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AVVOLGIMENTI Trascurando le perdite di potenza e le cadute di tensione dovute al carico: Lavvolgimento di alta tensione (AT) sarà formato da più spire.

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1 AVVOLGIMENTI Trascurando le perdite di potenza e le cadute di tensione dovute al carico: Lavvolgimento di alta tensione (AT) sarà formato da più spire di sezione minore (perché percorse da corrente minore). In genere, per lAT si usano conduttori a filo oppure quelli a piattina che consentono il riempimento ottimale dello spazio. Lavvolgimento di bassa tensione (BT) sarà formato da meno spire di sezione maggiore (perché percorse da corrente maggiore). In genere, i conduttori in BT sono a piattina; talvolta presentano una struttura a nastro (poche spire di grande sezione).

2 La disposizione degli avvolgimenti BT e AT attorno alle colonne del nucleo è determinata da vari fattori: accoppiamento magnetico tra primario e secondario: laccoppiamento ideale si ottiene ponendo i due avvolgimenti uno dentro laltro (tutto il flusso magnetico si concatena con entrambi gli avvolgimenti non si ha flusso magnetico disperso); necessità di isolamento tra avvolgimenti e nucleo magnetico e tra avvolgimento primario e secondario; necessità di raffreddamento: nei trasformatori di elevata potenza, occorre avere dei canali di raffreddamento verticali, paralleli alla colonna, per consentire la circolazione del fluido refrigerante per smaltire il calore prodotto dalle perdite nel nucleo e nei conduttori. È infatti necessario contenere la temperatura entro livelli che non compromettano la tenuta degli isolanti.

3 TIPOLOGIE DI AVVOLGIMENTI n Primario e secondario sono di regola disposti sulla stessa colonna per contenere al massimo le dispersio- ni di flusso. Da ciò derivano i tipi fondamentali di costruzione: n Avvolgimenti concentrici: tsemplici; tbiconcentrici simmetrici; tbiconcentrici asimmetrici. n Avvolgimenti alternati: tsimmetrici; tasimmetrici. n Primario e secondario sono di regola disposti sulla stessa colonna per contenere al massimo le dispersio- ni di flusso. Da ciò derivano i tipi fondamentali di costruzione: n Avvolgimenti concentrici: tsemplici; tbiconcentrici simmetrici; tbiconcentrici asimmetrici. n Avvolgimenti alternati: tsimmetrici; tasimmetrici.

4 AVVOLGIMENTO CONCENTRICO Ciascun avvolgimento occupa tutta la lunghezza della colonna; lavvolgimento BT è vicino al nucleo, quello AT è esterno. Lavvolgimento BT è formato da piattina avvolta a spirale a strato continuo, quello AT da filo o piattina a bobine separate e collegate tra loro. Lavvolgimento AT a bobine separate è utilizzato per avere una tensione tra bobine dello stesso avvolgimento inferiore a qualche kV. X O 1 2 BT AT

5 Lavvolgimento concentrico è il più diffuso perché presenta i seguenti vantaggi: migliore accoppiamento magnetico; facilità di isolamento (con tubi isolanti); facilità di circolazione del fluido refrigerante (con canali verticali). Gli svantaggi sono dati da: maggiore reattanza di dispersione; maggiori sforzi elettrodinamici: le forze sugli avvolgimenti sono di compressione dellavvolgimento BT sul nucleo e di dilatazione radiale dellavvolgimento AT verso lesterno. Sono necessari buoni ancoraggi per gli avvolgimenti.

6 AVVOLGIMENTO DOPPIO CONCENTRICO Nellavvolgimento doppio concentrico, lavvolgimento BT è diviso in due metà, una disposta vicino al nucleo e laltra allesterno. Sono necessari due strati di isolante tra gli avvolgimenti, al posto di uno solo del caso concentrico semplice. Il raffreddamento è realizzato tramite canali verticali. Le reattanze di dispersione sono circa un quarto di quelle con avvolgimento concentrico semplice. Anche gli sforzi elettrodinamici sono circa un quarto di quelli con avvolgimento concentrico semplice. Sono ancora necessari buoni ancoraggi per gli avvolgimenti. X O X b b AT BT a 1 /2 a 2 a 1 /2 FrFr FrFr FrFr FrFr h N 2 /2 N1N1

7 BICONCENTRICI SIMMETRICI X O X AT BT 1 /2 2 1 /2 La disposizione geometrica influenza le reattanze di dispersione che a loro volta determinano la V cc La reattanza di dispersine si controlla sia con le dimensioni radiali e longitudinali dellavvolgimento, sia con le distanze e gli spazi tra le bobine La disposizione geometrica influenza le reattanze di dispersione che a loro volta determinano la V cc La reattanza di dispersine si controlla sia con le dimensioni radiali e longitudinali dellavvolgimento, sia con le distanze e gli spazi tra le bobine BICONCENTRICI DISSIMMETRICI X O X Regolaz. AT BT AT

8 AVVOLGIMENTO ALTERNATO (Simmetrico) Nellavvolgimento alternato, gli avvolgimenti BT e AT sono suddivisi in un certo numero di bobine, disposte attorno alle colonne, isolate tra loro e verso il nucleo. AT BT Come isolamento, è il più sfavorito, perché necessita di più strati di isolante tra gli avvolgimenti. Il raffreddamento è più difficoltoso, i canali devono avere sezioni maggiori. In compenso, gli sforzi elettrodinamici sono molto attenuati: sono quindi richiesti ancoraggi meno onerosi. Lavvolgimento alternato è conveniente nel caso di trasformatori ad elevate intensità di corrente. N 2 /2 N 2 /4 N 1 /2 N 2 /4

9 AVVOLGIMENTI ALTERNATI DISSIMMETRICI AT BT AVVOLGIMENTI ALTERNATI DISSIMMETRICI AT BT La geometria determina anche gli sforzi elettrodinamici. Dove la corrente è elevata si adotta gli alternati (forni elettrici, impianti elettrochimici, etc.)

