Impianti elettrici - Volume 1 Parte 2 - Componenti [1 / 2, 1994 ed.] 8878041149

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VINCENZO CATALIOTTI Professore ordinario di Impianti eletttici nella Facoltà di Ingegneria de'll'Università di Palenno

IMPIANTI ELETTRICI Vol. I - Parte II

COMPONENTI

S. F. FLACCOVIO, EDITORE· PALERMO

Proprietà artistica e letteraria riservata all'Editore a norma della Legge 22 aprile 1941, n. 63 3. È vietata qualsiasi riproduzione totale o parziale, anche a mezzo di fotoriproduzione, Legge 22 maggio 1993, n. 159.

Nuova edizione riveduta e aggiornata 1994

ISBN 88-7804-114-9

© 1995 copyright by S. F. Flaccovio s.a.s.- Palermo - Via Ruggero Settimo, 37 Stampato in Italia - Printed in Italy

INDICE GENERALE

CAPITOLO I - ELEMENTI DI LINEE ELETTRICHE AEREE 1.1

Isolatori 1.1.1 Generalità 1.1.2 Principali tipi di isolatori

3 3 6

1.2

Conduttori nudi per linee aeree

11

1.3

Conduttori di connessione - Conduttori blindati .

17

1.4

Giunti e morsetteria

21

1.5

Sostegni per linee aeree 1.501 Pali di legno 1.502 Pali di cemento armato centrifugato (coaoco) 1.503 Pali di cemento precompresso 1.5.4 Pali di cemento armato vibrato (coaovo) 1.505 Pali di acciaio a stelo unico 1.5°6 Pali di vetro-resina 1.5°7 Pali a traliccio . 1.50701 Sostegni stra/lati 1.50 7.2 Sostegni autostrallati

25

o

o

30 35 38 39 39

45 49 51 53

1.6

P aline.

53

1.7

Mensole

54

1.8

Perni porta isolatori

56

CAPITOLO II - ELEMENTI DI LINEE IN CAVO 201

Cavi 201.1 201.2 201.3 201.4

o

Generalità Sigle di identificazione dei cavi Determinazione della portata dei cavi Modalità di posa

o

57 57 63 63 65

Xli

2.2

Cavi isolati con carta impregnata 2.2.1 Cavo unipolare. 2.2.2 Cavi tripolari 2.2.3 Campo elettrico in un cavo tripolare 2.2.4 Cavi «H». 2.2.5 Cavi a tre piombi

65 69 70

2.3

Cavi ad olio fluido

73

2.4

Cavi a pressione di gas

78

2.5

Cavi ad isolamento con SF6 (C.I.G.)

79

2.6

Portate e caratteristiche dei cavi isolati con carta impregnata. Criteri di scelta

80

Cavi isolati con mescole di gomma o di materiali termoplastici

91

2.7

71

72 73

2.8

Cavi sottomarini

103

2.9

Cavi antincendio

113

2.10 Nuove tendenze nei cavi 2. l O.l Cavi con conduttori di sodio 2. l O.2 Criocavi e cavi superconduttori

117 117 117

2.11 Accessori per cavi. Giunti e terminali .

118

2.12 Accessori per cavi ad olio fluido . 2.12.1 Terminali per esterno. 2.12.2 Giunti e serbatoi di alimentazione per cavi O.F.

123 123 124

2.13 Accessori per cavi di bassa tensione

125

2.14 Dati che caratterizzano un cavo tradizionale

126

CAPITOLO III - RELÈ DI PROTEZIONE

3. 1

Generalità .

127

3.2

Classificazione dei relè

128

.3.3

Caratteristiche costruttive dei relè

129

3.4

Relè elettromagnetici . 3.4.1 Principio di funzionamento 3.4.2 Relè di corrente e di tensione 3.4.3 Relè polarizzati.

131 131 132 133

.3.5

Relè a induzione.

133

xm

3.5.1 Principio di funzionamento. 3.5.2 Relè di corrente e di tensione 3.5.3 Relè direzionali.

133 135 136

3.6

Relè magnetoelettrici .

138

3.7

Relè termici

138

3.8

Relè statici.

140

3.9

Relè a microprocessore

142

3.10 Caratter istiche di funzionamento dei relè

143

3.11 Sistemi di protezio ne integrati

146

CAPIToLo IV - FONDA MENTA LI SULLE APPARE CCHIAT URE

DI INTERR UZIONE E SEZION AMENT O DEGLI IMPIAN TI ELETTR ICI

4.1

Generali tà .

147

4.2

Condizione di corto-circuito in una rete

148

4.3

L'arco elettrico

149

4.4

Energia d'arco ed energia specifica Ft

158

4.5

Considerazioni sull'interruzione di una corrente continua .

159

4.6

Interruzi one di una corrente alternata monofase

162

4.7

Mezzi adoperat i per l'estinzio ne dell'arco - Interrut tori.

172

4.8

Considerazioni sulla interruzi one delle correnti alternate trifase

183

4.9

Casi particolari di interruzi one

186

4.10 Chiusura degli interrutt ori e sistemi di comando relativi .

186

4.11 Potere di interruzi one e tempi di interruzi one

187

4.12 Resistenze e condens atori adoperati in unione ad interruttori

189

4.13 Richiusura automatica degli interrutt ori

190

4.14 Considerazioni sulla scelta dei materiali dei contatti

190

4.15 Classificazione degli apparecchi di manovra e dei fusibili

191

4.16 Descrizione delle apparecchiature.

191

4.17 Sezionatori.

192

XIV

4.l 7.l 4 . l 7. 2 4 .l 7. 3 4 .l 7. 4 4.18

Sezionatori per sistemi di 1 a categoria Sezionatori per sistemi di 2 a categoria Sezionatori per sistemi di 3 a categoria Dati che caratterizzano un sezionatore a corrente alternata per tensione superiore a 1000 V

192 193 196 199

Interruttori di manovra-sezionatori (sezionatori sotto carico) per M.T. 4.18.1 Interruttori di manovra-sezionatori in aria libera 4.18. 2 Sezionatori autopneumatici. 4.18.3 Sezionatori di manovra ad autoformazione di gas 4.18.4 Dati che caratterizzano un interruttore di manovra-seziona/ore a corrente alternata per tensioni superiori a l 000 V

204

4.19

Autosezionatori-valvola per esterno

205

4.20

Interruttori 4.20.1 Interruttori per sistemi di 1 a categoria 4.20 .1.1 Interruttori per usi domestici e similari 4.20 .1. 2 Interruttori automatici in b. t. per servizio industriale 4.20.1.3 Dati caratteristici per interruttori automatici a tensione non superiore a 1000 V 4.20.2 Interruttori per sistemi di 2a categoria . 2.20.3 Interruttori per sistemi di 3a categoria . 4.20.4 Dati caratteristici degli interruttori a tensione superiore a 1000 V

206 206 207

237

4.21

Contattori .

