Flusso del processo di produzione dei trasformatori immersi in olio — Spiegato

1. Introduzione

Il trasformatore è un componente centrale indispensabile di qualsiasi sistema elettrico, e il trasformatore immerso in olio è il tipo più diffuso e di più lunga tradizione. Utilizza olio isolante per fornire sia isolamento elettrico che dissipazione del calore, offrendo grande capacità, prestazioni stabili e costi relativamente bassi. È ampiamente impiegato nella trasmissione e distribuzione di energia, nelle applicazioni industriali e nei grandi impianti elettrici.

Per i produttori, un chiaro diagramma di flusso del processo non è solo la base per organizzare la produzione e disporre le postazioni di lavoro nel reparto di produzione, ma anche il documento chiave per garantire una qualità del prodotto costante, tracciare i problemi di qualità e realizzare una produzione standardizzata. Questo articolo introduce sistematicamente l'intero processo di produzione di un trasformatore immerso in olio, aiutando i lettori a comprendere come un'unità conforme venga gradualmente "realizzata" a partire da un mucchio di materie prime.

2. Struttura di base di un trasformatore immerso in olio

Prima di discutere il flusso del processo, è utile comprendere i componenti principali di un trasformatore immerso in olio, poiché l'intero processo ruota attorno alla produzione e all'assemblaggio di queste parti.

Un tipico trasformatore immerso in olio è costituito principalmente dalle seguenti parti:

L'intero processo può essere riassunto lungo due linee principali: una è la produzione dei componenti (nucleo, bobina e altri sottoinsiemi) e l'altra è l'assemblaggio e collaudo finali (assemblaggio della parte attiva, essiccazione, riempimento d'olio, collaudo e spedizione).

3. Flusso del processo complessivo — Panoramica

Per facilitare la comprensione, l'intero processo di produzione di un trasformatore immerso in olio può essere suddiviso nelle seguenti fasi principali:

Acciaio al silicio / filo di rame / isolamento Fornitura materiali

[Ispezione materie prime] → [Produzione del nucleo] → [Produzione delle bobine] → [Assemblaggio della parte attiva]

↑ ↓

Fornitura materiali [Processo di essiccazione]

↑ ↓

Acciaio al silicio / filo di rame / isolamento [Parte attiva nel serbatoio]

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[Riempimento d'olio e trattamento sotto vuoto]

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[Assemblaggio finale (accessori)]

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[Collaudo di tipo/routine e ispezione]

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[Verniciatura / Imballaggio / Spedizione]

Dal punto di vista del "completamente immerso nell'olio, cinque fasi principali", il diagramma di flusso può essere suddiviso in tredici operazioni chiave, descritte una per una di seguito.

4. Spiegazione dettagliata del processo principale

Fase 1: Ispezione e preparazione delle materie prime

Qualsiasi trasformatore di alta qualità inizia con un rigoroso controllo delle materie prime.

• Lamierini di acciaio al silicio: L'acciaio al silicio a grano orientato è la base del circuito magnetico del nucleo. Il suo contenuto di silicio, l'orientamento del grano, l'induzione magnetica, la perdita specifica nel ferro e la tolleranza sullo spessore devono essere tutti verificati. Solo i lamierini conformi possono garantire una bassa perdita nel nucleo e una bassa corrente a vuoto.
• Fili magnetici: Inclusi filo di rame tondo smaltato, filo di rame rettangolare avvolto in carta e conduttori trasposti. Resistenza, spessore dell'isolamento, rigidità dielettrica e continuità devono essere controllati per prevenire cortocircuiti tra le spire durante il funzionamento.
• Materiali isolanti: Carta isolante, cartone pressato, carta NOMEX, legno laminato e strisce distanziatrici devono essere controllati per rigidità dielettrica, resistenza meccanica e assorbimento di umidità. Un isolamento umido o contaminato accorcerà direttamente la vita dell'isolamento del trasformatore.
• Olio isolante: L'olio in ingresso deve essere testato per indice di acidità, contenuto di umidità, fattore di dissipazione dielettrica, tensione di rottura e contenuto di gas. Solo l'olio conforme è ammesso nella linea di produzione.

Fase 2: Produzione del nucleo

Il nucleo è il circuito magnetico del trasformatore; la sua qualità determina direttamente le perdite a vuoto e i livelli di rumore.