10 n La configurazione di gran lunga più usata è quella concentrica con la BT contro il nucleo n Gli avvolgimenti biconcentrici sono usati in macchine di grande potenza e ad alta tensione, dove un elevato grado di dispersione rende difficile far scendere la tensione di corto circuito ai valori desiderati. n Gli avvolgimenti alternati sono usati in macchine di piccole potenza, o quando si voglia accedere con pari facilità ai due avvolgimenti. La BT, per motivi di isolamento e in genere allesterno. n Laltezza, h, dellavvolgimento è determinata dalle sollecitazioni magnetiche n La configurazione di gran lunga più usata è quella concentrica con la BT contro il nucleo n Gli avvolgimenti biconcentrici sono usati in macchine di grande potenza e ad alta tensione, dove un elevato grado di dispersione rende difficile far scendere la tensione di corto circuito ai valori desiderati. n Gli avvolgimenti alternati sono usati in macchine di piccole potenza, o quando si voglia accedere con pari facilità ai due avvolgimenti. La BT, per motivi di isolamento e in genere allesterno. n Laltezza, h, dellavvolgimento è determinata dalle sollecitazioni magnetiche

11 t al fine di ridurre al minimo le sollecitazioni assiali negli avvolgimenti, causate dagli sforzi elettrodinamici prodotti da eventuali correnti di corto circuito, è necessario che gli avvolgimenti BT ed AT abbiano la stessa altezza e siano per quanto possibile centrati fra loro; t tale disposizione consente anche di minimizzare la reattanza di dispersione e quindi la tensione di corto circuito del trasformatore; t gli avvolgimenti sono bloccati mediante blocchetti di resina fissati sulle armature con tiranti filettati che lavorano su piastre di acciaio, fogli di gomma consentono di ottenere una certa elasticità e di evitare possibili cricche nella resina. t al fine di ridurre al minimo le sollecitazioni assiali negli avvolgimenti, causate dagli sforzi elettrodinamici prodotti da eventuali correnti di corto circuito, è necessario che gli avvolgimenti BT ed AT abbiano la stessa altezza e siano per quanto possibile centrati fra loro; t tale disposizione consente anche di minimizzare la reattanza di dispersione e quindi la tensione di corto circuito del trasformatore; t gli avvolgimenti sono bloccati mediante blocchetti di resina fissati sulle armature con tiranti filettati che lavorano su piastre di acciaio, fogli di gomma consentono di ottenere una certa elasticità e di evitare possibili cricche nella resina.

12 I Materiali Conduttori per Trasformatori

13 Proprietà determinanti nella scelta di un conduttore resistività elettrica e sua dipendenza dalla temperatura proprietà meccaniche: resistenza alla trazione, modulo di elasticità, allungamento (parametri importanti nelle linee aerere), resistenza alla torsione e la piegamento (importante per i conduttori cordati), durezza, resilienza ecc. proprietà tecnologiche (lavorabilità): malleabilità, duttilità (importante per ottenere fili sottili alla trafila), aldabilità proprietà termiche: conducibilità termica (sempre elevata nei metalli), coefficiente di dilatazione termica (importante nelle linee aeree e negli avvolgimenti), temperatura di fusione i materiali conduttori impiegati nellindustria elettrica sono quasi esclusivamente il rame e lalluminio

14 La scala IACS è una scala internazionale di conducibilità che attribuisce il valore 100 % alla conducibilità a 20 °C del campione internazionale del rame ricotto ( = 58,00 m/ mm 2 ) Proprietà fisiche del rame e dellalluminio ramealluminio Temperatura di fusione (°C) Peso specifico (kg/dm 3 )8,892,7 Resistenza a trazione (N/mm 2 )150÷20070÷90 Modulo di elasticità (kg/mm 2 ) Calore specifico (J/kgK) Conduttività termica (W/mK)392~210 Coeff.di dilatazione termica (m/mK)· ,323,6 Durezza (HBN)4518÷25 Conducibiltà (m/ mm 2 ) 58 (100% IACS) 35,21 (62% IACS) Resisitività ( mm 2 /m) 0,

15 FILI E PIATTINE CONDUTTRICI n La produzione dei conduttori (forme, dimensioni, isolamento e tolleranze) è regolata dalle norme: UNEL 01722/3-5 per i fili UNEL 01612/13 per le piattine n La produzione dei conduttori (forme, dimensioni, isolamento e tolleranze) è regolata dalle norme: UNEL 01722/3-5 per i fili UNEL 01612/13 per le piattine

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18 n La scelta tra sezione circolare e quella rettangolare dipende dalla sezione complessiva che si intende realizzare e dalla I n n Nelle sezioni rettangolari la scelta delle dimensioni in base ed altezza sono lasciate alla discrezionalità del progettista per ottenere forme larghe/strette o basse/alte n I conduttori vengono forniti in rotoli e possono essere isolati o no. Se sono isolati si fa riferimento in primo luogo alla classe di isolamento del materiale. n Si deve considerare lo spessore dellisolamento che cambia in rapporto alle prestazioni ed alle caratteristiche del materiale isolante scelto n La scelta tra sezione circolare e quella rettangolare dipende dalla sezione complessiva che si intende realizzare e dalla I n n Nelle sezioni rettangolari la scelta delle dimensioni in base ed altezza sono lasciate alla discrezionalità del progettista per ottenere forme larghe/strette o basse/alte n I conduttori vengono forniti in rotoli e possono essere isolati o no. Se sono isolati si fa riferimento in primo luogo alla classe di isolamento del materiale. n Si deve considerare lo spessore dellisolamento che cambia in rapporto alle prestazioni ed alle caratteristiche del materiale isolante scelto

19 Tutti questi materiali sono termo-indurenti con funzioni cementanti Vengono anche forniti grafici per la scelta delle dimensioni. Es: Tutti questi materiali sono termo-indurenti con funzioni cementanti Vengono anche forniti grafici per la scelta delle dimensioni. Es:

