Le tematiche di ricerca condotte dal Dott. Fabiani sono fondamentalmente quattro.
La prima tematica di ricerca, iniziata nel 1998, riguarda lo studio dell’invecchiamento accelerato degli isolanti elettrici prodotto da tensioni di alimentazione non sinusoidali. Si è prima analizzato l’effetto di armoniche a bassa frequenza (fino a 1 kHz) su cavi e condensatori, evidenziando come l’aumento della tensione picco-picco e non già della corrente (e, quindi, della temperatura) sia la causa di invecchiamento accelerato dell’isolamento. In secondo luogo, si è studiato l’effetto delle armoniche ad alta frequenza, generate delle forme d’onda di tensione impulsive prodotte dai convertitori elettronici di potenza (ad es. inverter a controllo PWM) sull’isolamento dei motori elettrici. L’attività di ricerca svolta ha evidenziato che tali motori possono subire guasti prematuri a causa dell’innesco delle scariche parziali (SP), assenti di norma in regime sinusoidale. Il Dott. Fabiani si è quindi occupato dello sviluppo di un innovativo sistema di misura delle SP, realizzato ad hoc per motori alimentati da inverter, i cui elevati disturbi di commutazione rendono ardue le misure con i sistemi tradizionali. A tale scopo ha implementato una innovativa coppia sensore (antenna) - filtro in grado di eliminare il rumore di commutazione dei dispositivi statici senza influenzare significativamente il segnale di SP. Il Dott. Fabiani ha poi studiato l’effetto delle SP generate dalle tensioni impulsive sui sistemi isolanti di macchina. Mediante un protocollo di prove sperimentali appositamente sviluppato, lo scrivente ha analizzato e proposto indicatori diagnostici, ricavabili dalle misure di SP, che potessero essere correlati con il grado di invecchiamento del sistema isolante e consentire, in ultimo, la localizzazione della sorgente di scarica mediante un particolare phase-resolved pattern di SP con alimentazione PWM, oggetto di un brevetto internazionale. Infine, il Dott. Fabiani ha contribuito allo sviluppo di un nuovo metodo per la diagnostica on-line dei motori elettrici comandati da PWM che, mediante le trasformate di Park, permette di realizzare un pattern bidimensionale delle SP da cui estrarre direttamente gli indicatori diagnostici per identificare la sorgente di scarica anche durante il regolare funzionamento del motore.
La seconda tematica, iniziata nel 1999, riguarda lo studio dell’invecchiamento e la diagnostica di materiali, componenti e sistemi isolanti in alta tensione AC e DC. Tale attività spazia dall’applicazione e sviluppo di particolari metodologie statistiche, utilizzando la distribuzione di probabilità di Weibull e le tecniche del Design of Experiments (DOE), allo studio di tecniche innovative per la valutazione dello stato di invecchiamento e la diagnostica dei più comuni sistemi isolanti presenti nei componenti di alta tensione (cavi, trasformatori, generatori, motori, GIS, ecc.) mediante la misura delle SP.
La terza tematica, sviluppata dal 1999, riguarda lo studio dei meccanismi di conduzione e accumulo di carica di spazio negli isolanti polimerici per cavi in alta tensione continua, che tuttora si realizzano molto spesso in carta ed olio, a causa dell’elevata carica di spazio che in DC si accumula all’interno dei materiali polimerici. Tale ricerca ha riguardato in particolare:
-
l’effetto delle interfacce (semiconduttore/isolante e isolante/isolante) in cavi e accessori di cavo (giunti e terminali) sull’accumulo di carica di spazio e sulla distorsione del campo elettrico all’interno dell’isolante;
-
l’effetto del gradiente di temperatura, applicato all’isolante di un cavo in DC, sull’accumulo di carica di spazio;
-
lo studio e la modellizzazione dell’accumulo della carica di spazio in cavi modello per alte tensioni;
-
lo studio dei meccanismi di conduzione ad alti campi nei polimeri. In particolare, di notevole importanza è stata la scoperta di piccoli “pacchetti di carica” (positivi e negativi) che vengono iniettati dagli elettrodi e attraversano il materiale isolante con una sorprendente elevata mobilità, accumulandosi nelle vicinanze dell’elettrodo opposto. Tale scoperta, resa possibile grazie al sensibilissimo sistema di acquisizione della carica di spazio sviluppato in laboratorio, ha portato allo sviluppo di una teoria originale sulla formazione e sul trasporto della carica elettrica negli isolanti ad alti campi mediante solitoni di carica e alla concessione di un brevetto internazionale.
