ISOLATORI

ISOLATORI

. Sono quegli organi che servono a "isolare", a mantenere cioè elettricamente separati (nel senso - non assoluto - che normalmente si suol dare a tale notazione), in tutte le evenienze di esercizio più facilmente realizzabili, due conduttori tra i quali esista o possa esistere una differenza di potenziale. A costituire un isolatore in senso generale possono impiegarsi praticamente tutte le sostanze o materiali isolanti, solidi, liquidi, gassosi; nell'accezione comune peraltro si riserva il nome d'"isolatore" ai complessi realizzati con sostanze solide (porcellana smaltata, vetro, quarzo, bakelite, carta bachelizzata, ecc.) o, in qualche caso, con sostanze solide e liquide (olî minerali) o semifluide (miscele, compound) aventi opportune relazioni di posizione tra loro.

Dal punto di vista dell'uso, gl'isolatori possono suddividersi in due grandi categorie: isolatori per interno e isolatori per esterno, la suddivisione stessa essendo ovviamente giustificata dal fatto che gl'isolatori per esterno sono soggetti a condizioni ambientali (pioggia, neve, sbalzi di temperature, ecc.) ai quali non sono soggetti o lo sono in minor misura quelli per interno. Nell'una e nell'altra categoria possono poi ancora distinguersi isolatori portanti e isolatori passanti, i primi essendo destinati a reggere, sostenere i conduttori sotto tensione; gli altri a permettere il passaggio dei conduttori stessi attraverso pareti di muratura, metalliche o di altra natura.

Ulteriori suddivisioni, dovute alle modalità specifiche d'uso o di montaggio possono poi concepirsi, in seno alle categorie menzionate.

Il tipo più semplice d'isolatore è il tipo portante per interno la cui costituzione appare con sufficiente chiarezza dalla fig. 1. La sua sagomatura conviene che sia la più semplice possibile, la superficie esterna liscia o pochissimo tormentata allo scopo di rendere più difficile il depositarsi e il permanere della polvere e del sudiciume, e di facilitare la periodica lavatura e pulizia. Isolatori così semplicemente conformati non si presterebbero però per isolare conduttori installati all'aperto (per es., conduttori di linee di trasporto di energia); sotto la pioggia, invero, essi si coprirebbero di un velo liquido superficiale continuo, di resistenza relativamente limitata, e l'isolamento della linea, non appena la lunghezza di questa superasse certi limiti, scenderebbe a valori praticamente intollerabili.

È quindi necessario per isolatori destinati a essere montati all'aperto, sagomare la superficie esterna in modo particolare, allo scopo di evitare, nei limiti del possibile, che la superficie stessa possa essere completamente bagnata dalla pioggia, anche inclinata, e rompere così la continuità del velo liquido al quale si è prima accennato. È sostanzialmente questa esigenza che ha indotto a dare la caratteristica forma quasi ombrelliforme a fungo, o a campana agli isolatori per esterno (con riferimento al tipo di gran lunga più usato, che trova il suo impiego nell'isolamento dei conduttori delle linee aeree) dal tipo più modesto destinato alle linee telegrafiche e telefoniche (fig. 2) a quelli più importanti usati nelle condutture con tensioni fino a qualche decina di migliaia di volt (figg. 3, 4 e 5). Isolatori di questo tipo vengono di solito costruiti in un sol pezzo, sino a quando le dimensioni non superino certi limiti, al di là dei quali conviene, in parte per ragioni inerenti alla fabbricazione e in parte all'esercizio, ricorrere alla costituzione a campane multiple (figg. 3 e 4). L'isolatore è allora costituito da due o più pezzi separati (campane) le quali vengono poi, sempre in fabbrica, riunite tra loro a mezzo di cementi opportunamente dosati e trattati con particolari cautele.