20 Si distinguono in n Isolanti Interni (isolamento di spira, isolamento tra strati e fra bobine) n Isolanti Esterni (isolamenti tra avvolgimenti e parti metalliche a terra, isolamento tra le fasi) per lisolamento di spira si fa riferimento ai dati di catalogo forniti dai costruttori di fili e piattine lisolamento di sezione viene realizzato con fogli di carta o film di materiale termo-plastico lisolamento di bobina con dei nastri di cotone, tela o materiale plastico termo indurente dalle buone proprietà di conducibilità termica Si distinguono in n Isolanti Interni (isolamento di spira, isolamento tra strati e fra bobine) n Isolanti Esterni (isolamenti tra avvolgimenti e parti metalliche a terra, isolamento tra le fasi) per lisolamento di spira si fa riferimento ai dati di catalogo forniti dai costruttori di fili e piattine lisolamento di sezione viene realizzato con fogli di carta o film di materiale termo-plastico lisolamento di bobina con dei nastri di cotone, tela o materiale plastico termo indurente dalle buone proprietà di conducibilità termica MATERIALI E SISTEMI ISOLANTI

21 Polivinilacetalico (Cl-B) bisp_ mm bisp_ mm bisp_ mm Appl. BT Polivinilacetalico (Cl-B) bisp_ mm bisp_ mm bisp_ mm Appl. BT ISOLAMENTI DI RICOPRIMENTO DI FILI E PIATTINE Poliuretano (Cl-B E F) bisp_ mm bisp_ mm bisp_ mm Appl. Fili sottili e basse I Poliuretano (Cl-B E F) bisp_ mm bisp_ mm bisp_ mm Appl. Fili sottili e basse I Poliesteri (Cl-H) poliamidico-imidico bisp. da 2 a 4 Appl. AT Poliesteri (Cl-H) poliamidico-imidico bisp. da 2 a 4 Appl. AT Poliimidico (Cl-H) bisp. da 2 a 4 Appl. AT Poliimidico (Cl-H) bisp. da 2 a 4 Appl. AT

22 CARTE E CARTONI PER USO ELETTRICO n Carte e cartoni sono, assieme alle tele di cotone, gli unici prodotti di origine naturale largamente impiegati nellingegneria elettrica. n Si tratta di prodotti a base di cellulosa purissima, con grado di acidità praticamente nullo. n Daltra parte la carta costituisce unottima barriera di filtro per sistemi di isolamento a base di fluidi liquidi o gassosi. n Le sue caratteristiche sono molto influenzate dallumidità e ciò limita la classe di isolamento n La porosità limita la rigidità dielettrica a kV/mm n Se impregnata in olio la rigidità può arrivare a kV/mm e varia con la temperatura. n La carta è prodotta a partire da spessori di mm. Nei trasformatori si impiegano carte con spessori unitari di mm. n Carte e cartoni sono, assieme alle tele di cotone, gli unici prodotti di origine naturale largamente impiegati nellingegneria elettrica. n Si tratta di prodotti a base di cellulosa purissima, con grado di acidità praticamente nullo. n Daltra parte la carta costituisce unottima barriera di filtro per sistemi di isolamento a base di fluidi liquidi o gassosi. n Le sue caratteristiche sono molto influenzate dallumidità e ciò limita la classe di isolamento n La porosità limita la rigidità dielettrica a kV/mm n Se impregnata in olio la rigidità può arrivare a kV/mm e varia con la temperatura. n La carta è prodotta a partire da spessori di mm. Nei trasformatori si impiegano carte con spessori unitari di mm.

23 Le CEI 15-2 ed UNEL classificano 4 tipi di carta: n Tipo A: PRESSPAN, cartone pressato senza trattamenti (Er=5- 7 kV/mm in aria e kV/mm in olio a 90°, spessori da 0.5 ad 1.5 mm, r =4-5.5 n Tipo B: TRANSFORMERBOARD, poco porosa ma con elevato grado di assorbenza di olio e rigidità di 5-12 kV/mm (aria) - 16 kV/mm (olio), spessori da 0.2 a 5 mm, r =1.6-2 n Tipo C cartone poco poroso meno denso, stessa rigidità e stesse dimensioni rispetto al tipo A n Tipo D, cartoni sottili, spessori mm e rigidità sui 10 kV/mm Le CEI 15-2 ed UNEL classificano 4 tipi di carta: n Tipo A: PRESSPAN, cartone pressato senza trattamenti (Er=5- 7 kV/mm in aria e kV/mm in olio a 90°, spessori da 0.5 ad 1.5 mm, r =4-5.5 n Tipo B: TRANSFORMERBOARD, poco porosa ma con elevato grado di assorbenza di olio e rigidità di 5-12 kV/mm (aria) - 16 kV/mm (olio), spessori da 0.2 a 5 mm, r =1.6-2 n Tipo C cartone poco poroso meno denso, stessa rigidità e stesse dimensioni rispetto al tipo A n Tipo D, cartoni sottili, spessori mm e rigidità sui 10 kV/mm

24 SISTEMI DI ISOLAMENTO n NOMEX: carta in fibre corte e legante di poliamide aromatico (resistente in temperatura). Viene fornita in fogli e presenta buona stabilità termica fino ai 300°. Viene collocata nelle classi tra C ed H. 38 kV/mm la sua rigidità di riferimento, r = Film plastici per fogli sottili (sotto 0.01 mm) n Mylar: poliestere (teraftalato di polietilene). Viene utilizzato tra -60° °C. La sua rigidità raggiunge i kV/mm, r =3 -4 n Kapton a base di resine polimidiche, viene considerato di classe C. Opportunamente trattato (es. combinato con teflon) è in classe H o F, r = n NOMEX: carta in fibre corte e legante di poliamide aromatico (resistente in temperatura). Viene fornita in fogli e presenta buona stabilità termica fino ai 300°. Viene collocata nelle classi tra C ed H. 38 kV/mm la sua rigidità di riferimento, r = Film plastici per fogli sottili (sotto 0.01 mm) n Mylar: poliestere (teraftalato di polietilene). Viene utilizzato tra -60° °C. La sua rigidità raggiunge i kV/mm, r =3 -4 n Kapton a base di resine polimidiche, viene considerato di classe C. Opportunamente trattato (es. combinato con teflon) è in classe H o F, r =

