Cosa sono i guasti nei trasformatori?

Che cosa sono i guasti nei trasformatori?

Definizione dei guasti nei trasformatori

I guasti nei trasformatori si riferiscono a problemi come la rottura dell'isolamento e i guasti del nucleo che possono verificarsi all'interno o all'esterno del trasformatore.

Guasti esterni nel trasformatore di potenza

Cortocircuito esterno del trasformatore di potenza

I cortocircuiti possono verificarsi in due o tre fasi del sistema elettrico. La corrente di guasto è solitamente elevata, a seconda della tensione cortocircuitata e dell'impedenza del circuito fino al punto di guasto. Questa alta corrente di guasto aumenta le perdite di rame, causando un riscaldamento interno del trasformatore. Crea anche forti sollecitazioni meccaniche, soprattutto durante il primo ciclo della corrente di guasto.

Perturbazione ad alta tensione nel trasformatore di potenza

Le perturbazioni ad alta tensione nel trasformatore di potenza sono di due tipi,

• Sovratensione transitoria

• Sovratensione alla frequenza di rete

Sovratensione transitoria

Alta tensione e alta frequenza impulsi possono sorgere nel sistema elettrico a causa di uno dei seguenti motivi,

• Arco a terra se il punto neutro è isolato.

• Operazioni di commutazione di diversi apparecchiature elettriche.

• Impulso atmosferico da fulmine.

Qualunque sia la causa della sovratensione, essa è comunque un'onda viaggiante con una forma d'onda alta e ripida e con alta frequenza. Questa onda si propaga nella rete del sistema elettrico, e quando raggiunge il trasformatore di potenza, provoca la rottura dell'isolamento tra gli spire adiacenti al terminale di linea, che può creare un cortocircuito tra le spire.

Sovratensione alla frequenza di rete

C'è sempre la possibilità di una sovratensione del sistema a causa della disconnessione improvvisa di un carico importante. Anche se l'ampiezza di questa tensione è superiore al suo livello normale, la frequenza rimane la stessa che era nelle condizioni normali. La sovratensione nel sistema causa un aumento dello stress sull'isolamento del trasformatore. Come sappiamo, l'aumento della tensione causa un aumento proporzionale del flusso magnetico.

Questo quindi causa, un aumento delle perdite di ferro e un aumento proporzionalmente maggiore della corrente di magnetizzazione. Il flusso aumentato viene deviato dal nucleo del trasformatore ad altre parti strutturali in acciaio del trasformatore. I bulloni del nucleo, che normalmente portano poca flussitudine, possono essere soggetti a una grande componente di flusso deviato dalla regione saturata del nucleo. In tali condizioni, il bullone può riscaldarsi rapidamente e distruggere la propria isolazione nonché quella degli avvolgimenti.

Effetto di bassa frequenza nel trasformatore di potenza

Poiché, la tensione e il numero di spire nell'avvolgimento sono fissi. Da questa equazione è chiaro che se la frequenza diminuisce in un sistema, il flusso nel nucleo aumenta, gli effetti sono più o meno simili a quelli della sovratensione.

Guasti interni nel trasformatore di potenza

I principali guasti che si verificano all'interno di un trasformatore di potenza sono categorizzati come,

• Rottura dell'isolamento tra avvolgimento e terra

• Rottura dell'isolamento tra diverse fasi

• Rottura dell'isolamento tra spire adiacenti, cioè guasto inter-spire

• Guasto del nucleo del trasformatore

Guasti interni a terra nel trasformatore di potenza

Guasti interni a terra in un avvolgimento a stella con il punto neutro collegato a terra attraverso un'impedenza

In un avvolgimento a stella con il punto neutro collegato a terra attraverso un'impedenza, la corrente di guasto dipende dall'impedenza di terra e dalla distanza dal punto di guasto al neutro. La tensione al punto di guasto è più alta se è più lontana dal neutro, portando a una corrente di guasto più alta. La corrente di guasto dipende anche dalla reattività di fuga della porzione di avvolgimento tra il punto di guasto e il neutro, ma questa è generalmente bassa rispetto all'impedenza di terra.

Guasti interni a terra in un avvolgimento a stella con il punto neutro solidamente collegato a terra

In questo caso, l'impedenza di terra è idealmente zero. La corrente di guasto dipende dalla reattività di fuga della porzione di avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro del trasformatore. La corrente di guasto dipende anche dalla distanza tra il punto neutro e il punto di guasto nel trasformatore.

Come detto nel caso precedente, la tensione tra questi due punti dipende dal numero di spire tra il punto di guasto e il punto neutro. Quindi, in un avvolgimento a stella con il punto neutro solidamente collegato a terra, la corrente di guasto dipende da due fattori principali, prima la reattività di fuga dell'avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro, e secondariamente la distanza tra il punto di guasto e il punto neutro. 

Ma la reattività di fuga dell'avvolgimento varia in modo complesso con la posizione del guasto nell'avvolgimento. Si osserva che la reattività diminuisce molto rapidamente per il punto di guasto che si avvicina al neutro e quindi la corrente di guasto è massima per il guasto vicino all'estremità neutra. Quindi, in questo punto, la tensione disponibile per la corrente di guasto è bassa e allo stesso tempo la reattività che oppone la corrente di guasto è anche bassa, quindi il valore della corrente di guasto è abbastanza alto. 

Di nuovo, per il punto di guasto lontano dal punto neutro, la tensione disponibile per la corrente di guasto è alta, ma allo stesso tempo la reattività offerta dalla porzione di avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro è alta. Si può notare che la corrente di guasto rimane a un livello molto alto lungo tutto l'avvolgimento. In altre parole, la corrente di guasto mantiene una magnitudine molto alta indipendentemente dalla posizione del guasto sull'avvolgimento.

Guasti interni tra fasi nel trasformatore di potenza

I guasti tra fasi nel trasformatore sono rari. Se un tale guasto dovesse verificarsi, produrrebbe una corrente sostanziale per attivare il relè di sovratensione istantaneo sul lato primario, così come il relè differenziale.

Guasti inter-spire nel trasformatore di potenza

Un trasformatore di potenza connesso a un sistema di trasmissione a extra alta tensione è molto probabile che sia soggetto a impulsi di alta ampiezza, fronte ripido e alta frequenza a causa dei surriscaldi atmosferici sulla linea di trasmissione. Le tensioni tra le spire diventano così elevate che non possono sostenere lo stress, causando il fallimento dell'isolamento tra le spire in alcuni punti. Anche l'avvolgimento a bassa tensione è stressato a causa della tensione di impulso trasferita. Un numero molto elevato di guasti di trasformatori deriva da guasti tra spire. I guasti inter-spire possono anche verificarsi a causa di forze meccaniche tra le spire generate da cortocircuiti esterni.

Guasto del nucleo nel trasformatore di potenza

Se qualsiasi parte delle lamine del nucleo è danneggiata o collegata da un materiale conduttore, può causare correnti indotte e riscaldamento locale. Questo può anche accadere se l'isolamento dei bulloni utilizzati per stringere le lamine del nucleo fallisce. Questi guasti causano un riscaldamento locale severo, ma non influiscono significativamente sulla corrente di ingresso e uscita del trasformatore, rendendoli difficili da rilevare con schemi di protezione elettrica standard. L'eccessivo riscaldamento può degradare l'olio del trasformatore, rilasciando gas che si accumulano nel relè Buchholz e scatenando un allarme.