Raffreddamento dei trasformatori Le perdite sono proporzionali al peso del componente. La cessione all’ambiente del calore prodotto da tali perdite, avviene attraverso la superficie esterna. Il peso dipende da s3 e la superficie di scambio termico da s2, quindi le perdite, al crescere delle dimensioni e quindi del volume e della superficie esterna della macchina, aumentano più rapidamente della superficie di scambio termico attraverso la quale vengono dissipate. s Quindi: all’aumentare della potenza di una macchina elettrica devono essere adottati sistemi di raffreddamento più efficaci che portino ad un maggior scambio termico (W/cm2) sulla superficie di scambio per evitare un aumento eccessivo di temperatura in macchina dalla circolazione naturale a quella forzata dell’aria (raffreddamento a secco) ; dalla circolazione naturale alla circolazione forzata dell’olio; dalla raffreddamento naturale dell’olio con aria alla ventilazione forzata.

Sigle prevista dalle Norme CEI 76-2 per il raffreddamento dei trasformatori codice a 4 lettere Tipo di circolazione Natura del mezzo 4a lettera 3a lettera 2a lettera 1a lettera Mezzo refrigerante a contatto con gli avvolgimenti Mezzo refrigerante a contatto con il sistema esterno di raffreddamento D Forzata e guidata F Forzata non guidata N Naturale A Aria W Acqua G Gas L Liquido isolante non infiammabile O Olio isolante (infiammabile) simbolo Natura del mezzo refrigerante Tipo di circolazione Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria all’interno e forzata all’esterno ANAF Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria AN Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e forzata dell’aria ONAF Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e dell’aria ONAN esempi

RAFFREDDAMENTO DEI TRASFORMATORI IN ARIA A seconda del tipo di circolazione dei fluidi refrigeranti, si possono avere vari modi di raffreddamento, identificati con le seguenti sigle: AN (Air Natural): trasformatori a secco con circolazione naturale dell’aria, attraverso moti convettivi naturali (l’aria più calda sale, l’aria più fredda scende); AF (Air Forced): la circolazione dell’aria avviene tramite ventole, che aumentano l’efficacia del raffreddamento (in caso di guasto al sistema di raffreddamento, si ha però un rapido surriscaldamento della macchina); AD (Air Drived): aria forzata e guidata anche all’interno degli avvolgimenti I trasformatori raffreddati ad aria possono essere isolati in classi fino alla H Sia nella ventilazione naturale che quella forzata gioca un ruolo fondamentale il rivestimento di protezione. Nel primo caso il rivestimento è di solito chiuso ed il calore viene interamente smaltito attraverso la superficie del rivestimento che deve essere accuratamente scelta. Nel caso di ventilazione forzata devono essere previste delle feritoie per l’ingresso e l’uscita dell’aria.

A secco con ventilazione naturale in aria : AN forzata. a secco in resina

RAFFREDDAMENTO IN OLIO ONAN (Oil Natural Air Natural), la circolazione dell’olio all’interno del cassone e dell’aria all’esterno avvengono per moti convettivi naturali dei due fluidi. Occorre che la superficie di scambio termico (superficie del cassone) sia piuttosto estesa: si ottiene costruendo il cassone di forma ondulata o con fasci tubieri esterni per il passaggio dell’olio; ONAF (Oil Natural Air Forced): la circolazione dell’aria è attivata tramite ventole. OFAF (Oil Forced Air Forced), la circolazione dell’olio all’interno del cassone avviene tramite pompe, quella dell’aria all’esterno tramite ventole. All’esterno del cassone sono presenti dei veri e propri scambiatori di calore olio-aria (per trasformatori di elevata potenza, es. 200 MVA); OFWF (Oil Forced Water Forced): è il metodo di raffreddamento più energico, utilizzato per trasformatori di elevatissima potenza. Sono presenti scambiatori olio-acqua e la circolazione dei due fluidi è attivata mediante pompe. La pressione dell’olio deve essere più elevata di quella dell’acqua, per fare in modo che, in caso di guasto, sia l’olio a uscire e non l’acqua a entrare (basta una piccola percentuale di acqua per comprometterne la tenuta isolante. ODAN: circolazione forzata dell’olio negli avvolgimenti con raffreddamento naturale dell’olio