25 n NOMEX: carta in fibre corte e legante di poliamide aromatico (resistente in temperatura). Viene fornita in fogli e presenta buona stabilità termica fino ai 300°. Viene collocata nelle classi tra C ed H. 38 kV/mm la sua rigidità di riferimento Film plastici per fogli sottili (sotto 0.01 mm) n Mylar: poliestere (teraftalato di polietilene). Viene utilizzato tra -60° °C. La sua rigidità raggiunge i kV/mm n Kapton a base di resine polimidiche, viene considerato di classe C. Opportunamente trattato (es. combinato con teflon) è in classe H o F. Viene incollato ad altri materiali per aumentare la consistenza meccanica. E disponibile in spessori di mm e larghezze di mm. E costoso n NOMEX: carta in fibre corte e legante di poliamide aromatico (resistente in temperatura). Viene fornita in fogli e presenta buona stabilità termica fino ai 300°. Viene collocata nelle classi tra C ed H. 38 kV/mm la sua rigidità di riferimento Film plastici per fogli sottili (sotto 0.01 mm) n Mylar: poliestere (teraftalato di polietilene). Viene utilizzato tra -60° °C. La sua rigidità raggiunge i kV/mm n Kapton a base di resine polimidiche, viene considerato di classe C. Opportunamente trattato (es. combinato con teflon) è in classe H o F. Viene incollato ad altri materiali per aumentare la consistenza meccanica. E disponibile in spessori di mm e larghezze di mm. E costoso

26 CARTE CARICATE Bachelite: carte impregnate in resine fenoliche rigidità sui 10 kV/mm, r =5-8 Carta Kraft: Cellulosa caricata con solfati ed impregnata con resine fenoliche, Spessori da 1 -3 mm con rigidità da 20 a 15 kV/mm allaumentare della temperatura, r =2.5-4 Nomex: carta impregnata con resine poliammidiche per rigidità di 20 kV/mm e spessori da 1 a 3 mm. Presenta le migliori prestazioni in fogli sottili, r = CARTE CARICATE Bachelite: carte impregnate in resine fenoliche rigidità sui 10 kV/mm, r =5-8 Carta Kraft: Cellulosa caricata con solfati ed impregnata con resine fenoliche, Spessori da 1 -3 mm con rigidità da 20 a 15 kV/mm allaumentare della temperatura, r =2.5-4 Nomex: carta impregnata con resine poliammidiche per rigidità di 20 kV/mm e spessori da 1 a 3 mm. Presenta le migliori prestazioni in fogli sottili, r = Legno Faggio trattato con vapore di acqua per liberarlo dai sali minerali (conduttori). Viene poi impregnato con olii o vernici per ridurre ligroscopicità. La rigidità è di kV/mm. Trova impiego per supporto meccanico

27 FIBRE TESSILI Sono buoni isolanti solo se trattati per ridurre il tenore di acqua e verniciati per impedirne il riassorbimento Cotone: i filati di cotone hanno spessori di mm e vengono avvolti più volte per conferire anche una robustezza meccanica alle bobine. Data la sua naturale porosità, viene impregnato dopo la applicazione. Si possono raggiungere rigidità di kV/mm, r =1 Lino: le tele di lino servono per dare consistenza meccanica a forme realizzate con resine Seta: ha le stesse proprietà del cotone. Si realizzano spessori minori con un maggiore costo Sono buoni isolanti solo se trattati per ridurre il tenore di acqua e verniciati per impedirne il riassorbimento Cotone: i filati di cotone hanno spessori di mm e vengono avvolti più volte per conferire anche una robustezza meccanica alle bobine. Data la sua naturale porosità, viene impregnato dopo la applicazione. Si possono raggiungere rigidità di kV/mm, r =1 Lino: le tele di lino servono per dare consistenza meccanica a forme realizzate con resine Seta: ha le stesse proprietà del cotone. Si realizzano spessori minori con un maggiore costo

28 Fibre di Vetro (Elettrovetro) Proprietà: n stabilità in temperatura strutturale e dimensionale (fino a 700°) n elevata conducibilità termica e bassa igroscopicità n elevata resistenza meccanica e buona flessibilità (non curvare molto) n buona tenuta agli agenti chimici I nastri sono prodotti a partire da spessori di Grezzi sono classificati in classe C e si prestano ad essere polimerizzati con qualsiasi tipo di resina impregnante La rigidità allora raggiunge i kV/mm e può essere raggiunta la classe F con impregnazione di epossidiche Vengono utilizzate nei bendaggi contro massa e per la realizzazione di anelli e piastre di tenuta meccanica r =4-10 per il vetro comune Proprietà: n stabilità in temperatura strutturale e dimensionale (fino a 700°) n elevata conducibilità termica e bassa igroscopicità n elevata resistenza meccanica e buona flessibilità (non curvare molto) n buona tenuta agli agenti chimici I nastri sono prodotti a partire da spessori di Grezzi sono classificati in classe C e si prestano ad essere polimerizzati con qualsiasi tipo di resina impregnante La rigidità allora raggiunge i kV/mm e può essere raggiunta la classe F con impregnazione di epossidiche Vengono utilizzate nei bendaggi contro massa e per la realizzazione di anelli e piastre di tenuta meccanica r =4-10 per il vetro comune

29 REQUISITI PRINCIPALI RICHIESTI AD UN LIQUIDO ISOLANTE n Rigidità dielettrica e resistività di massa elevate. n Basse perdite. n Elevata o bassa costante dielettrica. n Conducibilità termica e calore specifico elevati. n Stabilità chimica e buon assorbimento dei gas. n Bassa viscosità a bassa temperatura. n Bassa volatilità ed elevato punto di accensione. n Basso potere solvente e bassa densità. n Buone capacità di estinzione dellarco. n Non infiammabile, non tossico. n Economico e facilmente reperibile. n Rigidità dielettrica e resistività di massa elevate. n Basse perdite. n Elevata o bassa costante dielettrica. n Conducibilità termica e calore specifico elevati. n Stabilità chimica e buon assorbimento dei gas. n Bassa viscosità a bassa temperatura. n Bassa volatilità ed elevato punto di accensione. n Basso potere solvente e bassa densità. n Buone capacità di estinzione dellarco. n Non infiammabile, non tossico. n Economico e facilmente reperibile.