239

4.22

Fusibili 4.22.1 Fusibili per sistemi di 1 a categoria 4.22.2 Fusibili per sistemi di 2a categoria 4.22.3 Criteri di adozione delle valvole . 4.22.4 Dati caratteristici principali di un fusibile ad alta capacità di rottura

243

200 200 201 203

216 233 224 232

245 249

256 257

CAPITOLO v - CONDENSATO RI 5.1

Generalità sui condensatori per rifasamento .

259

5.2

Caratteristiche costruttive .

260

5.3

Impieghi dei condensatori di M. T. e b.t.

264

5.4

Dati di riferimento per i condensatori di rifasamento

265

5.5

Condensatori per inserzione in serie sulle reti in corrente alternata

267

xv

. . . . 5.5.1 Generalità ri in serie condensato di impianto un per targa 5. 5.2 Dati di

267 273

CAPITOLO VI - DISPOSI TIVI DI PROTEZ IONE CONTRO LE SOVRAT ENSIONI

6.1

Generalità .

275

6.2

Spinterometri

275

6.3

Scaricatori .

276

6.4

Definizioni relative agli scaricatori

279

6.5

Dati di targa

282

BIBLIOG RAFIA

285

INDICE ANALITI CO

287

CAPITOLO

I

ELEMENTI DI LINEE ELETTRICHE AEREE

1.1 1.1.1

Isolatori Generalità ( *)

Gli isolatori sono, fra tutti gli elementi di una linea elettrica aerea, quelli che necessitano della massima cura nella scelta, nell'accettazione, nella messa in opera e nella sorveglianza in esercizio. In effetti, fragili per natura, si trovano sottoposti a sollecitazioni diverse (meccaniche, elettriche e termiche) che possono concorrere alla loro distruzione. · Dal punto di vista funzionale, gli isolatori servono a collegare meccanicamente elementi conduttori che non debbono essere collegati elettricamente. In particolare servono ad isolare i conduttori in tensione rispetto sta ad altri conduttori sia alla terra. Essi perciò devono: limitare le correnti di dispersione verso gli altri conduttori o la· terra; evitare la scarica disruptiva in aria fra il conduttore e le strutture metalliche vicine o la terra, per il livello di isolamento prefissato; - sopportare le eventuali sollecitazioni meccaniche. Dal punto di vista elettrico un isolatore deve avere quindi le seguenti caratteristiche: a) elevata resistività di massa e superficiale, necessaria per limitare le correnti di dispersione. (*) Vedi Norme CEI sugli Isolatori: .36.5 - Fase. 505 e var. ; .36.6 - Fase. 577 e var.; .36.2 - Fase. 816; .36.7 - Fase. 450.

4

La resistività superficiale diminuisce in presenza di umidità, pioggia, depositi conduttori (emissioni industriali e salinità) per cui in presenza di atmosfere inquinanti o nelle zone vicine al mare occorrono per gli isolatori forme particolari (caratterizzate ad es. da profonde ondulazioni) o veri e prop.ri impianti di lavaggio. Quanto alla resistività di massa, essa diminuisce al crescere della temperatura, per cui l 'isolatore deve possedere una elevata conducibilità termica per smaltire il calore prodotro dalle perdite interne al dielettrico; b) elevata rigidità dielettrica di massa e superficiale, cioè dei valori del gradiente di tensione '(espresso in kV /cm) capace, rispettivamente, di provocare la scarica o attraverso la massa del materiale o che ne segua totalmente o parzialmente la superficie. Tali valori dipendono dall'umidità, che quindi non deve essere assorbita dal materi~le dell'isolante (donde i processi di verniciatura e vetrificatura delle superfici degli isolatori), e dalle impurità presenti sulla superficie. Si noti che i valori di rigidità valgono solo per l'isolatore per il quale sono stati determinati, in quanto, ad es., non vi è proporzionalltà fra spes sore e rigidità: in genere il rapporto rigidità/spessore diminuisce all'aumentare dello spessore. Dal punto di vista meccanico, un isolatore può essere sottoposto a vari tipi di sollecitazione: a) trazione, ad es. negli isolatori destinati al sostegno o, soprattutto, all'ancoraggio di linee aeree (in quest'ultimo caso lo sforzo è pari al tiro); b) compressione, ad es. negli i~olatori portanti; c) flessione, ad es. in conseguenza degli sforzi elettrodinamici fra due conduttori paralleli; d) torsione, ad es. negli isolatori dei sezionatori a rotazione quando le molle sono bloccate dal ghiaccio. Gli isola tori vengono realizzati con porcellana e vetro per isolatori ( * ). Si ricorda qui che vengono adottati particolari processi di lavorazione per migliorarne la resistenza a trazione e vengono date agli isolatori forme tali che si abbiano fondamentalmente sollecitazioni a compressione. Le caratteristiche elettriche e meccaniche che definiscono un isolatore sono: (*} Oggi prevalentemente con vetro. Nei sistemi in altissima tensione vengono sperimentati isolatori in materiale organico composito realizzati mediante un bastone in vetroresina rivestito da materiali polimerici (EPR, Teflon ... ). Vedi anche Vol. I Parte I , Cap. V.