ELEMENTI COSTRUTTIVI L’elemento chiave è costituito dal CASSONE che contiene l’olio di raffreddamento che è composto dal mantello, dal fondo e dal coperchio. Il mantello è la sola parte attiva nel raffreddamento in quanto il fondo contribuisce poco ed il coperchio è sede degli accessori e dei componenti di collegamento Il mantello è costruito in lamiera dolce (1-2 mm di spessore) perché deve essere piegato per aumentare la superficie di scambio termico Il cassone deve essere dimensionato per contenere il giusto volume di olio, deve presentare la corretta superficie nel mantello per favorire lo scambio termico, deve essere opportunamente distanziato dalle parti elettriche per evitare scariche

Trasf. ONAN Circolazione naturale dell’olio e raffreddamento ad aria a circolazione naturale. E’ il capostipite di tutti i sistemi di raffreddamento Può essere dotato di alette, tubi di raffreddamento o radiatori esterni

I moti convettivi naturali che si instaurano all’interno del cassone portano al raffreddamento delle parti attive La superficie di scambio termico viene aumentata con la opportuna scelta di alette e tubi di raffreddamento t: passo di alettatura; d o h: altezza di alettatura a, b: gole di alettatura

I tubi di raffreddamento possono avere due configurazioni: a tubi piegati o a tubi saldati (arpe di tubi). Possiamo scegliere tra uno o più strati di tubi

In olio con circolazione naturale dell’olio e raffreddamento naturale in aria: ONAN serbatoio olio radiatori

In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell’olio. In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell’olio mediante aerotermi. olio acqua In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell’olio, con scambiatori ad acqua.

aria In olio con circolazione naturale dell’olio raffreddato ad aria forzata: ONAF aria olio In olio con circolazione forzata e guidata dell’olio raffreddato ad aria forzata: ODAF

Trasformatore circolazione guidata dell’ olio e con ventilazione forzata (ODAF) aerotermi

Scambiatore di calore olio-acqua per OFWF OFWD ODWD scambiatori di calore scambiatori di calore

Fotografia all’infrarosso di un trsaformatore in servizio (in rosso le parti a temperatura maggiore)

Schema semplificato per la demineralizzazione dell’acqua di raffreddamento dello statore avvolgimento serbatoio polmone deionizzatore refrigerante pompe di circolazione filtro

Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m3/s] qe = temperatura in entrata [°C] qu = temperatura in uscita [°C] d = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3] cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C] Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. contenuto termico specifico Asp = d · cp Portata volumetrica specifica

a = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti g = peso specifico del gas di raffreddamento c = calore specifico a pressione costante k = conducibilità termica del gas h = viscosità del gas c = 1009 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 1,2 kg/m3 k = 0,025 W/°C m ;  = 0,185 10-4 kg/s aria c = 14.500 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 0,084 kg/m3 k = 0,185 W/°C m ;  = 0,090 10-4 kg/s (W/m2) idrogeno

ACCESSORI DEI TRASFORMATORI I principali accessori dei trasformatori sono: il conservatore dell’olio; la valvola antiscoppio (a diaframma); il dispositivo di protezione dell’olio dall’umidità e dall’ossidazione; il relé Bucholz; la valvola di scarico rapido; i passanti; la valvole per il controllo dell’olio; gli elementi per la misura della temperatura; i variatori di rapporto a vuoto e a carico.