30 PRINCIPALI ISOLANTI LIQUIDI I principali liquidi isolanti sono: n idrocarburi derivati dal petrolio (oli minerali). n idrocarburi di sintesi n oli siliconici n esteri organici. Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB il cui uso è vietato per il loro impatto ambientale. I principali liquidi isolanti sono: n idrocarburi derivati dal petrolio (oli minerali). n idrocarburi di sintesi n oli siliconici n esteri organici. Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB il cui uso è vietato per il loro impatto ambientale.

31 OLI MINERALI n Derivano dalla distillazione frazionata del petrolio. n Le Norme IEC li suddividono in tre classi, adatte per diverse temperature ambientali. n Queste classi si differenziano per la diversa viscosità (16,5 - 3,5 mm 2 /s a 40 °C), i valori di densità ( g/dm 3 a 20 °C) ed il punto di rammollimento (- 30, - 60 °C). n Derivano dalla distillazione frazionata del petrolio. n Le Norme IEC li suddividono in tre classi, adatte per diverse temperature ambientali. n Queste classi si differenziano per la diversa viscosità (16,5 - 3,5 mm 2 /s a 40 °C), i valori di densità ( g/dm 3 a 20 °C) ed il punto di rammollimento (- 30, - 60 °C).

32 DENSITÀ, VISCOSITÀ E POUR POINT DI OLI DI CLASSE I, II E III.

33 PROPRIETÀ DIELETTRICHE DI UN OLIO MINERALE

34 IDROCARBURI DI SINTESI Si possono avere: n Idrocarburi olefinici n Idrocarburi alchil- aromatici Presentano una composizione più riproducibile e una chimica più semplice degli oli minerali rispetto ai quali hanno caratteristiche dielettriche migliori. Si possono avere: n Idrocarburi olefinici n Idrocarburi alchil- aromatici Presentano una composizione più riproducibile e una chimica più semplice degli oli minerali rispetto ai quali hanno caratteristiche dielettriche migliori.

35 PROPRIETÀ DIELETTRICHE DI IDROCARBURI DI SINTESI

36 OLI SILICONICI ED ESTERI ORGANICI n Gli oli siliconici sono derivati dalla chimica del silicio, con elevata stabilità termica e temperatura di infiammabilità > 340 °C. n Hanno costante dielettrica pari a 2,7 - 3 n Le loro caratteristiche dielettriche sono paragonabili a quelle degli oli minerali. n Gli esteri organici hanno caratteristiche dielettriche meno buone degli oli isolanti. n Presentano, invece, ottima stabilità termica e costante dielettrica più elevata (2,9 - 4,3). n Gli oli siliconici sono derivati dalla chimica del silicio, con elevata stabilità termica e temperatura di infiammabilità > 340 °C. n Hanno costante dielettrica pari a 2,7 - 3 n Le loro caratteristiche dielettriche sono paragonabili a quelle degli oli minerali. n Gli esteri organici hanno caratteristiche dielettriche meno buone degli oli isolanti. n Presentano, invece, ottima stabilità termica e costante dielettrica più elevata (2,9 - 4,3).

37 PROPRIETÀ DIELETTRICHE DI UN OLIO SILICONICO

38 n È molto utile la verifica annuale degli olii con una prova di rigidità dielettrica. Se è troppo bassa si verifica la causa n se cè contaminazione di acqua si provvede ad una separazione mediante centrifugazione (lacqua pesa di più dellolio) n Se ci sono troppi prodotti di degradazione dellolio si provvede alla sua sostituzione (olio esausto) n È molto utile la verifica annuale degli olii con una prova di rigidità dielettrica. Se è troppo bassa si verifica la causa n se cè contaminazione di acqua si provvede ad una separazione mediante centrifugazione (lacqua pesa di più dellolio) n Se ci sono troppi prodotti di degradazione dellolio si provvede alla sua sostituzione (olio esausto)

39 SISTEMI DI ISOLAMENTO IMPREGNATI CON GAS O LIQUIDI n La forte dipendenza dalle impurità delle caratteristiche dielettriche di isolamenti gassosi o liquidi suggerisce di interporre barriere isolanti solide fra parti a diverso potenziale per ottenere migliori prestazioni. n In pratica si effettuano nastrature intorno allelemento in tensione utilizzando due possibili tipologie di materiali: n nastri porosi realizzati con carta naturale, cotone elettrovetro (daglas) o polimerici (Kapton a base di poliimmidica, Teflon). n nastri ottenuti da film polimerici microcorrugati su una faccia n La forte dipendenza dalle impurità delle caratteristiche dielettriche di isolamenti gassosi o liquidi suggerisce di interporre barriere isolanti solide fra parti a diverso potenziale per ottenere migliori prestazioni. n In pratica si effettuano nastrature intorno allelemento in tensione utilizzando due possibili tipologie di materiali: n nastri porosi realizzati con carta naturale, cotone elettrovetro (daglas) o polimerici (Kapton a base di poliimmidica, Teflon). n nastri ottenuti da film polimerici microcorrugati su una faccia

40 n I nastri microcorrugati contribuiscono alla tenuta dielettrica del sistema sia con azione di filtraggio che con la creazione di barriere ad elevata rigidità dielettrica. n È fondamentale un accurato filtraggio, degasaggio ed essicamento del fluido, effettuato con centrifugazione e filtrazione a caldo dellolio. n È necessario che queste operazioni vengano effettuate sottovuoto. n Si usano per cavi MT ed AT, trasformatori, condensatori, passanti. n I nastri microcorrugati contribuiscono alla tenuta dielettrica del sistema sia con azione di filtraggio che con la creazione di barriere ad elevata rigidità dielettrica. n È fondamentale un accurato filtraggio, degasaggio ed essicamento del fluido, effettuato con centrifugazione e filtrazione a caldo dellolio. n È necessario che queste operazioni vengano effettuate sottovuoto. n Si usano per cavi MT ed AT, trasformatori, condensatori, passanti.