5

a) la tensione di scarica 50% ad impulso, di polarità positiva o negativa a secco; b) la tensione di prova di un minuto e la tensione di innesco d'arco (critica) a frequenza industriale a secco; c) la tensione di prova di un minuto e la tensione di innesco d'arco (critica) a frequenza industriale sotto pioggia; d) il carico di prova meccanica di 24 ore; e) il carico di rottura elettromeccanico; f) il carico di rottura meccanico; g) la tensione di perforazione; h) la salinità di tenuta. Le caratteristiche a) b) c) devono essere riferite alle condizioni atmosferiche normali. Agli effetti delle Norme, per ogni tipo di isolatore vengono definite le caratteristiche vincolanti. Tensione di scarica 50% a impulso di polarità positiva o negativa a secco. È la tensione d'impulso che applicata all'isolatore o alla catena o alla colonna produce l'arco per circa il 50% degli impulsi applicati. Tensione di prova di un minuto a frequenza industriale a secco o sotto pioggia. È la tensione a fr.equenza industriale indicata dal fornitore, che l'isolatore o la catena o la colonna deve poter sopportare a secco o sotto pioggia per un minuto senza che si verifichi né arco né perforazione. Tensione d'innesco d'arco a secco e sotto pioggia a frequenza indui. striate (tensione critica). È la tensione a frequenza industriale che applicata all'isolatore o alla catena o alla colonna provoca l'arco. Tensione di perforazione. È la tensione che provoca la perforazione dell'isolatore. Carico di prova meccanica di 24 ore (solo per gli elementi di catena del tipo cappa e perno e isolatori a nucleo pieno). È lo sforzo meccanico che l'isolatore deve poter sopportare per una durata di 24 ore consecutive. Carico di rottura elettromeccanico a carico critico (solo per gli elementi di catena del tipo a cappa e perno). È lo sforzo meccanico che produce lesioni all'isolatore, tali da permettere il passaggio della scarica elettrica attraverso di esso. Carico di rottura meccanico di un isolatore. È lo sforzo meccanico che produce la rottura totale dell'isolatore stesso o, nel caso di isolatori con parti metalliche, la separazione o la rottura delle parti metalliche stesse. Salinità di tenuta (solo per sistemi di za e 3a categoria). È quel valore di salinità della nebbia espressa in g di NaCl/lt di acqua per il quale

6

l'isolamento ha il 25% di probabilità di scaricare in una prova eseguita a salinità e tensione costante per la durata di un'ora o fino a scarica. Condizioni atmosferiche normali. Sono caratterizzate da: temperatura ambiente 20 °C; - pressione barometrica 760 mm di mercurio; - umidità assoluta dell'aria 11 g d'acqua per m3 d'aria equivalente al 6.3% di umidità relativa a 20 °C. Le prove cui fanno riferimento le ultime definizioni sono sempre sottoposte alle condizioni delle prove di tipo e di accettazione specificate nei fascicoli delle Norme CEI citati.

1.1 .2

Principali tipi di isolatori

In dipendenza della destinazione, dell'ambiente in cui lavorano e delle sollecitazioni cui sono sottoposti si possono distinguere diversi tipi di isolatori: - rigidi, sia per interno (caratterizzati da una conformazione liscia della superficie) che per esterno (caratterizzati da una superficie con alette o campane per interrompere l'eventuale velo d'acqua). Il loro nome deriva dal tipo di collegamento con il sostegno, per cui essi non possono normalmente cambiare la loro posizione dopo il montaggio. La forma più semplice, valida per la bassa tensione, è quella di un 240 mm2 e tensione nominale 0,6/1 k V questa temperatura deve essere ridotta a 220 °C se il cavo è munito di una guaina di PVC. (5) Per cavi privi di rivestimento protettivo si applica una riduzione nelle temperature nei casi e nella misura specificata nelle Norme CEI 11.17 al par. 3. 7.03 "Provvedimenti per limitare i danni da incendio di cavi'', comma g). (l )

2.1.4

Modalità di posa

I cavi possono essere posti in opera secondo le modalità illustrate nella fig. 2.1 a, h riprese dalle Norme CEI 11.17. Per le profondità di posa vedi Vol. III - Cap. IX.

2.2

Cavi isolati con carta impregnata

I cavi isolati con carta impregnata, per tensioni da 2 a 1000 kV, possono essere costituiti da uno o più conduttori isolati (unipolari, bipolari, tripolari, multipolari). Per tensioni sino a 45 kV si usano cavi in miscela fortemente viscosa nel campo delle temperature di esercizio (miscela stabilizzata). In casi particolari, cioè quando si devono superare forti dislivelli, si usano miscele solide onde evitare il rischio di un locale impoverimento di isolante (cavi in miscela non migran te) . Oltre 45 kV si usano cavi in olio fluido in cui l'olio usato per l'impregnamento è assai fluido anche alle basse temperature; ne consegue che l'impregnazione può essere fatta anche a freddo. I cavi in carta impregnata sono stati praticamente abbandonati nel campo della b.t. e della M.T.; dominano incontrastati, quelli ad olio fluido, nel campo delle alte e altissime tensioni.

66

Modalità di posa di cavi

0. 1

A -Cavi in aria (a parete o a sotlìllo)

B-Cavi in tubo in aria

C-Cni sotto modanatura

E.1

D · Cavi in tubo incL\SatO

E.2

co:l)

o di~posti in una C':lvilà con' tinua della muratura (0 . 2)

E- Cavi in canalctt3: ventilata (E.. 1) o chiusa (E. 2)

F - Cavi su ranerclla

G.2

l - Cavi In gal-leria

G- Cavi su supporti discontinui : su mensole o staffe (G. l) o su ganci (G. 2)

H• Cavi sospesi (ad organo portante continuo)

L · Cavi direttamente intm atl, senu protezione meccanica supplementare ( U l tu}

Fig. 2 .l.a -

Modalità di posa dei cav1.

67

VZZlZ/1/1

M. 1

M. 2

/

'·

a

'\

·f

.• •

ti) .·.~'·· . ·

'\•

~·

~.

I l,

l

•

M · Cavi dircllamcnrc inlcrrati, con protezione meccanica supplementare : l:ntra piana (M. l ) oppure apposito te&olo

""'.,·.· ~ ..

N -Cavi in tubo inrcrrato

{M.2)

0.1

... o ~ o o .

0.2

O -Cavi in condotti: condolli non 3pribili, 11\311ulatri &ella ti in opera {0. l) c condolli apribili, Rlanulalli prelabbriaoti (0.2)

P.1

p. Cavi in cunicolo aiTior.:~ntc : ventilato (P. 1). chi~Jso non r~mpito (P. 2) c mi uso con riempimento (P. 3)

~ R. t

..