SERBATOI Il serbatoio è dimensionato per contenere il 7 - 10% del volume di olio che c’è nel cassone e nel sistema di raffreddamento La conservazione deve essere tale da impedire all’olio di inumidificarsi Nei grandi trasformatori si introducono gas inerti (azoto) per realizzare dei battenti gassosi di compensazione a bassa igroscopicità Nei grandi trasformatori viene anche impiegato un sistema barometrico

SISTEMAZIONE DI ALCUNI ACCESSORI VALVOLA A DIAFRAMMA SACCO DI PROTEZIONE CONSERVATORE BUCHOLZ Misuratore e visualizzatore di livello ESSICATORI DELL’ARIA gel di silice per deumidificare l’aria

FUNZIONAMENTO DEL RELÈ BUCHOLZ VALVOLA DI PRELIEVO GAS RELÉ A GALLEGGIANTE (ALLARME) AL CONSERVATORE RELÉ A PALETTA (DISTACCO) FLUSSO DELL’OLIO O DEL GAS

Sistema barometrico con atmosfera inerte di azoto olio cassone azoto aria filtro

Isolatori passanti Sono apparecchiature che permettono ad un conduttore in tensione di attraversare una parete, generalmente a potenziale di terra, per mettere in comunicazione due ambienti, spesso diversi. parete passante conduttore in tensione isolamento esterno (molto spesso in aria) isolamento interno

ISOLATORI PASSANTI: CLASSIFICAZIONE Gli isolatori usati negli apparati elettromeccanici possono essere dei seguenti tipi: Isolatori portanti: hanno funzioni di sostegno nelle apparecchiature, nei quadri, nelle linee BT e talvolta MT e nelle stazioni. Isolatori di linea: hanno funzioni di isolamento e di sostegno nelle linee aeree MT e AT. Isolatori passanti: permettono ad un conduttore in tensione di attraversare una parete mettendo in collegamento due ambienti, spesso diversi. Gli isolatori, a seconda dell’installazione possono essere per esterno o per interno.

Per quanto concerne i problemi legati al progetto dell’isolamento elettrico, tutti gli isolatori presentano due aspetti: isolamento superficiale per il quale vanno considerate: la distanza di isolamento, vale a dire la distanza in linea retta fra la parte in tensione e la terra; la linea di fuga vale a dire la distanza misurata considerando tutto lo sviluppo dell’alettatura fra la parte in tensione e la terra. isolamento di volume che presenta aspetti diversi a seconda della morfologia dell’isolatore e di svilupperemo alcune considerazioni per gli isolatori passanti. Occorre infine tenere conto degli aspetti meccanici particolarmente importanti per le linee aeree.

Passanti in porcellana per bassa e media tensione Isolamento interno ed esterno in porcellana

Passanti per media tensione in resina epossidica Isolatore passante per alta tensione in SF6 isolamento esterno in porcellana isolamento interno in SF6 conduttore Isolamento interno ed esterno in resina

ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO A MASSA

Sollecitazione dielettrica In prima approssimazione (trascurando l’effetto dei bordi) la sollecitazione dielettrica può essere calcolata con un campo a simmetria cilindrica Sollecitazione dielettrica E r r1 r2 E(r) r1 r2 r V materiale isolante

Sollecitazione dielettrica massima in funzione del raggio del conduttore Tra tutti i raggi di conduttore possibili si cerca quello che minimizza il campo elettrico. Emm si ha un minimo per Emm r1 r1min r2

ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO E CONDUTTORE CAVO

ISOLATORE PASSANTE CON DOPPIO SCHERMO

PASSANTE A CONDENSATORE ARIA - OLIO FLANGIA A POTENZIALE DI TERRA LATO ARIA LATO OLIO ARMATURE

Sollecitazione dielettrica isolamento formato da N strati E r1 r2 un solo strato di isolamento il materiale è sollecitato solo in prossimità del conduttore il materiale è sollecitato in maniera più uniforme; la sollecitazione massima è minore a parità di dimensioni è possibile applicare una tensione maggiore V > V r r1 r2

Schema di un passante a condensatore isolamento in aria isolamento in olio cartocci isolanti strato di materiale conduttore porcellana r ri li Schema di un passante a condensatore ri ri+1 i-esimo strato V Vi conduttore obbiettivo: Vi = cost.