41 SISTEMI DI ISOLAMENTO IMPREGNATI CON LIQUIDI O GAS ISOLANTI n La maggior parte dei trasformatori, specialmente quelli di grande potenza, adottano sistemi di isolamento costituiti da barriere porose in carta cellulosica, impregnate con olio minerale, costituito da idrocarburi aciclici. n Si hanno anche numerosi esempi di trasformatori di distribuzione impregnati con liquidi isolanti di sintesi o con oli di tipo siliconico. n Si hanno infine alcuni esempi di macchine impregnate con esafluoruro di zolfo. n La maggior parte dei trasformatori, specialmente quelli di grande potenza, adottano sistemi di isolamento costituiti da barriere porose in carta cellulosica, impregnate con olio minerale, costituito da idrocarburi aciclici. n Si hanno anche numerosi esempi di trasformatori di distribuzione impregnati con liquidi isolanti di sintesi o con oli di tipo siliconico. n Si hanno infine alcuni esempi di macchine impregnate con esafluoruro di zolfo.

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43 Il sistema isolante carta-olio è quello più affidabile per le apparecchiature in alta ed altissima tensione (trasformatori, isolatori passanti, cavi). Esso consiste in carta o cartone di cellulosa pura accuratamente impregnata di olio isolante: la carta è un materiale molto poroso che contiene al suo interno aria e altri gas; può avere quindi una bassa rigidità dielettrica; la scarica nellolio è agevolata dai movimenti del fluido provocati anche dal campo elettrico; Lunione dei due materiali permette di avere prestazioni superiori a quelle dei singoli componenti lolio riempie le porosità e le cavità gassose della carta impedendo linnesco della scarica nei gas la carta agisce da barriera, impedendo i movimenti dellolio che agevolano il processo di scarica Sistema isolante carta-olio

44 Perché il sistema carta-olio funzioni è necessario che lolio impregni bene la carta, e le prestazioni sono maggiori quanto più accurato è il processo di impregnazione. La rigidità dielettrica del sistema dipende quindi molto da le modalità (tempi, temperature, ecc.) del processo di impregnazione; il contenuto di gas e di umidità ancora presenti al termine di tale processo; la presenza di impurezze e di prodotti del deterioramento determinato dai processi dinvecchiamento; la complessità del processo di scarica nei liquidi che risente dei movimenti fluidodinamici provocati anche dal campo elettrico applicato. la forma donda della tensione applicata e dalla geometria degli elettrodi (molto complessa in una macchina). La rigidità dielettrica dipende quindi da fattori difficilmente valutabili ed i risultati sperimentali hanno una notevole dispersione. Per tutto questo è possibile dare solo valori indicativi che possono variare ampiamente nei vari nei singoli casi particolari. Rigidità dielettrica del sistema carta-olio

45 d carta: fra piattine Tensione di scarica a 50 Hz (kV eff ) per una isolamento carta-olio Hz (kV eff ) d (mm) /50 (kV c ) 1/50 50 Hz La tenuta allimpulso atmosferico è superiore a quella a frequenza industriale; le sovratensione atmosferiche hanno però valore di cresta molto più elevato il dimensionamento dellisolamento è determinato dalle prove allimpulso atmosferico

46 Umidità (%) E r (%) Riduzione della rigidità dielettrica di un isolamento carta-olio in funzione dellumidità assorbita Lumidità assorbita da un isolamento carta-olio: riduce la rigidità dielettrica riduce il tempo di vita operativa favorisce linsorgere di scariche parziali Effetto dellumidità

47 Criterio di guasto: 50% della rottura a trazione della carta Umidità percentuale per peso a secco (%) t v (anni) Riduzione del tempo di vita dellisolamento in carta-olio di un trasformatore in funzione dellumidità

48 le impurità e le particelle sospese vengono eliminate con operazioni di filtraggio lumidità viene ridotta con trattamenti di essicazione e degasificazione a caldo che si possono prolungare per alcune settimane tuttavia una elevata temperatura provoca un processo di decomposizione della carta che origina gas e acqua non è quindi pensabile di ottenere strutture isolanti completamente esenti da umidità o gas, ma è solamente possibile ridurne il contenuto entro limiti ragionevoli Prima della messa in servizio di un trasformatore, di solito debbono essere verificate le seguenti condizioni relative allolio presente nella cassa: 10 m Particelle residue di diametro 50 kVTensione di scarica (*) 0,25%Contenuto totale di gas 10 p.p.mContenuto totale dacqua (*) sfere ø = 10 mm, d = 2,5 mm

49 Film di carta (tipo Kraft) Cartoni per lisolamento di un avvolgimento Isolamenti in carta per trasformatori

50 Isolamento in carta di un trasformatore trifase (prima dellimpregnazione con olio) Inserimento della parte attiva isolata in carta nella cassa dellolio – trasformatore da 8 MVA Trasformatori isolati in carta olio

51 AVVOLGIMENTI PER BASSA TENSIONE (< V) Gli avvolgimenti di bassa tensione possono essere a spirale semplice o multipla o a eventualmente costituiti da una spirale a più principi posti in parallelo. A SPIRALE SEMPLICE A SPIRALE MULTIPLA

52 Per rendere meccanicamente compatta la struttura si inseriscono, in testata, gli anelli di livellamento di base h t altezza di una spira. Per rendere meccanicamente compatta la struttura si inseriscono, in testata, gli anelli di livellamento di base h t altezza di una spira.

53 GLI AVVOLGIMENTI Gli avvolgimenti sono realizzati in rame o, più spesso, in alluminio (meno costoso e meno pesante, con una conducibilità di poco inferiore al rame). Lavvolgimento viene realizzato con lausilio di speciali macchine bobinatrici che avvolgono il conduttore su un apposito supporto a forma di cilindro cavo, che verrà poi infilato su una colonna del trasformatore.

54 Possono essere in filo tondo ma, dato che le correnti sono piuttosto elevate, si realizzano in piattina Trasposizioni n In pratica la necessità di ridurre le perdite addizionali obbliga quasi sempre ad adottare avvolgimenti trasposti. La trasposizione rende uniformi le perdite n Lo schema di trasposizione più frequentemente adottato è il tipo Rœbel. Possono essere in filo tondo ma, dato che le correnti sono piuttosto elevate, si realizzano in piattina Trasposizioni n In pratica la necessità di ridurre le perdite addizionali obbliga quasi sempre ad adottare avvolgimenti trasposti. La trasposizione rende uniformi le perdite n Lo schema di trasposizione più frequentemente adottato è il tipo Rœbel.