Q • C:IVO in Cunicolo intcnaiO

Fig. 2.1.b -

Modalità di posa dei cav1.

--

.· o ·.

:·o o

~

'

R ·Cavo in acqua : pD'ato sul londo {R. l) e intcr· rato sul londo (R. 2)

68 Il conduttore fino a 3-4 mm di diametro è costituito generalmente da un filo unico mentre per sezioni maggiori, da corda di sezione circolare retta (corda rotonda) o di settore di circolo con i vertici arrotondati (corda settorale). Le corde rotonde sono costituite da fili di uguale diametro, avvolti ad elica a passo allungato in strati sovrapposti. Ogni strato contiene 6 fili in più del sottostante, eccetto il primo costituito da sei, il quale è avvolto intorno ad un unico filo rettilineo. Quelle settorali sono costruite come le rotonde, ma la loro speciale forma è ottenuta per compressione durante la fabbricazione. L'uso della corda settorale è normale per i cavi multipolari fino a 15 kV di esercizio e consente di ottenere, a parità di sezione con altro cavo a corda rotonda, una notevole riduzione di costo. La successione delle fasi costruttive è mostrata in fig. 2.2.

T aglio della carta Anime cavi multipolari Riunione delle corde fasciate (anime) dei cavi multipolari

Cavi uni polari

Essiccamento, evacuazione ed impregnamento

t-----1

Preparazione della miscela

Applicazione della guaina di piombo o di alluminio Protezione sul tubo di piombo o alluminio

Fig. 2.2 - Schema che illustra le fasi costruttive di un cavo in carta impregnata.

69 2 .2.l

Cavo unipolare

Il cavo unipolare è costituito da un conduttore rivestito da un certo numero di nastri dj carta resistenti alla trazione e porosi, dello spessore di circa 0,1 mm, avvolti ad elica, con perfetta regolarità sul conduttore stesso in modo da formare uno strato di spessore uniforme, la cui altezza è proporzionale all'isolamento (fig. 2.3). Allorché il conduttore è ricoperto dai nastri di carta, il cavo cosl formato viene avvolto su di una bobina e posto in una Fig. 2.3 - Cavo unipolare costituito da corda di rame isolato con grande vasca, a perfetta tenuta, per l'imnastri di carta sottoguaina di piom- pregnazione. bo. La vasca, che contiene una serpentina l. Corda di rame nudo. a vapore per il riscaldamento, è collegata 2. Nastratura di carta impregnata. dalla parte superiore con una pompa per 3. Guaina di piombo. il vuoto e dalla parte inferiore, a mezzo di un tubo, con uno speciale recipiente contenente il liquido di impregnazione, composto in g~nere da olio minerale e da resina. Immesso il cavo nella vasca di impregnazione, e prima ancora di immettere il liquido impregnante, si provvede al riscaldamento della vasca ed alla aspirazione dell'aria contenuta nella stessa fino ad ottenere un vuoto molto spinto. Per migliorare il processo dj deumidificazione della carta, il cavo viene riscaldato anche dall'interno facendovi circolare una corrente continua di valore opportuno. Tale fatto, unicamente al calore prodotto dalle serpentine, consente all'umidità di evaporare e la carta resta essiccata e calda. Si chiude allora la comunicazione con la pompa per il vuoto e si apre la saracinesca che connette la vasca con il recipiente contenente il liguido impregnante. Quest'ultimo, penetrando sotto pressione, viene assorbito rapidamente dalla carta porosa e l'operazione si prolunga fino a che non si è sicuri che tutta la carta sia fortemente impregnata. Il cavo, una volta tirato fuori dalla vasca di impregnazione, viene ricoperto da una camicia di piombo senza saldatura che viene ottenuta per estrusione con una speciale pressa. (La camicia può anche essere dj alluminio). Se il cavo unipolare deve essere utilizzato per corrente alternata, può considerarsi ultimato. Se deve funzionare per corrente continua, il tubo di piombo può essere

)

70

ricoperto con nastri di acciaio o come si dice « armato ». La ragione per cui non è possibile proteggere un cavo unipolare per corrente alternata con nastri di acciaio, dipende in parte dalle forti perdite per correnti parassite e per isteresi che si avrebbero nella armatura costituita da nastri di acciaio, ed in parte dall'aumento della caduta di tensione dovuta alla induttanza che il cavo presenterebbe in tale eventualità. Pur eseguendo l 'impregnazione del cavo nel migliore dei modi, tuttavia possono formarsi nella massa isolante, costituita da nastri di carta, micro~wpkhe bollicine, spazi vuoti minuscoli tra nastro e nastro di carta, ecc. La formazione di tali spazi, privi di miscela, si accentua con il passare del tempo, tanto più che la guaina di rivestimento, costituita da piombo o da alluminio, non essendo elastica, non ha praticamente alcuna tendenza a respingere in tali vuoti la miscela che, quando è calda, si espande alla periferia del cavo. Queste minuscole sacche costituiscono dei punti deboli nell'isolante del cavo, perché in esse la rigidità dielettrica è più bassa di quella della miscela e il gradiente di potenziale risulta più alto per effetto della minore costante dielettrica. Fenomeni complessi avvengono nel dielettrico del cavo sottoposto a tensione alternativa in dipendenza della ionizzazione che si manifesta nei gas esistenti nelle sacche. Elettroni liberi accelerati dal gradiente di potenziale colpiscono le molecole del gas, le ionizzano e liberano nuovi elettroni che bombardando la miscela circostante la decompongono con formazione di nuovo gas che si ionizza a sua volta. Con l'andar del tempo il fenomeno sì accentua con la conseguenza che il dielettrico perde in parte le sue caratteristiche e, dopo un periodo più o meno lungo, si arriva alla perforazione dell'isolamento del cavo.