obbiettivo del dimensionamento Sistema isolante formato da N strati tutti dello stesso materiale di permettività e r i+1 r i l i i-esimo strato obbiettivo del dimensionamento

facendo tutti gli strati dello stesso identico spessore d poiché è ri << d

Passante per trasformatore (parte immersa in olio) isolamento in aria isolamento in olio cartocci isolanti strato di materiale conduttore porcellana r ri li conduttore Passante per trasformatore (parte immersa in olio)

Passanti per alta e altissima tensione Passante per l’attraversamento di una parete 400 kV, 4000 A isolamento esterno in porcellana - isolamento interno in carta-olio

Passanti a condensatore distanza d’isolamento in aria isolamento esterno in porcellana isolamento interno

Isolatori passanti in alta tensione Isolatori passanti per 145 kV Isolatori passanti per 380 kV

Isolatori passanti per altissima tensione in carta olio distanza di isolamento in aria (isolamento esterno) d

LE SOVRATENSIONI NEGLI IMPIANTI A. T. Le sovratensioni che influenzano i trasformatori possono essere origine esterna o interna all’impianto elettrico Di origine esterna: Fulminazione diretta o sovratensioni indotte in linea. Sono sostanzialmente di origine atmosferica ed hanno le seguenti caratteristiche: Livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono. durata dei fenomeni dell’ordine delle decine di s con tempi di salita dell’ordine dei 10 - 20 kA/s (quindi in una banda sul MHz). Simulazione effettuata con impulsi di tensione 1,2/50s o con impulsi di corrente 8/20 s.

Di origine interna: dipendono dalla morfologia dell’impianto elettrico e sono prodotte da: distacchi o variazioni brusche di carico; messa in tensione di linee o trasformatori; ferrorisonanza; guasti a terra. interruzione di carichi induttivi o capacitivi; Danno luogo a fenomeni, di solito fortemente smorzati. Le onde di tensione arrivano ai terminali del trasformatore dalla linea. Parte di esse vengono riflesse, parte assorbite in macchina. La maggior parte delle sovratensioni interne vengono simulate con impulsi di tensione con durate e tempi di salita dell’ordine del migliaio di microsecondi (bassa frequenza).

ACCORGIMENTI COSTRUTTIVI Studio del comportamento della macchina (avvolgimenti) in presenza di sovratensioni. Sviluppo di tecniche progettuali per migliorare il comportamento di componenti e sistemi in presenza di sovratensioni, e disponibilità di componenti atte a limitarle.: interventi progettuali e costruttivi su componenti e sistemi atti a minimizzare il livello delle sovratensioni; dimensionamento di componenti e sistemi in modo da ottimizzare il loro comportamento in presenza di sovratensioni; impiego di componenti in grado di ridurre il livello delle sovratensioni a valori non pericolosi per i componenti del sistema. Uso di tecniche di verifica delle soluzioni adottate (prove ad impulso).

SOLLECITAZIONI IN TENSIONE IN UN TRASFORMATORE BT Sollecitazioni verso massa fra gli avvolgimenti fra le spire Il valore delle sovratensioni che incidono sui trasformatori dipende dal coordinamento dell’isolamento del sistema e dal tipo di protezioni impiegate.

DISTRIBUZIONE DELLE SOLLECITAZIONI IMPULSIVE L’avvolgimento non è schematizzabile con parametri concentrati Un tratto infinitesimo, dx, dell’avvolgimento può essere rappresentato come: HV ctdx dx x x=0 x=h gdx rdx dx ldx cldx GND Con r [/m] resistenza longitudinale specifica l [H/m] induttanza “ “ g [S/m] conduttanza trasversale specifica cl [F/m] capacità longitudinale specifica ct [F/m] capacità trasversale specifica

MODELLO IN BASSA FREQUENZA: parametri concentrati Considero r ed l; Trascuro g, ct, cl dx rdx ldx h R L MODELLO IN ALTA FREQUENZA: parametri distribuiti Considero ct, cl ; Trascuro g, r, l ctdx dx cldx