Questo tipo d'isolatore, detto anche rigido per la sua stessa costituzione e in quanto impedisce ogni movimento dal punto d'attacco del conduttore a esso ammarrato, copre praticamente la gamma di tensioni che si estende fino ai 40 ÷ 50 kV; per tensioni superiori la tecnica odierna preferisce, salvo casi eccezionali, far ricorso a isolatori di tipo diverso, così detti a catena, che ragioni economiche, in parte, di sicurezza di esercizio dall'altro, indicano come complessivamente più convenienti. Tali isolatori possono concepirsi nati dalla convenienza di avere un unico elemento tipo, facilmente associabile, in guisa da dare la possibilità di costituire, di volta in volta, l'isolatore necessario, in relazione alla tensione alla quale si deve far fronte.

Schematicamente, l'elemento dell'isolatore a catena è costituito (figura 6 a) da una formella isolante a (realizzata in porcellana, vetro, quarzo, ecc.), e da due membrature metalliche b, c a esso solidamente fissate, le quali opportunamente sagomate, consentono l'accoppiamento di più elementi tra loro, e la formazione della catena (fig. 6 b) alla quale il conduttore viene, poi, fissato con apposita morsetteria (fig. 7).

Fermo rimanendo il concetto informativo, gl'innumerevoli tipi di elementi differiscono tra loro sostanzialmente per il modo col quale i singoli fabbricanti sagomano la parte isolante e, soprattutto, conformano e fissano a essa le membrature metalliche. I tipi da noi quasi esclusivamente usati sono quelli cosiddetti a cappa e perno (figg. 8 e 9), un'ulteriore specificazione tra i quali può ancora farsi in vista soprattutto dell'artificio col quale il fabbricante fissa il perno metallico alla parte isolante (con o senza cemento o leghe metalliche). Cura costante dei costruttori è in ogni caso di sottrarre nei limiti del possibile, la porcellana (che rappreta il materiale di gran lunga oggi più usato) agli sforzi di trazione, a sostenere i quali essa male si presta. Spesso sulle catene di isolatori in esercizio (figure 7 e 11) vengono montati i cosiddetti anelli gli guardia il cui scopo essenziale è quello di allontanare dagli elementi gli archi, spesso assai nutriti, che possono formarsi per accidentalità di esercizio e che per effetto termico possono danneggiare, ove li investano, gli elementi stessi. A tale scopo vengono talora anche usate semplici corna (fig. 11 a destra); l'un dispositivo e l'altro servono anche di protezione al conduttore, contro gli effetti termici degli archi. Gli anelli di guardia, ove siano opportunamente proporzionati, determinano anche una migliore distribuzione del potenziale lungo la catena, di regola assai disuniforme, risultando, più sollecitati in servizio normale, gli elementi più vicini al conduttore.

Con la notevole estensione che in questi ultimi tempi hanno preso gl'impianti di sottostazioni (di trasformazione) all'aperto, e con la conseguente adozione di apparecchiatura adeguata a tal genere d'installazioni i costruttori di isolatori hanno dovuto risolvere il problema del portante rigido per esterno, anche nel campo in cui domina, con riferimento alle linee di trasmissione, l'isolatore a catena. Le soluzioni date al problema stesso, derivano sostanzialmente o dalla possibilità d'irrigidire con speciali attacchi metallici a flangia le catene normalmente usate in linea (fig. 10 a) o dalla possibilità di creare delle colonne di porcellana, opportunamente e abbondantemente nervate (fig. 10 b), allo scopo d'impedire che la pioggia bagni completamente la superficie dell'isolatore. A tale scopo, l'azione delle nervature stesse può essere convenientemente aiutata da veri ombrelli metallici (fig. 10 c).

Problemi di natura in parte diversa e, almeno fino a un certo segno, più precisabili sono quelli che si presentano negli isolatori passanti, in quei complessi, cioè, destinati a permettere a un conduttore di attraversare una parete rispetto alla quale il conduttore stesso abbia una certa differenza di potenziale; problema della più grande importanza pratica se si riflette che esso, ancor più che nell'attraversamento di pareti vere e proprie in muratura (passa-muri, passa-tetti) si presenta con tutte le sue difficoltà nei trasformatori, e nell'apparecchiatura in genere (interruttori e simili) dove lo spazio è sempre, per necessità di cose, limitato, riguardo alle tensioni, spesso altissime, in gioco. Schematicamente, il problema da risolvere è quello graficamente indicato in fig. 12, ove conduttore e parete hanno la reciproca posizione che normalmente si riscontra in pratica; la sollecitazione nel dielettrico, supposto omogeneo, è allora massima in vicinanza del conduttore e va diminuendo (con leggi che ipotesi semplificative permettono anche di determinare) via via che ci si avvicina alla parete.