2.2.2

Cavi tripolari

Nel caso di correnti trifasi sono stati utilizzati, generalmente per tensioni modeste (sino a 15 kV), cavi tripolari o anche quadripolari in b.t. I cavi per corrente trifase sono costituiti in genere da tre conduttori formati da corde rotonde o settorali di rame o di alluminio isolate con carta, come per i cavi monofasi. Quando i conduttori sono rotondi, la loro riunione in unico cavo porta come conseguenza l'interposizione fra le anime e l'esterno di un riempimento (fig. 2.4) che manca quando invece le corde sono settorali (fig. 2.5 a). Sia nel primo che nel seconndo caso, i conduttori jsolati, raggruppati

71

Fig. 2.4 -Cavo tripolare con conduttori di rame isolato con carta impregnata di miscela sotto tubo di alluminio protetto con guaina di p.v.c. l. Corda di rame. 2. Carta impregnata. 3. Tubo alluminio. 4. Nastratura e guaina di p ve.

Cavo tripolare con Fig. 2.5.a conduttori settorali di rame, isolati con carta impregnata sotto guaina di piombo rivestita di nastri di carta e tessili per media tensione. l. Corda di rame settorale. 2. C:trta impregnata. 3. Guaina di piombo. ·1. Rivestimento d i tessili.

insieme, vengono fasciati con nastri di carta. Tale fasciatura, di spessore uguale in genere a quella di ciascuna anima, prende il nome di « mantello ». Il cavo così formato, una volta impregnato, viene ricoperto al solito con una camicia di piombo dello spessore di 3 ~ 4 mm. I cavi tripolari possono essere armati, cioè ricoperti da una armatura di fili o nastri di acciaio che viene disposta sulla camicia di piombo con l 'interposizione di un nastro di juta catramata. Questo può realizzarsi in quanto le perdite per isteresi e correnti parassite sono molto ridotte per la buona compensazione dei campi indotti dalle tre fasi. I cavi armati presentano il vantaggio di potere essere utilizzati direttamente interrandoli nel suolo senza alcuna altra protezione meccanica. 2.2 .3

Campo elettrico in un cavo tripolare

Da studi sperimentali è risultato che le superfici equipotenziali del campo elettrico interno ad un cavo tripolare non si presèntano in genere parallele alle superfici dei rivestimenti dei singoli cavi elementari (anime) e pertanto le linee di forza corrispondenti non sono a queste normali (fig. 2 .5.b). Questo fatto comporta l'esistenza di componenti del campo elettrico tangenziali alle superfici di rivestimento. Si è visto che il deterioramento di un cavo è da imputare principalmente alla presenza di sacche d 'aria nell'isolante. L'esistenza di una componente tangenziale del campo rende tale circostanza più gravosa nei cavi trifasi isolati con carta impregnata. Sono

72

infatti più probabili scariche localizzate lungo le fasciature di carta con il conseguente deterioramento dell'isolante. Come conseguenza dei fenomeni esposti, si è condotti ad adottare dei gradienti di tensione medi più deboli nei cavi tripolari che non in quelli unipolari (30 kV eff./cm rispetto a 40 Fig. 2.5.b- Andamento kV eff./cm). delle linee di forza di un Fino a 15 kV i cavi tripolari non presentano cavo tripolare. particolari difficoltà costruttive. Cavi a tensione più elevata, fino a 35 kV, vengono eseguiti secondo particolari procedimenti che modificano l'andamento del campo riducendolo alla forma radiale dei cavi unipolari. Questi sono i cavi o « a tre piombi » occorre provvedere alla creazione del « deflettore ». I terminali ed i giunti vanno sempre riempiti con adatta miscela isolante in quanto costituiscono un punto debole degli impianti. È necessaria non solo la loro accurata esecuzione,· ma altresl che il riempimento con la miscela sia fatto in modo che non si creino bolle d'aria. Oggi per i cavi isolati con gomma o materie plastiche sono in uso generale giunti, derivazioni e terminali realizzati a mezzo di speciali resine. Essi par la bassa tensione, per applicazioni all'esterno, possono essere ottenuti colando in stampi di plastica (Scotchcast Minnesota), che avvolgono la giunzione od il terminale, una resina costituita da due componenti fluidi che vengono mescolati all'atto della loro introduzione nello stampo e che dopo poco tempo formano una massa compatta, in genere di color nero,

122

Fig. 2.21 - Terminale per cavo tripolare di b.t. in resina colata.

Fig. 2.22 -

Giunti per cavo tripolare in b.t. in resina colata.

attorno alla giunzione o al terminale. Detti stampi possono essere eliminati ad operazione effe t tua t a (fìgg. 2 .21-2 .22). Per la media tensione sul giunto o sul terminale si eseguono delle nastrature isolanti e si inietta successivamente, a mezzo di apposita pompa, la miscela composta come detto sopra che indurisce rapidamente formando un unico corpo con la nastratura (Scotchcast Minnesota) fig. 2.23. Si può sia per la bassa che la media tensione colare in apposito stampo, posto attorno al giunto o terminale, una miscela formata da resine sintetiche trasparenti che indurendo rapidamente forma attorno ai conduttori una massa isolante dura e trasparente. Anche in questo caso gli stampi vengono eliminati dopo l'esecuzione. Per giunti e terminali, in applicazioni alJ>interno si possono adoperare opportuni nastri isolanti autovulcanizzanti in PVC o gomma siliconica. Per la M.T. si hanno anche terminali prefabbricati in gomma siliconica autostringenti che inseriti sul conduttore ne permettono una perfetta sigillatura. La sigillatura può anche avvenire a mezzo di opportune resine da utilizzare a freddo su terminali precostituiti di porcellana. Per la ricostituzione degli schermi nelle giunzioni vedi quanto già osservato precedentemente.

123

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Fig. 2.23 -

2 .12

Giunto di un cavo con metodo Scotchcast.