55 SCHEMA DI TRASPOSIZIONE TIPO ROEBEL SCHEMA DI TRASPOSIZIONE TIPO ROEBEL SCHEMA DI TRASPOSIZIONE PER AVVOLGIMENTO DI BASSA TENSIONE SCHEMA DI TRASPOSIZIONE PER AVVOLGIMENTO DI BASSA TENSIONE

56 Con la trasposizione ogni fase è sottoposta allo stesso regime di campo, rendendo con ciò uniformi le perdite ed, in fase di progetto, non è necessario introdurre dei coefficienti per tener conto delle dissimmetrie

57 AVV. B.T. IN FOGLIO PER I CAST RESIN COLLARI ISOLANTI FOGLIO CONDUTTORE ISOLAMENTO IN NOMEX O PREPREG

58 Preparazione di conduttori in nastro di rame per lavvolgimento di un trasformatore

59 AVVOLGIMENTO B.T. IN FOGLIO COLLARI ISOLANTI IN CARTA ARAMIDICA FOGLIO CONDUTTORE IN ALLUMINIO ISOLAMENTO IN CARTA ARAMIDICA 2 STRATI 0,08 mm 12mm Il tutto viene inserito in apposite forme per la colata di resina

60 AVVOLGIMENTO MULTI-STRATO BT (2 o 3) 1 Sia 1 lo spessore dellavv. BT. 1 =(d+c+a)n s -c dove d è lo spessore del cartone isolante c del canale di raff. a lordo del conduttore n s è il numero di strati Sia 1 lo spessore dellavv. BT. 1 =(d+c+a)n s -c dove d è lo spessore del cartone isolante c del canale di raff. a lordo del conduttore n s è il numero di strati d c a Sia N 1 in numero di spire BT Le spire di una colonna sono n 1 =N 1 /n s Se b è lo spessore lordo della piattina, s è lo spessore del canale di raffreddamento allora laltezza dellavvolgimento è: h 1 =n1(b+2s)-2s Sia N 1 in numero di spire BT Le spire di una colonna sono n 1 =N 1 /n s Se b è lo spessore lordo della piattina, s è lo spessore del canale di raffreddamento allora laltezza dellavvolgimento è: h 1 =n1(b+2s)-2s

61 Se le spire sono appoggiate una allaltra si considera un aumento di spessore del 3% (1.03) per tenere conto del non perfetto appoggio Lo spessore dei cartoncini di BT è limitato a mm perché non deve tenere sollecitazioni elettriche Deve evitare che i difetti presenti nel raffreddante corto-circuitino le spire e che le vibrazioni non danneggino la ricopertura dei conduttori Il multistrato è facilmente raffreddabile perché consente di aumentare le superfici di scambio termico Se le spire sono appoggiate una allaltra si considera un aumento di spessore del 3% (1.03) per tenere conto del non perfetto appoggio Lo spessore dei cartoncini di BT è limitato a mm perché non deve tenere sollecitazioni elettriche Deve evitare che i difetti presenti nel raffreddante corto-circuitino le spire e che le vibrazioni non danneggino la ricopertura dei conduttori Il multistrato è facilmente raffreddabile perché consente di aumentare le superfici di scambio termico

62 AVVOLGIMENTO A FILO PER BT Filo Sezione avv. A filo Sono utilizzati fino a che la potenza lo consente (limite per le sezioni di Sc=5 mm 2 ) Oltre non si va per: n ingombri eccessivi dovuti ai vuoti inutilizzabili n fenomeni di addensamento di corrente n difficile lavorabilità Sono utilizzati fino a che la potenza lo consente (limite per le sezioni di Sc=5 mm 2 ) Oltre non si va per: n ingombri eccessivi dovuti ai vuoti inutilizzabili n fenomeni di addensamento di corrente n difficile lavorabilità

63 AVVOLGIMENTI PER ALTA TENSIONE n Sono normalmente a bobine (o gallette), con anello diffusore per migliorare il comportamento delle prime spire alle sollecitazioni impulsive. n Talvolta per tensioni dellordine delle decine di kV si usano avvolgimenti a spirale semplice. n Per tensioni da 100 kV in su si usano avvolgimenti con accorgimenti tali da ottimizzare il loro comportamento in presenza di sovratensioni di origine atmosferica (a spire interposte o a strati). n Sono normalmente a bobine (o gallette), con anello diffusore per migliorare il comportamento delle prime spire alle sollecitazioni impulsive. n Talvolta per tensioni dellordine delle decine di kV si usano avvolgimenti a spirale semplice. n Per tensioni da 100 kV in su si usano avvolgimenti con accorgimenti tali da ottimizzare il loro comportamento in presenza di sovratensioni di origine atmosferica (a spire interposte o a strati).

64 AVVOLGIMENTI A BOBINA PER AT Quando si superano i V è preferibile passare agli avvolgimenti a bobine. Questo viene favorito dalla relativamente bassa I 2n ed elevato N 2 che si ha in AT n fare si che lisolamento permetta limpiego di elevatissime tensioni Quando si superano i V è preferibile passare agli avvolgimenti a bobine. Questo viene favorito dalla relativamente bassa I 2n ed elevato N 2 che si ha in AT n fare si che lisolamento permetta limpiego di elevatissime tensioni n creare dei canali di raffreddamento che attraversino il nucleo dellavvolgimento n equilibrare le sollecitazioni unitarie nelle varie sezioni del trasformatore n creare dei canali di raffreddamento che attraversino il nucleo dellavvolgimento n equilibrare le sollecitazioni unitarie nelle varie sezioni del trasformatore

65 Per garantire il flusso del fluido refrigerante prevedo dei canali interbobina di mm si avvolge il conduttore a strati. Il numero degli strati deve essere dispari perché viene favorita la simmetria Se gli strati sono molti, inserisco dei fogli di isolante per evitare il contatto elettrico tra spire di diversa tensione (200 V max.) Se il n. di strati è eccessivo si divide la bobina in sezioni interne separate da un cartone di rinforzo meccanico ed elettrico Per garantire il flusso del fluido refrigerante prevedo dei canali interbobina di mm si avvolge il conduttore a strati. Il numero degli strati deve essere dispari perché viene favorita la simmetria Se gli strati sono molti, inserisco dei fogli di isolante per evitare il contatto elettrico tra spire di diversa tensione (200 V max.) Se il n. di strati è eccessivo si divide la bobina in sezioni interne separate da un cartone di rinforzo meccanico ed elettrico