1. Fenditura e taglio: Fendere l'intera bobina di acciaio al silicio in strisce della larghezza richiesta lungo la direzione di laminazione, quindi tagliarle a pezzi della lunghezza richiesta, forando e smussando i bordi. I bordi tagliati devono essere privi di bave, altrimenti i cortocircuiti inter-lamellari causeranno riscaldamento e perdite eccessive.
2. Impilamento: Impilare i lamierini del nucleo uno per uno secondo gli strati e il modello di progettazione (ad es. giunti sfalsati, a quattro gradini o a mitra). Il numero di lamierini, la compattezza e la planarità devono essere strettamente controllati durante l'impilamento.
3. Serraggio e fissaggio: Premere e fissare il nucleo impilato utilizzando piastre di serraggio (morsetti superiori/inferiori) e tiranti per mantenere il nucleo integro e privo di allentamenti.
4. Sbavatura e ispezione: Rimuovere le bave dal nucleo, quindi eseguire una prova iniziale a vuoto per misurare la perdita nel nucleo; rielaborare se la perdita supera il limite.

Fase 3: Produzione delle bobine (avvolgimento)

Gli avvolgimenti sono il circuito elettrico del trasformatore, suddivisi in avvolgimenti a bassa tensione (BT) e ad alta tensione (AT). Il processo di produzione determina direttamente l'impedenza, le perdite e le prestazioni dell'isolamento.

1. Avvolgimento: Utilizzare le macchine avvolgitrici per avvolgere il filo magnetico attorno al cilindro di isolamento (o direttamente sul gambo del nucleo) in base al numero di spire e strati progettato. È necessario applicare una tensione costante per garantire che la bobina sia compatta e dimensionalmente accurata.
2. Avvolgimento dell'isolamento: Durante l'avvolgimento, posizionare simultaneamente l'isolamento tra gli strati e l'isolamento tra le spire, e inserire a intervalli distanziatori o condotti di raffreddamento per garantire la circolazione dell'olio per la dissipazione del calore.
3. Trasposizione: Per i conduttori trasposti, eseguire la trasposizione a intervalli specificati durante l'avvolgimento per bilanciare la corrente tra i conduttori in parallelo e ridurre le perdite per correnti di circolazione.
4. Pressatura e formatura: Dopo l'avvolgimento, essiccare, sagomare e pressare la bobina affinché le sue dimensioni soddisfino i requisiti, e rifinire l'isolamento delle estremità.
5. Saldatura dei collegamenti: Saldare o imbullonare i collegamenti AT/BT alle prese della bobina, avvolgere i punti di connessione con isolamento e fissarli sui supporti.

Fase 4: Assemblaggio della parte attiva

La parte attiva è costituita dal nucleo, dagli avvolgimenti e dalla struttura di isolamento.

1. Avvolgimento sul nucleo: Assemblare le bobine BT e AT già avvolte sui gambi del nucleo (il nucleo può essere assemblato per primo e le bobine infilate, oppure il nucleo può essere impilato successivamente, a seconda del processo), installando cilindri di isolamento, anelli di isolamento delle estremità e distanziatori tra i livelli delle bobine.
2. Laminazione del giogo superiore (chiusura del circuito magnetico): Dopo aver serrato gli avvolgimenti, inserire le lamiere del giogo superiore, chiudere e pressare il circuito magnetico.
3. Isolamento e fissaggio: Installare tutte le parti isolanti (anelli angolari isolanti, schermi elettrostatici, supporti per l'isolamento dei collegamenti, ecc.) e serrare saldamente la parte attiva utilizzando bulloni e morsetti isolanti per evitare allentamenti durante il trasporto e il funzionamento.
4. Collegamento dei conduttori: Collegare correttamente i conduttori delle bobine secondo lo schema di connessione (ad es., Y o Δ), riservando i conduttori delle prese per il commutatore sotto carico.

Fase 5: Processo di essiccazione

Questa è una delle fasi più critiche che influenzano la vita del trasformatore. I materiali isolanti (carta, cartone pressato, legno) sono fortemente polari e assorbono facilmente l'umidità. Se il contenuto di umidità è troppo elevato, le prestazioni dell'isolamento diminuiscono drasticamente, causando potenzialmente scariche parziali e rottura dell'isolamento.

• Essiccazione sotto vuoto: Posizionare la parte attiva in un grande recipiente di essiccazione sotto vuoto, applicando prima calore (aria calda o riscaldamento a vapore) per eliminare l'umidità, quindi creando il vuoto per abbassare il punto di ebollizione dell'acqua e accelerare l'evaporazione dell'umidità.
• Obiettivi di controllo: Dopo l'essiccazione, misurare il contenuto di umidità della carta isolante, che tipicamente deve essere ridotto a meno dello 0,5%, con la resistenza di isolamento che raggiunge il valore specificato.
• La velocità di riscaldamento deve essere rigorosamente controllata per evitare un improvviso aumento di temperatura, che può invecchiare e fragilizzare il materiale isolante.

