Danni indotti dalle armoniche ai trasformatori a secco e relative contromisure

L'inquinamento armonico è diventato una grave minaccia per il funzionamento sicuro dei trasformatori a secco, con la diffusione dei carichi non lineari nelle reti elettriche. Questo articolo spiega in che modo le armoniche danneggiano i trasformatori a secco e quali misure adottare per garantirne un funzionamento sicuro.

Trasformatore di potenza a secco con avvolgimenti in resina epossidica rossa e base di montaggio blu

Danni causati dalle armoniche

• Aumento delle perdite e innalzamento anomalo della temperatura. Le correnti armoniche intensificano gli effetti pelle e di prossimità negli avvolgimenti del trasformatore. La resistenza in corrente alternata aumenta, causando un notevole incremento delle perdite nel rame; inoltre, il flusso armonico ad alta frequenza amplifica le perdite per correnti parassite e per isteresi nel nucleo: le perdite per correnti parassite crescono approssimativamente con il quadrato della frequenza, mentre quelle per isteresi crescono in modo approssimativamente proporzionale alla frequenza. Queste perdite aggiuntive si dissipano sotto forma di calore, portando la temperatura di esercizio a livelli anormalmente elevati.
• Invecchiamento più rapido dell'isolamento e riduzione della vita utile. I trasformatori a secco sono raffreddati per convezione d'aria (raffreddamento ad aria naturale AN o ad aria forzata AF), pertanto sono sensibili alle variazioni di temperatura. L'alta temperatura prolungata accelera l'invecchiamento termico dei materiali isolanti come la resina epossidica e la carta Nomex. Secondo il modello di invecchiamento previsto nella norma IEC 60076-12:2008, il tasso di invecchiamento dell'isolamento aumenta in modo esponenziale con la temperatura, raddoppiando approssimativamente per ogni aumento di 6 K, il che incrementa notevolmente il rischio di rottura dielettrica.
• Ridotta capacità di carico (è necessario il derating). Poiché le armoniche generano calore aggiuntivo, il trasformatore non è più in grado di erogare la potenza nominale di targa e deve essere operato a un carico inferiore. Un trasformatore selezionato per la stessa potenza nominale in condizioni di presenza di armoniche può effettivamente sopportare un carico minore, riducendo l'utilizzo della capacità e sprecando il valore dell'asset.
• Maggiore vibrazione e rumore. I campi magnetici armonici modificano le componenti in frequenza della magnetostrizione del nucleo e possono eccitare risonanze nelle parti strutturali, rendendo il trasformatore notevolmente più rumoroso, spesso con un fischio ad alta frequenza. Le vibrazioni a lungo termine possono anche allentare gli elementi di fissaggio o deformare gli avvolgimenti.

Strategie di mitigazione

Standard di riferimento

• IEC 60076-12:2008 — Trasformatori di potenza – Parte 12: Guida al carico per trasformatori di potenza in secco
• IEC 60364-5-54 — Impianti elettrici a bassa tensione – Parte 5-54: Scelta e installazione dei componenti elettrici – Schemi di collegamento a terra e conduttori di protezione
• IEC 61936-1:2021 — Impianti di potenza in corrente alternata con tensione superiore a 1 kV – Parte 1: Regole comuni

Riepilogo

Le armoniche sono il "killer invisibile" dei trasformatori in secco: il surriscaldamento che provocano accelera l'invecchiamento dell'isolamento, e tale invecchiamento è cumulativo e irreversibile. Nessuna singola misura è sufficiente; è necessario un approccio completo — idealmente un collegamento Dyn11 o un trasformatore con fattore K in fase di progettazione, e filtri attivi o reattori correttamente configurati in servizio.

La mitigazione delle armoniche non solo elimina i rischi per la sicurezza, ma migliora anche l'efficienza operativa e la durata utile, mantenendo il sistema di alimentazione stabile e affidabile.

A cura di: Leon