Distribuzione della tensione impulsive nell’avvolgimento Se si considerano le frequenze in gioco in presenza di sovratensioni di origine atmosferica, il modello più corretto di un avvolgimento, in alta frequenza, è costituito da una rete di capacità fra spire (cl) e verso massa (ct). Nello schema relativo ad una singola fase, considero A e B la entrata e la uscita dell’avvolgimento L’impulso di tensione è in A per t=0 e vale V0 A ct cl dVx dIx x B h V0 Vx

la cui soluzione è del tipo: I(x)+dI(x) V(x)+dV(x) Nel tratto dx ho una perdita di corrente verso massa ed una caduta sulla impedenza longitudinale la cui soluzione è del tipo: ydx dI(x) zdx dV(x) I(x) V(x) con

Ulteriore semplificazione: z= 1/scl ; y=sct => In generale le capacità di spira sono molto minori rispetto alle capacità distribuite verso massa La soluzione dell’equazione differenziale assume forme diverse a seconda delle condizioni al contorno che riflettono il tipo di collegamento scelto per l’avvolgimento

STELLA CON NEUTRO A TERRA A collegato alla linea B collegato a terra per x = 0 V(0) = V0 per x = l V(l) = 0

Dopo alcuni passaggi si ottiene:  basso => ctbasso e/o cl elevato distribuzione uniforme tra le spire  elevato => ct elevato e/o cl basso distribuzione disuniforme tra le spire prevalenza di caduta sulle prime spire  20 5 2 0 A 0 x l B V(x)/V0 1

L’andamento della tensione tra le spire dell’avvolgimento è regolato da  Per =>0 la distribuzione delle sollecitazioni elettriche è lineare e si può applicare la regola del Volt/spira (dV(x)/dx=cost) Se invece  è elevato, la caduta di tensione si concentra nelle prime spire sollecitandone oltre misura Dato che  cresce al crescere delle capacità tra le spire, questa sollecitazione si accentua al crescere della potenza della macchina perché aumentano le dimensioni degli avvolgimenti

STELLA CON NEUTRO ISOLATO A collegato alla linea B isolato => I(l)=0 per x = 0 Vx = V0 per x = 2l Vx = V0      V(x)/V0 1 A 0 x l B

COLLEGAMENTO A TRIANGOLO A collegato alla linea B collegato alla linea per x = 0 V(0) = V0 per x = l V(l) = V0      V(x)/V0 1 A 0 x l B

Se non si adottano particolari accorgimenti in un normale avvolgimento si ha: > 5 Con opportuni accorgimenti progettuali e costruttivi si può arrivare ad avere:  < 1 Per  > 5 il gradiente sulle prime spire si può così esprimere: Esso è cioè  volte il gradiente corrispondente ad una distribuzione uniforme.

E’ infine necessario precisare che Ex è la tensione all’istante iniziale nel punto x dell’avvolgimento. Nel tempo tale tensione evolve per le riflessioni che si verificano agli estremi dell’avvolgimento. Tali riflessioni possono portare anche a tensioni e a gradienti fra le spire con valori più elevati di quelli che si verificano all’istante iniziale

TENSIONE, RIFERITA AL VALORE MASSIMO DELLA TENSIONE DI LINEA, PER x = 80%, IN FUNZIONE DEL TEMPO

ACCORGIMENTI ATTI A RIDURRE . Il valore del parametro  è determinante per migliorare il comportamento di un avvolgimento A.T.. Tanto più è elevato  tanto maggiore è la differenza di potenziale sulle prime spire Posso pensare di aumentare lo spessore dell’isolamento di spira. La capacità tra spire è molto piccola e non riesco ad ottenere gli effetti sperati. Un aumento del bispessore porta ad una riduzione di c. Si deve aumentare la capacità tra spire e diminuire quella contro massa Bisp.