Accessori per cavi ad olio fluido

Gli accessori di un impianto di cavi a O .F. sono nettament e diversi da quelli di un impianto con cavi isolati con carta impregnat a. Oltre ai terminali e ai giunti normali, nei cavi ad olio fluido si ha sempre un certo numero di serbatoi e, in alcuni casi, giunti di arresto e/o giunti aperti. 2 .12 .l

T enninali per esterno

Il terminale per esterno deve assicurare la chiusura ermetica dell'isolante rispetto all'atmosf era e nello stesso tempo allontanar e il conduttor e dalla guaina in modo che il gradiente elettrico si riduca dal valore di molti kV/mm esistenti nei dielettrico del cavo, al valore di poche centinaia di V /mrn sopportab ili dall'aria (fig. 2.24). Per ottenere questo scopo la chiusura assicurata dall'isolat ore di porcellana può essere collegata a una espansione di forma quasi sferica del conduttor e. Durante l'esercizio il terminale deve permetter e il libero passaggio dell'olio dai serbatoi di estremità verso il cavo, e viceversa; il collegamen-

124

Fig. 2.24 - Terminale per cavo ad olio fluido da 275 kV.

to viene realizzato con tubo metallico attaccato alla espansione inferiore. Il terminale deve sopportare non solo la tensione nominale ma anche le sovratensioni; tuttavia, nel caso che un 'onda a fronte ripido dovesse colpire la conduttura, è preferibile che essa produca la scarica sul terminale piuttosto che la perforazione del cavo; è per questo che il livello di isolamento del terminale deve essere scelto leggermente inferiore a quello del cavo. Per limitare i danni alla porcellana si possono installare sull'isolatore degli spinterometri opportunamente distanziati.

2 .12 .2

Giunti e serbatoi ·di alimentazione per cavi O .F.

Per i cavi O.F. il problema dei giunti non è soltanto elettrico ma anche idraulico. È necessario infatti stabilire non solo la continuità elettrica ed il ripristino dell'isolamento, ma anche la continuità del canale centrale o dei canali d eli'olio, e in certi casi creare delle vie di afflusso o di deflusso d eli'olio stesso. I casi che si presentano sono tre: conservare la continuità sia elettrica che idraulica; conservare la continuità elettrica e idraulica, e connettere il canale con un serbatoio esterno; conservare solo la continuità elettrica.

125 Per le tre diverse esigenze si usano rispettiv amente giunti normali, giunti di alimentazione (o aperti), giunti di arresto o tampone. Negli impianti con cavi O.F. si usano due tipi di serbatoi per bilanciare le variazioni di volume dell'olio o per sopperire, per breve tempo, a perdite dovute a guasti; entramb i sono fatti in modo da evitare il contatto dell'olio con l'aria.

2 .13

Accessori per cavi odi bassa tensione

I principali accessori per l'installazione di cavi di bassa tensione sono costituit i da cavidott i e pozzetti per impianti di distribuz ione interrati e nel caso di installazione all'intern o di fabbricati, da tubi, canaline, passerelle e cassette. Dato il grande sviluppo degli impianti di distribuz ione in b.t. tali accessori devono unire ai pregi di carattere meccanico ed elettrico possibilmente anche quello di un basso costo. I material i oggi più usati sono quelli plastici (PVC), le resine rinforzat e e anche l'acciaio. Per tali componenti le Norme fissano una serie di caratteri stiche che fanno riferime nto alla resistenza allo schiacciamento, agli urti, alla curvatur a, alla fiamma, alle sollecitazioni elettrich e. Per le linee interrare si sono usati e si usano tubi in ghisa e ferro catramat i, blocchi forati o tubi di cemento ; oggi trovano ampia diffusione cavidott i di plastica, inerti all'azione dei microorganismi ed agenti atmosferici, della lunghezza di alcuni metri, con una estremità sagomata a bicchiere per la giunzione (Tubi in PVC pesante da 100, 200, ... mm). Qualunq ue sia il materiale adoperat o le superfici interne di tali cavidott i devono essere tali che il cavo non trovi apprezzabile resistenza allo scorrime nto durante le operazioni di posa. Per la messa in opera di impianti nei fabbricati vengono adoperat i tubi rigidi o flessibili, generalmente inglobati nella muratur a, anche con caratteri stiche autoestin guenti (se di plastica) e cassette per le giunzioni e derivazioni. I tubi oggi più adoperat i sono prevalen temente di PVC o quando occorra (ambien ti con pericolo di incendio o esplosione) di acciaio smaltato con bordi saldati. I diametri interni dei tubi sono unificati (es. 13 - 16 - 22 - 26 - 32 - 50 mm) (vedi Vol. III - Cap. X). Per il montaggio a vista o per installazioni in controso ffittature i fasci di cavi vengono disposti all'intern o di canaline e passarelle (vedi Vol. III Capp. XI-XII). Le canaline in lamiera di acciaio zincato o, quando occorra (grossi impianti industriali), le passarelle in profilati di acciaio zincato, sono prefabbr icate a moduli che consento no di coprire tutti i possibili percorsi. Esistono anche canaline in PVC particola rmente adoperat e per in-

126 stallazione a pare te o a zoccolo (uffici) . T ali elementi portanti esistono in svariate dimensioni che consentono di soddisfare tutte le diverse esigenze di esercizio. Per la realizzazione delle giunzioni o delle derivazioni dei cavi si adoperano opportuni morsetti per gli impianti interni (vedi Vol. III -Cap. X); per gli impianti interrati, i giunti sono ubicati in appositi pozzetti in calcestruzzo o in resina rinforzata a più uscite muniti di chiusini ermetici. In tali pozzetti vengono anche alloggiati: reattori, valvole e altri accessori per impianti di illuminazione pubblica. I pozzetti vengono installati a livello del terreno per permettere facili ispezioni e consentire l'eventuale sfilamento dei cavi. Nelle diverse applicazioni si hanno pozzetti ermetici o pozzetti a fondo drenante. Quando occorra mettere a terra le apparecchiature contenute nei pozzetti, su una parete di questi viene applicato un bullone passan te. Per gli accessori delle linee in cavo sospeso vedi Vol. III - Cap. IX).

2 .14

Dati che caratterizzano un cavo tradizio nale

Rispondenza alle relative Norme CEI. Grado di isolamento ed eventualmente le tensioni E0 ed E. Numero delle anime e di eventuali conduttori non isolati . Materiale costituente i conduttori e sua stagnatura o meno. Sezione e resistenza elettrica dei conduttori. Flessibilità dei conduttori. - Forma dei conduttori. - Schermo (indicare se esiste e se è sulle singole anime o sull'insieme di esse). Diametro esterno. Tipo di armatura. Tipo di guaina protettiva, sua costituzione ed applicazione. Spessore prescritto della guaina. Lunghezza nominale delle pezzature.