Fase 6: Inserimento della parte attiva nella vasca

Sollevare la parte attiva essiccata e raffreddata in una vasca pulita e ispezionata:

1. La parete interna della vasca è rivestita con vernice isolante anticorrosione, e i blocchi di base della parte attiva e gli accessori di posizionamento sono posizionati sul fondo.
2. Abbassare dolcemente la parte attiva nella vasca, allineando i collegamenti delle bobine con le aperture dei passanti nel coperchio della vasca.
3. Installare e fissare il meccanismo di azionamento del commutatore sotto carico e i fissaggi dei collegamenti, e regolare la parte attiva al centro della vasca.
4. Verificare le distanze elettriche e di isolamento tra la parte attiva e la vasca.

Fase 7: Riempimento dell'olio sotto vuoto

Il riempimento dell'olio deve essere combinato con il trattamento sotto vuoto; altrimenti, aria e umidità rimangono intrappolate nell'olio, compromettendo gravemente la rigidità dielettrica e la vita utile.

1. Evacuazione: Creare il vuoto nella vasca per rimuovere ulteriormente l'umidità residua e il gas intrappolato nella parte attiva, prevenendo al contempo l'intrappolamento di aria durante il riempimento.
2. Riempimento dell'olio sotto vuoto: Sotto vuoto, iniettare lentamente olio isolante qualificato, filtrato, degassato e disidratato dal fondo della vasca, consentendo all'olio di riempire tutti gli spazi di isolamento per gravità.
3. Assestamento e degassaggio: Dopo il riempimento, mantenere il vuoto o lasciare l'unità a riposo per un periodo affinché il gas residuo possa salire e fuoriuscire.
4. Durante tutto il processo, monitorare online l'umidità dell'olio, il contenuto di gas e il conteggio delle particelle.

Fase 8: Assemblaggio finale (Installazione degli accessori)

Dopo che la parte attiva è stata riempita di olio e sigillata preliminarmente, l'installazione degli accessori esterni trasforma un "trasformatore nudo" in un'unità completa e funzionale:

• Installare il conservatore (serbatoio d'olio): compensa le variazioni di volume dell'olio con la temperatura e ospita una vescica o un diaframma per isolare l'olio dall'aria e rallentare l'invecchiamento dell'olio.
• Installare i radiatori (dissipatori)/ventilatori: forniscono la superficie di dissipazione del calore tramite circolazione naturale dell'olio o circolazione forzata dell'olio.
• Installare i passanti AT/BT: portano i conduttori fuori dal serbatoio garantendo al contempo un'adeguata distanza di fuga.
• Installare i cambiatori di presa: sia di tipo sotto carico che a vuoto, montati sulla parete del serbatoio con i meccanismi di azionamento.
• Installare i dispositivi di protezione del corpo: relè gas (Buchholz), termometri (temperatura olio/avvolgimento), valvola di sicurezza, indicatore di livello dell'olio e respiratore (respiratore disidratante).
• Collegare i conduttori esterni e le sbarre collettrici.

Fase 9: Collaudo e Ispezione in Fabbrica

Il trasformatore completamente assemblato deve superare rigorosi collaudi prima della spedizione. Le prove sono suddivise in prove di routine e prove di tipo:

Prove di routine (eseguite su ogni unità)

• Resistenza di isolamento degli avvolgimenti e rapporto di assorbimento: rileva l'umidità dell'isolamento.
• Prova di tensione applicata esternamente (avvolgimento con passanti): verifica la resistenza dell'isolamento verso terra.
• Prova di sovratensione indotta: verifica la resistenza dell'isolamento spira-spira e tra strati.
• Prova a vuoto: misura le perdite a vuoto e la corrente a vuoto, verificando la qualità del nucleo magnetico.
• Prova di carico (cortocircuito): misura le perdite di carico e la tensione di impedenza, verificando le perdite di resistenza degli avvolgimenti e la geometria.
• Misurazione della resistenza in corrente continua: verifica i collegamenti degli avvolgimenti e la qualità dei contatti del commutatore di presa.
• Prove sull'olio isolante: tensione di rottura, fattore di dissipazione, umidità, ecc.

Prove di tipo (per nuovi prodotti o lotti importanti)

• Prova di riscaldamento, prova di impulso fulmineo, prova di impulso di manovra, prova di tenuta al cortocircuito, prova di rumore, ecc.