Salvo i casi di modestissima importanza di tensioni molto basse, nei quali il dielettrico aria risulta già sufficiente a resistere alla sollecitazione massima e il passante non offre sostanzialmente nessuna nuova caratteristica, che non sia quella di poter essere concepito come l'unione, base contro base, di due portanti gemelli, si tende sempre, per ovvie ragioni, a quelle soluzioni che conducono al minimo ingombro radiale dell'attraversamento il che si consegue, oltre che con una giudiziosa scelta del rapporto tra i raggi del conduttore e del foro della parete, usando come isolante da interporre tra l'uno e l'altra una sostanza che abbia la più alta rigidità dielettrica possibile.

L'olio minerale si presta in modo particolare a risolvere il problema oltre che dal punto di vista sopra menzionato, per il fatto che essendo fluido elimina ogni possibilità di formazione di vuoti interni, di veli o bolle gassose (a piccola rigidità) in corrispondenza delle quali, specie se situate in vicinanza del conduttore, dove i gradienti assumono i più alti valori, possono provocarsi effluvî o scariche locali. Ben inteso, a contenere l'olio deve intendersi predisposto un involucro stagno (di solito di porcellana) il quale, nei riguardi della configurazione e delle dimensioni fuori parete, va ancora proporzionato coi criterî valevoli per gli isolatori portanti (per interno o per esterno a seconda dei casi); a rendere possibili le variazioni di volume che subisce l'olio al mutare della temperatura, si predispone, di solito in alto, un piccolo recipiente (di vetro) che compie a un tempo la funzione di serbatoio di espansione e di livello di spia (figura 13). All'olio possono sostituirsi miscele opportunamente studiate (fluide generalmente a caldo, semifluide o solide alla temperatura ordinaria) con rigidità dielettriche anche notevolmente superiori a quelle dell'olio stesso, e vantaggiose per questo stesso fatto, in quanto consentono un'ulteriore riduzione delle dimensioni radiali; esse non posseggono peraltro le favorevoli particolarità dell'olio, legate sostanzialmente alla sua fluidità, la quale assicura, come si è detto, l'eliminazione della possibilità di formazione di vuoti interni, e una più energica refrigerazione accompagnata da una maggiore uniformità di temperatura in seno alla massa isolante, a causa dei moti convettivi interni.

Comunque si scelga il mezzo isolante, però, se questo è omogeneo, come può con sufficiente approssimazione considerarsi nella maggior parte dei casi citati, si ha sempre un cattivo sfruttamento del materiale e soprattutto dello spazio, a causa della notevole disuniformità delle sollecitazioni alle quali il materiale stesso, a diverse distanze dal conduttore, è sottoposto (sollecitazioni decrescenti dall'asse verso i bordi). A un miglioramento radicale si perviene, uniformizzando radialmente il gradiente, il che si consegue in modo praticamente perfetto nei passanti cosiddetti a condensatore. L'artificio che qui si segue consiste nel costituire lo strato isolante che circonda il conduttore e che lo separa dall'orlo interno della parete con tanti cilindri isolanti concentrici (realizzati generalmente in carta bachelizzata), di spessore di solito costante, separati tra loro da sottili superficie metalliche. L'altezza degli uni e delle altre va di regola decrescendo dall'asse del passante verso i bordi, e la legge di variazione è diversa (paraboloidica o lineare), a seconda che si voglia conseguire la sola uniformizzazione del gradiente radiale o di quello superficiale o di entrambi, nel quale ultimo caso le superficie metalliche prima menzionate hanno configurazioni o costituzioni particolari.

I complessi così realizzati, e che costituiscono la parte sostanziale del passante, vengono poi solitamente protetti nella parte esposta all'aria o con tubi di bakelite nel caso che il passante sia per interno (fig. 14) o con involucri di porcellana sagomati con le citate avvertenze quando il passante è per esterno (fig. 15).