CAPITOLO

III

RELÈ DI PROTEZIONE

3 .l

Generalità

Negli equipaggiamenti elettrici delle centrali, nelle reti e presso gli utilizzatori possono verificarsi guasti e anormali condizioni di funzionamento; ai guasti, nella maggior parte dei casi, sono associate elevate correnti e considerevoli cadute di tensione. Le prime danno luogo alla produzione di ingenti quantità di calore che possono causare notevoli danni nella sezione di guasto e pericolosi surriscaldamenti nelle linee interessate. Le seconde disturbano il normale funzionamento delle utenze sane e la stabilità del parallelo dei generatori. Le anormali condizioni di funzionamento sono costituite dalle variazioni dei valori di tensione, corrente e frequenza rispetto ai valori ammissibili. Quando, ad esempio, frequenza e tensione diminuiscono, vengono disturbati gli utilizzatori e la stabilità del sistema di potenza, mentre un loro aumento può, a lungo andare, danneggiare tutti i componenti dell'impianto. Per assicurare il normale funzionamento del sistema è necessario individuare ed isolare le zone guaste nonché tenere sotto controllo quelle grandezze suscettibili di variazioni eccessive, al fine di intervenire tempestivamente onde contenerne gli scostamenti dai valori nominali. In accordo con tali esigenze occorre sviluppare ed impiegare dispositivi automatici in grado di effettuare operazioni capaci di proteggere il sistema dalle pericolose conseguenze dei guasti e di tenerlo lontano da condizioni di funzionamento anormali. Elementi base di tali dispositivi

128

sono i relè che, costantem ente, tengono sotto controllo lo stato e le condizioni di funzionam ento del sistema intervenen do quando si verifica un guasto o quando una grandezza controllata assume valori al di fuori dei limiti ammessi. Nella prima eventualit à, la protezione entra in azione e disconnett e dal sistema la sezione guasta, agendo con l'ausilio di interruttori capaci di interromp ere le correnti di corto circuito. Nella seconda, la protezione , in dipendenz a della natur:t del disturbo, esegue le operazioni necessarie per ripristinar e il servizio normale ovvero ne dà tempestiva segnalazione ( * ).

3.2 Oassificazione dei relè Esistono numerosissimi tipi di relè, ma quelli di uso più comune negli impianti elettrici si possono classificare come segue: a) in base alla grandezza cui sono sensibili: rdè voltrnetrici; relè amperome trici; relè wattmetri ci; relè varmetrici; relè ad impedenza; relè termici. Tra i relè sopra indicati, quelli che intervengo no anche in dipendenza del senso della grandeza fisica agente si chiamano direzionali e quelli che intervengo no per confronto di due grandezze agen ti si chiamano differenziali. b) m base al tempo di intervento : - relè istantanei (**); - relè ritardati; - relè a tempo inverso (se intervengo no tanto più rapidamente quanto più grande è la variazione, rispetto al valore prefissato, della grandezza cui sono sensibili). I relè ritardati possono essere a tempo dipendent e o a tempo indipendente. Nelle figg. 3.1. a) b) c) sono ripor tate qualitativ amente le cara tteristiche tempo-grandezza agente I dei relè ritardati e a tempo inverso; I n rappresen ta la soglia di intervento del relè, t0 il ritardo prefissato. (*) Vedi Norme CEI su relè - 41.1 - Fase. 574. (**) Anche il relè «istantaneo)> ha un proprio ritardo di intervento in relazione

alle sue caratteristiche costruttive.

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Fig. 3.1 -Caratteristiche di funzionamento dei relé: a) a tempo dipendente; b) a tem· po indipendente; c) a tempo inverso.

c) m base al principio di funzionamento: elettromagnetici; a induzione; magnetoelettrici; termici; elettronici. d) in base alle modalità di inserzione sul circuito elettrico: relè a inserzione diretta; relè a inserzione indiretta (se inseriti su TA o TV); relè ausiliari (se uniti ad altri relè). e) in base alla natura dei componenti: relè elettromeccanici; - relè statici, utilizzanti cioè componenti elettronici.

3 .3

Caratteristiche costruttive dei relè

In genere ogni relè è costituito di tre parti che svolgono funzioni diverse: - un elemento sensibile alla grandezza controllata e in grado di convertirla nella grandezza fisica necessaria per il funzionamento del relè. - un elemento di confronto (una molla o un peso, nei relè elettromeccanici, ovvero un circuito che fornisce un segnale di riferimento, in quelli statici) che mette a paragone la grandezza controllata, già convertita, con Un prefissato valore di riferimento. Quando ·la grandezza controllata supera un dato valore, l'elemento di confronto consente il trasferimento dell'azione primaria al circuito di controllo; - un elemento che agisce su un circuito di controllo facendone variare lo stato di funzionamento.

130

In base al princ1p1o di funzionamento di quest'ultimo elemento si possono distinguere i relè con contatti e i relè senza contatti. I primi agi· scono sul circuito di controllo aprendolo o chiudendolo per mezzo dei contatti; i secondi funzionano facendo variare bruscamente qualche parametro (induttanza, capacità, etc.) dell'elemento inserito sul circuito di con· trollo. I relè possono anche avere un quarto elemento che serve ad introdurre un certo ritardo tra il momento in cui interviene l'elemento sensibile e il momento in cui entra in funzione l 'elemento agente sul circuito di controllo. Le principali grandezze caratteristiche dei relè sono le seguenti: valore di soglia di intervento xl - è il valore minimo della grandezza di ingresso alla quale il relè comincia a funzionare; -= f valore di rilascio Xr - è il valore della grandezza di ingresso alla quale il relè stacca; . rapporto di ripristino Xr/X1 - è sempre minore dell'unità (0,2 -:- 0,99) e dipende dalla natura e dalla relazione tra le grandezze çaratteristiche del relè; massimo valore della grandezza di ingresso Xm - è il più grande valore che la grandezza controllata può assumere senza che si abbia un eccessivo riscaldamento del relè; potenza nominale ·- è la potenza assorbita dal relè in corrispondenza di X1;

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Fig. 3.2- Segnale in ingresso a.l relé, a); ritardi di intervento e di rilascio, b).