66 Le sezioni devono essere simmetriche e si realizzano prendendo una semi bobina, ribaltandola in modo che luscita di una sia subito affacciata allingresso dellaltra, dalla stessa parte Le bobine vengono nastrate con cotone in modo da conferire robustezza meccanica. Nei Cast-Resin, le bobine vengono incapsulate in resina Nei raffreddamenti a liquido, il cotone è da preferirsi per la sua capacità di far circolare il liquido Ogni bobina deve tenere circa Val massimo Le sezioni devono essere simmetriche e si realizzano prendendo una semi bobina, ribaltandola in modo che luscita di una sia subito affacciata allingresso dellaltra, dalla stessa parte Le bobine vengono nastrate con cotone in modo da conferire robustezza meccanica. Nei Cast-Resin, le bobine vengono incapsulate in resina Nei raffreddamenti a liquido, il cotone è da preferirsi per la sua capacità di far circolare il liquido Ogni bobina deve tenere circa Val massimo Trasposizioni Anche le bobine di AT devono essere realizzate le trasposizioni di conduttori per limitare le dissimmetrie geometriche che provocano dissimmetrie elettriche e disuniformità di perdite Trasposizioni Anche le bobine di AT devono essere realizzate le trasposizioni di conduttori per limitare le dissimmetrie geometriche che provocano dissimmetrie elettriche e disuniformità di perdite

67 AVVOLGIMENTI A. T. PER TRASFORMATORI INGLOBATI IN RESINA TERMOINDURENTE RESINA NASTRO IN METALLO (Cu, Al) FILM ISOLANTE

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69 AVVOLGIMENTO A. T. INGLOBATO IN RESINA TERMOINDURENTE RESINA EP NASTRO IN METALLO (Cu, Al) FILM ISOLANTE 5 mm 6 mm 2 strati PET 0,025 mm

70 AVVOLGIMENTO A DISCHI CON CONDUTTORI IN PIATTINA ISOLATA ANELLO DIFFUSORE PIATTINA ISOLATA

71 AVVOLGIMENTI A STRATI PER A. T. V 2 V 1 V 12 V x

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73 Tra le bobine di alta e di bassa vengono inseriti dei distanziatori isolanti per impedire che le impurità del liquido/gas di raffreddamento creino dei corti. Sono da prevedere dei canali di raffreddamento Tra le bobine di alta e di bassa vengono inseriti dei distanziatori isolanti per impedire che le impurità del liquido/gas di raffreddamento creino dei corti. Sono da prevedere dei canali di raffreddamento

74 Queste scelte determinano i diametri interni, esterni e medi degli avvolgimenti Tra uno strato e laltro deve essere previsto un canale di raffreddamento La tenuta e la canalizzazione sono assicurate da separatori di legno trattato, vetroresina o plastica Per correnti nominali In<2500 A Tra uno strato e laltro deve essere previsto un canale di raffreddamento La tenuta e la canalizzazione sono assicurate da separatori di legno trattato, vetroresina o plastica Per correnti nominali In<2500 A

75 ANCORAGGI DEGLI AVVOLGIMENTI

76 I serraggi possono essere rigidi o elastici Tra le viti di serraggio e le bobine vengono inseriti dei distanziatori di legno, vetroresina o acciaio (anello aperto) che hanno lo scopo di distribuire le forze di tenuta su tutto lavvolgimento I serraggi possono essere rigidi o elastici Tra le viti di serraggio e le bobine vengono inseriti dei distanziatori di legno, vetroresina o acciaio (anello aperto) che hanno lo scopo di distribuire le forze di tenuta su tutto lavvolgimento

77 VERIFICA DEL GRADIENTE ELETTRICO n Lo spessore dei materiali isolanti viene calcolato o verificato tenendo conto di un coefficiente di sicurezza che può variare tra (V eff =K s E r ) Es.: considero un tratto di trasformatore dalla superficie unitaria n Lo spessore dei materiali isolanti viene calcolato o verificato tenendo conto di un coefficiente di sicurezza che può variare tra (V eff =K s E r ) Es.: considero un tratto di trasformatore dalla superficie unitaria Avvolgimento esterno Lama di aria Parete del cassone Olio isolante Isolante Solido La tensione sia V p =21KV X 1 =0.1 mm di aria ( r =1, E r =2.5 kV/mm) X 2 =3 mm di carta impregnata di olio ( r =4.5, E r =30kV/mm) X 3 =7 mm di olio refrigerante ( r =2.5, Er=15kVmm) La tensione sia V p =21KV X 1 =0.1 mm di aria ( r =1, E r =2.5 kV/mm) X 2 =3 mm di carta impregnata di olio ( r =4.5, E r =30kV/mm) X 3 =7 mm di olio refrigerante ( r =2.5, Er=15kVmm) x3x3 x2x2 x1x1

78 Verifichiamo se i gradienti effettivi sono al di sotto della soglia di sicurezza Considero due condensatori a facce piane e parallele con la stessa superfice s, diversi spessori e diversi materiali isolanti. Se Vp è la tensione di prova, la tensione ai capi dei condensatori è

79 Allo stesso modo In generale

80 Esempio 1: solo isolante ed olio Ho un gradiente di 1.23 kV/mm per la carta per una rigidità di 30 ed un gradiente di 2.42 kV/mm per lolio che tiene fino a 15 kV/mm. Lisolamento è sovra dimensionato ed andrebbe ridotto ( a meno di problemi meccanici o tecnologici )

81 Esempio 2: cè anche la lama di aria di 0.1 mm con solido ed olio Per laria ho un gradiente di 4.7 kV/mm effettivo per una rigidità di 2.5. Laria non tiene il campo impresso e scarica. Si generano così scariche parziali nel sistema isolante che ne riducono la vita


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