Nei piccoli trasformatori si rinforza l’isolamento di spira e di bobina delle prime bobine. Non è razionale ma si usa fare Possono essere adottati i seguenti accorgimenti: iniezione di corrente nelle prime spire con accoppiamenti capacitivi con il terminale A.T. (schermi, anelli diffusori); aumento della differenza di potenziale fra spire adiacenti con la realizzazione di particolari avvolgimenti (a spire interposte, a strati).

INIEZIONE DI CORRENTE MEDIANTE ACCOPPIAMENTI CAPACITIVI x c C B

Si colloca in testa all’avvolgimento di AT una grossa spira cava, aperta che crei una capacità e non provochi circolazione di corrente Se non basta si inseriscono degli schermi anulari lungo l’avvolgimento

Nei grandissimi trasformatori a connessione diretta in rete e soggette a fulminazioni, si inseriscono degli schermi parabolici che interessano tutto l’avvolgimento Con questi accorgimenti  viene ridotto quasi a 0 I trasformatori che presentano  =0 sono detti “Antirisonanti” Per i trasformatori di piccola potenza, si rinforza l’isolamento delle prime 2 o 3 bobine

AVVOLGIMENTO A SPIRE INTERPOSTE CONFRONTATO CON UNO A DISCHI ANELLO DIFFUSORE 1 7 2 8 3 9 12 6 11 5 10 4 A DISCHI A SPIRE INTERPOSTE

AVVOLGIMENTI A STRATI PER A. T. x

VALUTAZIONE DEL TRASFORMATORE IN REGIME IMPULSIVO Il valore delle sovratensioni che incidono sui trasformatori dipende dal coordinamento dell’isolamento del sistema e dal tipo di protezioni impiegate. Le sovratensioni di origine atmosferica vengono simulate con impulsi di tensione del tipo: dove = cost. di tempo della coda;  = cost. di tempo del fronte

IMPULSO DI TENSIONE NORMALIZZATO tf = 1,2 s; tc = 50 s tf = 1,25 t’ v (kV) vmax 0,9 Vmax 0,5 Vmax 0,1 Vmax tf tc t’ t (s)

IMPULSO DI TENSIONE TRONCATO SUL FRONTE O SULLA CRESTA v (kV) vmax tf tc t (s)

SCHEMA DI GENERATORE DI IMPULSI Rf Ra Rc P O A S C Sp vc vtot

si definisce rendimento del generatore il rapporto: Nella figura si ha: A = alimentatore in c.c. a tensione variabile; Ra = resistenze di carica dei condensatori (decine di k); Rf = resistenze di fronte (decine di ); Rc = resistenze di coda (decine di k); C = condensatori; P = partitore compensato resistivo-capacitivo per il rilievo della forma d’onda della tensione. S = shunt antinduttivo ed anticapacitivo per il rilievo della forma d’onda della corrente; Sp = spinterometro a sfere per la misura della tensione di cresta. si definisce rendimento del generatore il rapporto:

RISULTATI DI PROVE AD IMPULSO SU BOBINE DI TRASFORMATORI NESSUNA SCARICA SCARICA FRA SPIRE SCARICA VERSO TERRA

La scarica può verificarsi sul fronte, sulla cresta o sulla coda dell’impulso. Se la scarica avviene sul fronte il livello della tensione di scarica dipende dalla ripidità del fronte stesso. Se la scarica si verifica ai capi di uno spinterometro a sfere, si ha di norma una scarica sulla cresta dell’impulso. Lo spinterometro a sfere consente di misurare l’ampiezza dell’impulso in base alla probabilità di scarica, valutata effettuando una serie di prove ripetute. Si adotta come tensione di misura, il valore che corrisponde al verificarsi del 50 % di scariche.

MISURA DELLA TENSIONE DI CRESTA DI UN IMPULSO CON LO SPINTEROMETRO A SFERE 100% 50% 0% probabilità di scarica tensione V0 V50 V100

TENSIONE DI SCARICA SUL FRONTE IN FUNZIONE DEL TEMPO DI SALITA