131 potenza del circuito di controllo - è la massima potenza del circuito di controllo su cui i contatti possono effettuare l'interruzione del circuito di comando; fattori di amplificazione - è il rapporto tra la potenza del circuito di controllo e la potenza nominale del relè; frequenza ammissibile di funzionamento - numero massimo di interventi per unità di tempo; tempo di intervento tp - è il tempo che intercorre tra l'istante in cui appare un segnale sull'elemento sensibile e l'istante in cui appare sul circuito di controllo (fig. 3.2); tempo di rilascio td - è il tempo che intercorre tra l'istante in cui il segnale viene tolto dall'elemento sensibile al momento in cui cessa l'azione sul circuito di controllo (la durata ti\ dell'arco durante la fase di apertura non viene inclusa nel tempo intrinseco di rilascio); vita utile - numero massimo di interventi (da alcune migliaia a diversi milioni).

3 .4

3 .4 .l

Relè elettromagnetici Principio di funzionamento

La fig. 3.3 rappresenta tre tipi di relè elettromagnetici; ogni tipo comprende un elettromagnete formato da un nucleo e da un avvolgimento, una armatura mobile su eu! si trovano dei contatti, una molla antagonista e due contatti fissi. Se circola una corrente I r, nell'avvolgimento dell'eletJ cp

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Relé elettromagnetici: l. elettromagnete- 2. armatura mobile 3. contatto mobile - 4. contatto fisso - 5. molla antagonista - 6. fermo della posizione iniziale dell'armatura mobile.

Fig. 3.3 -

132

tromagnete, si genera una f.m.m. che induce un flusso cl» nel circuito formato dal nucleo, dal traferro e dall'armatura mobile. Quest'ultima viene allora attratta verso l'elettromagnete chiudendo, alla fine della sua corsa, i contatti fissi mediante il contatto mobile. La forza elettromagnetica F ..t di attrazione è proporzionale al quadrato del flusso al traferro

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2

> del fusibile il valore più elevato di corrente presunta che un fusibile è in grado di interrompere in condizioni specificate. In relazione alle applicazioni i fusibili si dividono in due categorie: - fusibili per uso generale che interrompono in definite condizioni tutte le correnti comprese fra la minima che ne determina la fusione e quella corrispondente al potere di interruzione nominale; - fusibili per uso combinato (da adoperare in combinazione con altri apparecchi di interruzione) che interrompono invece le correnti comprese fra un definito valore di corrente e il potere nominale di interruzione. Raffrontati con gli interruttori automatici i fusibili presentano i seguenti aspetti positivi e negativi: poteri di interruzione più elevati; - idoneità a limitare le correnti di guasto e l'Pt·,

245 occupazione di poco spazio; modesti costi di impianto. Per contro: - sostituzione dopo ogni intervento con una cartuccia di uguali caratteristiche; - pericolo che siano sostituite con un pezzo di conduttore qualsiasi; - impossibilità di manovra e cioè di stabilire o interrompere la corrente nominale; - possibilità di invecchiamento con alterazione delle caratteristiche di funzionamento; - possibilità di interruzioni monofasi in circuiti trifasi; - possibilità di protezione insufficiente contro i sovraccarichi per la rigidità delle loro caratteristiche di funzionamento. 4.2 2 .l

F usi1hili per sistemi di 1a categoria

Storicamente il tipo più semplice di valvola di b.t. è costituito da un fusibile (filo di piombo, piattina di alluminio, filo d'argento) posto tra due serrafili. Tale tipo è da scartare per la imprecisione della taratura dovuta alla maggiore o minore lunghezza del fusibile, per il pericolo di proiezioni di metallo fuso all'atto di un corto-circuito e per la possibilità di innesco dell'arco tra i serrafili (si è cercato di renderlo meno pericoloso inserendo tra i serrafili un tubo di materiale isolante). Oggi per i sistemi di P categoria si adoperano fusibili a cartuccia (a fusione chiusa). Nelle applicazioni domestiche e similari si adoperano fusibili a cilindro di tipo A, costituiti da un involucro ceramico cilindrico chiuso da due calotte metalliche argentate fra cui è fissato un filo o nastro forato che costituisce l'elemento fusibile. Detto involucro è riempito di sabbia anidra. Su una delle due calotte metalliche vi è un indicatore di avvenuta fusione. Le cartucce vengono inserite nella base a mezzo di appositi porta cartuccia. Hanno tensioni nominali fino a 380 V e correnti fino a 100 A. Nella fig. 4.63 si riportano caratteristiche di fusibili per b.t. a cilindro di tipo A. Nel settore terziario (uffici, commercio, ecc.) vengono spesso adoperati fusibili di tipo D con tensione nominale 500 V e correnti fino a l 00 A (fig. 4.64).

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Fig. 4.64 - Valvola a fusibile per b.t. di tipo D: a) base della valvola con morsetti per il collegamento all'impianto; b) riduzione; c) fusibile; d) tappo a vite con spia che consente di constata.r e la fusione della valvola.

Esse compren dono: - una base con morsetti di collegamento per l'impian to; - una cartuccia di materiale ceramico con dentro il fusibile annegato in polvere inerte e saldato a due cappe di rame stagnato che formano i contatti; - un coperchio o tappo avvitabile alla base dopo l'introdu zione della cartuccia.

247

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~Caratteristiche

di valvole di tipo D rapide e ritardate.

Tale tappo ha un vetrino in corrispondenza della parte superiore della cartuccia che dà la possibilità di riscontrarne la fusione_ Tali fusibili vengono costruiti nelle esecuzioni « a fusione rapida >> e « a fusione ritardata ». Si riportano nella fig. 4.65 le caratteristiche relative a valvole del primo e secondo tipo. Negli impianti di distribuzione cittadina e negli impianti industriali si adoperano le valvole NH (fig. 4.66.a, b) (dalla denominazione tedesca Niederspannungs - Hochleistungs - Sicherungen), ad alta capacità di rottura ora unificate nelle dimensioni dalle norme UNEL.

248

4

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l . Elemento fusibile

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2. Co11p0 del fusibile 3. Dispositivo di segnalll7'ione 4. Sabbia di quarzo

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Valvole a fusibile NH per b.t.: a) vista esterna; b) sezione.

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Fig. 4.69 - Valvola a fusibile per M .T . a patrona: a) per interno; b) per esterno.

251

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Fig. 5.3

Fig. 5.4

Caratteristiche elettriche: -

Temperatura ambiente: -25 °( +40 Tolleranza di capacità: -5% + 10% Perdite del condensatore (tg 8):