L’ultimo argomento di ricerca, sviluppato a partire dal 2003, riguarda lo sviluppo di nuovi materiali polimerici nanocompositi per applicazioni in ambito elettrico/energetico ed elettronico. Si sono valutati alcuni nanofiller inorganici (argille, SiO2, TiO2, ecc), additivati alla matrice di materiale polimerico allo scopo di migliorare le caratteristiche elettriche del materiale base. In particolare, lo scrivente ha osservato che l’uso di argille come nanoadditivo può portare talvolta ad un peggioramento delle caratteristiche elettriche del materiale se il nanoadditivo non viene completamente disidratato in fase di miscelazione con il polimero e soprattutto se possiede elevato aspect-ratio. Notevoli miglioramenti nelle caratteristiche elettriche della maggior parte dei materiali nanostrutturati analizzati sono stati comunque osservati in termini di minore accumulo di carica di spazio, alta mobilità della carica e migliore rigidità dielettrica e resistenza alla temperatura, nonché di maggiore resistenza all’erosione causata da scariche parziali superficiali. Gli studi nel settore stanno avanzando notevolmente anche grazie alle collaborazioni che lo scrivente intrattiene con le Università di Friburgo, Genova, Politecnico di Torino, Université Paul Sabatier di Toulouse, Università di Southampton, Ecole de Technologie Superieure e HydroQuebec di Montreal (Canada). A seguito delle numerose attività di ricerca nel settore delle nanotecnologie dielettriche lo scrivente è stato invitato a scrivere nel 2010 un capitolo di libro per la Springer sulla realizzazione di materiali dielettrici nanocompositi (come coautore), e poi un altro a nome singolo per l’editore Research Signpost sulle proprietà elettriche dei nanocompositi nel 2012.
Lo scrivente ha fondato nel 2006 il Gruppo di Ricerca sull’Elettrofilatura (RGE) insieme ad altri ricercatori dell’Università di Bologna interessati all’elettrofilatura come metodologia per realizzare, mediante l’applicazione di elevati campi elettrici, materiali nanostrutturati aventi le più svariate applicazioni (dal biomedicale, ai materiali per celle a combustibile e batterie al litio). Nel 2011 tale gruppo è confluito all’interno del Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale sulla Meccanica Avanzata e Materiali. In tale ambito il Dott. Fabiani si occupa del design di appropriati campi elettrostatici per ottimizzare la produzione di nanofibre, dello sviluppo di batterie al litio con componenti (separatore ed elettrodi) elettrofilati e nanostrutturati e di materiali compositi multifunzionali contenenti all'interno nanofibre piezoelettriche elettrofilate. Questo argomento, assolutamente innnovativo, è oggetto di un PRIN (Smart Composite Laminates) e di un Progetto Europeo H2020 (MyLeg). Ha studiato inoltre l’utilizzo del plasma per migliorare la dispersione dei nanoadditivi (oggetto di un brevetto nel 2013) e l’elettrofilabilità dei polimeri in soluzione.
Negli ultimi anni, in collaborazione con alcuni docenti di Chimica e un'azienda italiana, il Dott. Fabiani ha partecipato allo sviluppo di materiali isolanti con rivestimento superficiale nanostrutturato, in particolare contentente grafene. Tali materiali mostrano una migliore resistenza alle scariche parziali sia superficiali che interne, un ridotto accumulo di carica di spazio e una minore termo-ossidazione, grazie alla barriera all’ossigeno creata dal rivestimento. E’ da notare che il rivestimento nanostrutturato può essere applicato anche sul componente isolante già realizzato, ad es. mediante spray-coating o dip-coating. Tali studi recentemente hanno portato al deposito di una domanda di brevetto.
