. Una distanza di dispersione adeguata aiuta a prevenire guasti dielettrici tra pin causati dalla ionizzazione dell'aria. Il livello di guasto dielettrico è anche influenzato da grado di inquinamento, temperatura e umidità relative dell'ambiente.

La distanza di dissipazione è il percorso più breve tra due parti conduttive (o tra una parte conduttiva e la superficie vincolante dell'attrezzatura) misurata lungo la superficie dell'isolamento. Una distanza di dissipazione corretta e adeguata protegge dal tracking, un processo che produce un percorso parzialmente conduttivo di deterioramento localizzato sulla superficie di un materiale isolante, come risultato di una scarica elettrica su, o vicino a, una superficie di isolamento. La distanza di dissipazione è uguale o maggiore alla distanza di dispersione.

Il Comparative Tracking Index (CTI) viene utilizzato per misurare le proprietà di guasto elettrico (tracking) di un materiale isolante. Per una data applicazione, la distanza di dissipazione minima richiesta dalle agenzie per la sicurezza, come la UL, dipende dal valore CRI dell'isolante.

Livello di inquinamento

Dati un livello di tensione e un materiale isolante, le distanze di dispersione e dissipazione dipendono anche dal grado di inquinamento secco e di condensa presenti nell'ambiente, conosciuto anche come livello di inquinamento. La classificazione del livello di inquinamento va dal livello 1 (molto basso, equivalente a un ambiente pulito) al livello 4 (conduttività persistente causata da polvere, pioggia o neve che agiscono da elementi conduttivi). Il livello di inquinamento può avere un impatto maggiore sulla connettività perché le distanze di dispersione e soprattutto di dissipazione aumentano notevolmente con il livello di inquinamento.

Ad esempio, i connettori D-subminiature (Dsub) sono comunemente utilizzati in molte applicazioni. Sono disponibili presso molti venditori a prezzi convenienti. La distanza tra il pin del connettore e la terra è di circa 1,6 mm. Questa distanza rispetta gli standard UL sulla distanza di dissipazione rispetto ai livelli di inquinamento 1 (0,3 mm) e 2 (1,6 mm) dell'ambiente a 150 V.

Per le operazioni a 300 V, tuttavia, la distanza di dissipazione per ambienti che presentano un livello 2 di inquinamento aumento a 3,0 mm, quindi, in questo caso, il connettore soddisfa gli standard solo se utilizzato in ambienti che presentano un livello 1 di inquinamento. Nell'ambito di un tipico ambiente di collaudo, che viene classificato come livello 2, quindi, utilizzare un connettore Dsub sopra i 150 V non soddisfa gli standard di sicurezza ed è considerato insicuro.

Costruzione di connettori ad alta tensione

Come possono i progettisti di connettori ad alta tensione minimizzare gli effetti dell'alta tensione e massimizzare i livelli di sicurezza?

Le figure 2 e 3 illustrano i tipici connettore circolare ad alta tensione e presa, tarati per operazioni fino a 27 kV. Generalmente, una presa femmina deep well, visualizzata a destra, è posizionata sul lato ad alta tensione. I pin del connettore maschio sono montati in canali isolati singolarmente.

 

Figura 2: Connettore circolare ad alta tensione LGH. (Fonte: TE Connectivity)

Figura 3: illustra la costruzione interna. Si noti come, quando le due metà sono unite, l'anello isolante maschio circonda completamente la parte femmina prima che i due pin facciano contatto elettrico. Per evitare l'arco tra due pin adiacenti che si trovano sullo stesso alloggiamento, è necessario aggiungere composto di potting per riempire le cavità una volta che i pin sono stati inseriti nell'involucro dell'alloggiamento.

 

Figura 3: sezione trasversale di un connettore LGH. (Fonte: TE Connectivity)

Per proteggere da guasti dielettrici, i connettori ad alta tensione come quello qui illustrato utilizzano materiali ad alta potenza dielettrica, come il PTFE, venduti anche sotto il nome commerciale Teflon®. La potenza dielettrica della resina PTFE è molto elevata (23,6 kV/mm per uno spessore di 1,5 mm, secondo la misurazione effettuata con il test veloce ASTM), e non varia con l'invecchiamento termico o di temperatura.

Sicurezza a livello di sistema

Nei casi in cui è possibile che un connettore venga disconnesso quando la corrente è ancora attiva, esistono altre strategie per garantire la sicurezza. Incorporando un circuito di interblocco ad alta tensione (HVIL, High Voltage Interlock) si attua una strategia a livello di sistema che aumenta la sicurezza del connettore. Un circuito HVIL è un circuito chiuso e separato incorporato nel progetto del connettore che costituisce un tipo di connessione mate-last/break-first.  

Mentre un connettore ad alta tensione inizia a scollegarsi, il circuito HVIL rileva lo spostamento e comunica ai componenti elettronici di potenza di scaricare le tensioni elevate presenti al terminale sotto un livello predeterminato prima dello scollegamento finale del terminale. Solitamente ciò deve accadere entro mezzo secondo dal rilevamento dell'HVIL dell'inizio dell'interruzione del collegamento nell'unità elettronica di potenza. Il risultato sperato è l'assenza di alte tensioni sui terminali quando il connettore viene completamente scollegato.

Questa strategia viene utilizzata per i connettori ad alta tensione progettati per il settore automobilistico e utilizzati nei veicoli elettrici, che trasportano una tensione a livelli potenzialmente letali.

Connettori ad alta tensione di Arrow

La specifica di connettori per applicazioni ad alta tensione è un'area di specializzazione: Arrow e TE Connectivity offrono una vasta gamma di connettori ad alta tensione e l'assistenza tecnica che aiuta a compiere la scelta più adeguata.