Fase 10: Verniciatura e Ispezione Finale

Alcuni trasformatori richiedono un trattamento superficiale finale dopo aver superato i collaudi:

• Disossidare e sabbiare la superficie esterna del serbatoio, quindi applicare una mano di primer e le mani di finitura (vernice antiruggine e anticorrosione) per migliorare la resistenza agli agenti atmosferici.
• Verificare la tenuta di tutte le flange, le valvole e le aree di tenuta per prevenire perdite d'olio.
• Pulizia finale, applicazione della targa delle caratteristiche nominali, della cornice della targhetta identificativa e del certificato di conformità.

Fase 11: Imballaggio e Spedizione

Dopo l'ispezione finale, il trasformatore viene riempito con olio per il trasporto (oppure la parte attiva viene spedita sotto azoto o sotto vuoto), seguito da:

• Imballaggio a prova di umidità, a prova di urto e anti-ribaltamento.
• Configurazione di trasporto fissata per evitare che la parte attiva si sposti durante il transito.
• Documentazione di accompagnamento (rapporto di prova, manuale di istruzioni, certificato, garanzia).

5. Controllo Qualità e Problemi Comuni

Durante tutto il processo, diversi punti di controllo qualità meritano particolare attenzione:

1. Controllo delle perdite nel nucleo: le bave nell'acciaio al silicio o una compattezza di impilaggio insufficiente aumentano le perdite a vuoto e il rumore.
2. Controllo dell'isolamento degli avvolgimenti: una tensione di avvolgimento non uniforme o un avvolgimento dell'isolamento incompleto possono concentrare l'intensità del campo locale.
3. Controllo dell'essiccazione/disidratazione: questo è fondamentale per la durata dell'isolamento; un'essiccazione incompleta getta le basi per la rottura dell'isolamento.
4. Controllo del vuoto durante il riempimento d'olio: un vuoto insufficiente lascia un elevato contenuto di gas nell'olio, accelerando il deterioramento dell'olio e inducendo scariche parziali.
5. Controllo della tenuta: qualsiasi perdita d'olio influisce sul livello dell'olio, sulla dissipazione del calore e sull'isolamento, e deve essere eliminata prima della spedizione.

I difetti di processo comuni hanno spesso origine nelle operazioni a monte. La produzione su larga scala si basa pertanto su un sistema di controllo qualità a tre livelli composto da ispezione del primo articolo + ispezione a campione in processo + ispezione finale completa, supportato da schede di processo tracciabili, garantendo che ogni prodotto possa essere ricondotto ai lotti di materie prime e ai parametri di processo chiave.

6. Tendenze di Sviluppo dei Processi

Con il progresso della tecnologia, il processo di produzione dei trasformatori in olio continua a evolversi:

• Produzione intelligente e automazione: Le macchine impilatrici automatiche, le macchine avvolgitrici automatiche, la logistica AGV e i sistemi di esecuzione della produzione MES sono ampiamente utilizzati per migliorare la coerenza e la tracciabilità.
• Materiali ecocompatibili: Promozione di olio isolante biodegradabile (ad es. olio vegetale), acciaio al silicio di alta qualità a basse perdite (ad es. acciaio a grano orientato) e carta isolante di classe termica superiore.
• Tecnologia di essiccazione sotto vuoto aggiornata: Passaggio dalla semplice essiccazione ad aria calda all'essiccazione a tamburo rotante e all'essiccazione sotto vuoto multistadio graduata per ridurre ulteriormente il contenuto di umidità.
• Test digitali e monitoraggio online: Combinazione dei dati dei test di fabbrica con il monitoraggio online in servizio per realizzare la gestione dell'intero ciclo di vita del trasformatore.

7. Conclusione

La produzione di un trasformatore immerso in olio è uno sforzo di ingegneria dei sistemi che coinvolge molteplici discipline come la scienza dei materiali, l'elettromagnetismo, la trasmissione del calore e la tecnologia dell'isolamento. Dai lamierini del nucleo e l'avvolgimento delle bobine all'essiccazione della parte attiva e il riempimento sotto vuoto con olio, fino al montaggio finale e ai collaudi, ogni operazione è interconnessa e reciprocamente vincolante. Comprendere questo diagramma di flusso del processo non è solo essenziale per i produttori per raggiungere alta qualità, alta efficienza e bassi costi, ma rappresenta anche una base importante per i professionisti del settore elettrico per comprendere i principi di funzionamento del trasformatore e le nozioni fondamentali di manutenzione.

Spero che questo articolo vi fornisca una comprensione sistematica e chiara dell'intero percorso che un trasformatore immerso in olio compie "dalle materie prime a un prodotto qualificato". Se desiderate parametri più dettagliati o requisiti di processo per qualsiasi operazione specifica, non esitate ad approfondire.

Contattaci:

• Web: www.rockwill.com

Modificato da: Dyson